Кислород — Циклопедия

Кислород — Циклопедия Кислород

— кислород — большая советская энциклопедия

Кислород (латинское Oxygenium), О, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 8, атомная масса 15,9994. При нормальных условиях кислородгаз без цвета, запаха и вкуса. Трудно назвать другой элемент, который играл бы на нашей планете такую важную роль, как кислород.

  Историческая справка. Процессы горения и дыхания издавна привлекали внимание учёных. Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь «активная» его часть поддерживает горение, обнаружены в китайских рукописях 8 в. Много позже Леонардо да Винчи (1452—1519) рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. Окончательное открытие двух главных составных частей воздухаазота и кислорода, сделавшее эпоху в науке, произошло только в конце 18 в. (см. Химия, Исторический очерк). Кислород получили почти одновременно К. Шееле (1769—70) путём прокаливания селитр (KNO3, NaNO3), двуокиси марганца MnO2 и других веществ и Дж. Пристли (1774) при нагревании сурика Pb3O4 и окиси ртути HgO. В 1772 Д. Резерфорд открыл азот. В 1775 А. Лавуазье, произведя количественный анализвоздуха, нашёл, что он «состоит из двух (газов) различного и, так сказать, противоположного характера», т. е. из кислорода и азота. На основе широких экспериментальных исследований Лавуазье правильно объяснил горение и дыхание как процессы взаимодействия веществ с кислородом. Поскольку кислород входит в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, т. е. «образующий кислоты» (от греческого oxýs — кислый и gennáo — рождаю; отсюда и русское название «кислород»).

  Распространение в природе. Кислород — самый распространённый химический элемент на Земле. Связанный кислород составляет около 6/7 массы водной оболочки Земли — гидросферы (85,82% по массе), почти половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где кислород находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после азота.

  Кислород стоит на первом месте и по числу образуемых им минералов (1364); среди минералов, содержащих кислород, преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и др.), кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах в среднем около 70% кислорода; он входит в состав большинства важнейших органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав неорганических соединений скелета. Исключительно велика роль свободного кислорода в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счёт окисления биологического различных веществ с помощью кислорода.

  Вся масса свободного кислорода. Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений суши и Мирового океана, выделяющих кислород в процессе фотосинтеза. На земной поверхности, где протекает фотосинтез и господствует свободный кислород, формируются резко окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных вод, в илах морей и озер, в болотах, где свободный кислород отсутствует, формируется восстановительная среда. Окислительно-восстановительные процессы с участием кислорода определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений полезных ископаемыхугля, нефти, серы, руджелеза, меди и т.д. (см. Круговорот веществ). Изменения в круговорот кислорода вносит и хозяйственная деятельность человека. В некоторых промышленных странах при сгорании топлива расходуется кислорода больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Всего же на сжигание топлива в мире ежегодно потребляется около 9·109 т кислорода.

  Изотопы, атом, молекула. Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16О, 17O и 18O, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759%, 0,037% и 0,204% от общего числа атомовкислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16O связано с тем, что ядро атома16O состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории атомного ядра, обладают особой устойчивостью.

  В соответствии с положением кислорода в периодической системе элементов Менделеева электроныатомакислорода располагаются на двух оболочках: 2 — на внутренней и 6 — на внешней (конфигурация 1s22s22p4 см. Атом). Поскольку внешняя оболочка атомакислорода не заполнена, а потенциал ионизации и сродство к электрону составляют соответственно 13,61 и 1,46 эв, атомкислорода в химических соединениях обычно приобретает электроны и имеет отрицательный эффективный заряд. Напротив, крайне редки соединения, в которых электроны отрываются (точнее оттягиваются) от атомакислорода (таковы, например, F2O, F2O2). Раньше, исходя единственно из положения кислорода в периодической системе, атомукислорода в окислах и в большинстве других соединений приписывали отрицательный заряд (—2). Однако, как показывают экспериментальные данные, ион O2- не существует ни в свободном состоянии, ни в соединениях, и отрицательный эффективный заряд атомакислорода практически никогда существенно не превышает единицы.

  В обычных условиях молекулакислорода двухатомна (O2); в тихом электрическом разряде образуется также трёхатомная молекула O3озон; при высоких давлениях обнаружены в небольших количествах молекулы O4 Электронное строение O2 представляет большой теоретический интерес. В основном состоянии молекула O2 имеет два неспаренных электрона; для неё неприменима «обычная» классическая структурная формула О=О с двумя двухэлектронными связями (см. Валентность). Исчерпывающее объяснение этого факта дано в рамках теории молекулярных орбиталей. Энергия ионизации молекулыкислорода (O2 — е®О2 ) составляет 12,2 эв, а сродство к электрону (O2 е ® O2) — 0,94 эв. Диссоциация молекулярного кислорода на атомы при обычной температуре ничтожно мала, она становится заметной лишь при 1500 °С; при 5000 °С молекулыкислорода почти полностью диссоциированы на атомы.

  Физические свойства. Кислород — бесцветный газ, сгущающийся при —182,9 °С и нормальном давлении в бледно-синюю жидкость, которая при —218,7 °С затвердевает, образуя синие кристаллы. Плотность газообразного кислорода (при 0°С и нормальном давлении) 1,42897 г/л. Критическая температуракислорода довольно низка tkpит = —118,84 °С), т. е. ниже, чем у Cl2, CO2, SO2 и некоторых других газов; Ркрит = 4,97 Мн/м2 (49,71 am). Теплопроводность (при 0 °С) 23,86Ч10-3 вт/(м·К), т. е. 57Ч10-6 кал/сек·см·°С). Молярная теплоёмкость (при 0 °С) в дж/(моль·К) Ср = 28,9, Cv = 20,5; в кал/(моль· oC) Ср = 6,99, Cv = 4,98; Cp/Cv = 1,403. Диэлектрическая проницаемость газообразного кислорода 1,000547 (0 °С), жидкого 1,491. Вязкость 189 мпуаз (0 °С). Кислород мало растворим в воде: при 20 °С и 1 am в 1 м3воды растворяется 0,031 м3, а при 0 °С — 0,049 м3кислорода. Хорошими твёрдыми поглотителями кислорода являются платиновая чернь и активный древесный уголь.

  Химические свойства. Кислород образует химические соединения со всеми элементами, кроме лёгких инертных газов. Будучи наиболее активным (после фтора) неметаллом, кислород взаимодействует с большинством элементов непосредственно;  исключение составляют тяжелые инертные газы, галогены, золото и платина; их соединения с кислородом получают косвенным путем. Почти все реакциикислорода с другими веществамиреакцииокисления экзотермичны, т. е. сопровождаются выделением энергии. С водородом при обычных температурахкислород реагирует крайне медленно, выше 550 °С эта реакция идёт со взрывом: 2Н2 O2 = 2H2O. С серой, углеродом, азотом, фосфоромкислород взаимодействует при обычных условиях очень медленно. При повышении температурыскорость реакции возрастает и при некоторой, характерной для каждого элемента температуревоспламенения начинается горение. Реакцияазота с кислородом благодаря особой прочностимолекулы N2 эндотермична и становится заметной лишь выше 1200 °С или в электрическом разряде: N2 O2 = 2NO. Кислород активно окисляет почти все металлы, особенно легко — щелочные и щёлочноземельные. Активность взаимодействия металла с кислородом зависит от многих факторов — состояния поверхности металла, степени измельчения, присутствия примесей (см. Алюминий, Железо, Хром и т.д.).

  В процессе взаимодействия вещества с кислородом исключительно важна роль воды. Например, даже такой активный металл, как калий, с совершенно лишённым влаги кислородом не реагирует, но воспламеняется в кислороде при обычной температуре в присутствии даже ничтожных количеств паровводы. Подсчитано, что в результате коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого металла.

  Окиси некоторых металлов, присоединяя кислород, образуют перекисные соединения, содержащие 2 или более связанных между собой атомовкислорода. Так, перекиси Na2O2 и ВаО2 включают перекисный ион O22-, надперекиси NaO2 и KO2ион O2, а озониды NaO3, KO3, RbO3 и CsO3ион O3. Кислород экзотермически взаимодействует со многими сложными веществами. Так, аммиак горит в кислороде в отсутствии катализаторов, реакция идёт по уравнению: 4NH3 3O2 = 2N22О. Окислениеаммиакакислородом в присутствии катализатора даёт NO (этот процесс используют при получении азотной кислоты). Особое значение имеет горениеуглеводородов (природного газа, бензина, керосина) — важнейший источник тепла в быту и промышленности, например СН42 = СО22О. Взаимодействие углеводородов с кислородом лежит в основе многих важнейших производственных процессов — такова, например, так называемая конверсия метана, проводимая для получения водорода: 2СН4 О22О=2СО22 (см. Конверсия газов). Многие органические соединения (углеводороды с двойной или тройной связью, альдегиды, фенолы, а также скипидар, высыхающие масла и др.) энергично присоединяют кислород. Окислениекислородом питательных веществ в клетках служит источником энергии живых организмов.

  Получение. Существует 3 основных способа получения кислорода: химический, электролизный (электролизводы) и физический (разделение воздуха).

  Химический способ изобретён ранее других. Кислород можно получать, например, из бертолетовой соли KClO3, которая при нагревании разлагается, выделяя O2 в количестве 0,27 м3 на 1 кг соли. Окись бария BaO при нагревании до 540 °С сначала поглощает кислород из воздуха, образуя перекись BaO2, а при последующем нагревании до 870 °С BaO2 разлагается, выделяя чистый кислород. Его можно получать также из KMnO4, Ca2PbO4, K2Cr2O7 и других веществ при нагревании и добавлении катализаторов. Химический способ получения кислорода малопроизводителен и дорог, промышленного значения не имеет и используется лишь в лабораторной практике.

  Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения её электропроводности добавлен растворедкого натра NaOH. При этом вода разлагается на кислород и водород. Кислород собирается около положительного электрода электролизёра, а водород — около отрицательного. Этим способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2 м3водорода и 1 м3кислорода затрачивается 12—15 квт·ч электроэнергии.

  Разделение воздуха является основным методом получения кислорода в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а затем уже разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (—180 °С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температурыкипения его компонентов [tkип O2 90,18 К (—182,9 °С), tkип N2 77,36 К (—195,8 °С)]. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн (см. Ректификация), получают жидкий кислород нужной чистоты (концентрации). В СССР выпускают мелкие (на несколько л) и самые крупные в мире кислородные воздухоразделительные установки (на 35000 м3кислорода). Эти установки производят технологический кислород с концентрацией 95—98,5%, технический — с концентрацией 99,2—99,9% и более чистый, медицинский кислород, выдавая продукцию в жидком и газообразном виде. Расход электрической энергии составляет от 0,41 до 1,6 квт·ч/м3.

  Кислород можно получать также при разделении воздуха по методу избирательного проницания (диффузии) через перегородки-мембраны. Воздух под повышенным давлением пропускается через фторопластовые, стеклянные или пластиковые перегородки, структурная решётка которых способна пропускать молекулы одних компонентов и задерживать другие. Этот способ получения кислорода пока (1973) используется лишь в лабораториях.

  Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах и ресиверах при давлении 15 и 42 Мн/м2 (соответственно 150 и 420 бар, или 150 и 420 am), жидкий кислород — в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках. Для транспортировки жидкого и газообразного кислорода используют также специальные трубопроводы. Кислородные баллоны окрашены в голубой цвет и имеют чёрную надпись «кислород».

  Применение. Технический кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и др., а также в авиации, на подводных судах и пр. Технологический кислород применяют в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, перекисейметаллов и др. химических продуктов. Жидкий кислород применяют при взрывных работах (см. Оксиликвиты), в реактивных двигателях и в лабораторной практике в качестве хладагента.

  Заключенный в баллоны чистый кислород используют для дыхания на больших высотах, при комических полетах, при подводном плавании и др. В медицине кислород дают для вдыхания тяжелобольным, применяют для приготовления кислородных, водяных и воздушных (в кислородных палатках) ванн, для внутримышечного введения и т.п. (см. Кислородная терапия).

  В. Л. Василевский, И. П. Вишнев, А. И. Перельман.

  Кислород в металлургии широко применяется для интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздухакислородом изменила химизм процессов, их теплотехнические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутьё позволило сократить потери тепла с уходящими газами, значительную часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию активных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др.

  Первые опыты по применению дутья, обогащенного кислородом, в доменном производстве для выплавки передельного чугуна и ферромарганца были проведены одновременно в СССР и Германии в 1932—33. Повышенное содержание кислорода в доменном дутье сопровождается большим сокращением расхода последнего, при этом увеличивается содержание в доменном газеокиси углерода и повышается его теплота сгорания. Обогащение дутья кислородом позволяет повысить производительность доменной печи, а в сочетании с газообразным и жидким топливом, подаваемым в горн, приводит к снижению расхода кокса. В этом случае на каждый дополнительный процент кислорода в дутье производительность увеличивается примерно на 2,5%, а расход кокса снижается на 1%.

  Кислород в мартеновском производстве в СССР сначала использовали для интенсификации сжигания топлива (в промышленном масштабе кислород для этой цели впервые применили на заводах «Серп и молот» и «Красное Сормово» в 1932—33). В 1933 начали вдувать кислород непосредственно в жидкую ванну с целью окисления примесей в период доводки. С повышением интенсивности продувки расплава на 1 м3/т за 1 ч производительность печи возрастает на 5—10%, расход топлива сокращается на 4—5%. Однако при продувке увеличиваются потери металла. При расходе кислорода до 10 м3/т за 1 ч выход стали снижается незначительно (до 1%). В мартеновском производстве кислород находит всё большее распространение. Так, если в 1965 с применением кислорода в мартеновских печах было выплавлено 52,1% стали, то в 1970 уже 71%.

  Опыты по применению кислорода в электросталеплавильных печах в СССР были начаты в 1946 на заводе «Электросталь». Внедрение кислородного дутья позволило увеличить производительность печей на 25—30%, снизить удельный расход электроэнергии на 20—30%, повысить качество стали, сократить расход электродов и некоторых дефицитных легирующих добавок. Особенно эффективной оказалась подача кислорода в электропечи при производстве нержавеющих сталей с низким содержанием углерода, выплавка которых сильно затрудняется вследствие науглероживающего действия электродов. Доля электростали, получаемой в СССР с использованием кислорода, непрерывно растет и в 1970 составила 74,6% от общего производства стали.

  В ваграночной плавке обогащенное кислородом дутьё применяется главным образом для высокого перегрева чугуна, что необходимо при производстве высококачественного, в частности высоколегированного, литья (кремнистого, хромистого и т.д.). В зависимости от степени обогащения кислорода ваграночного дутья на 30—50% снижается расход топлива, на 30—40% уменьшается содержание серы в металле, на 80—100% увеличивается производительность вагранки и существенно (до 1500 °С) повышается температура выпускаемого из неё чугуна.

  О значении кислорода в конвертерном производстве см. в ст. Кислородно-конвертерный процесс.

  Кислород в цветной металлургии получил распространение несколько позже, чем в чёрной. Обогащенное кислородом дутьё используется при конвертировании штейнов, в процессах шлаковозгонки, вельцевания, агломерации и при отражательной плавке медных концентратов. В свинцовом, медном и никелевом производстве кислородное дутьё интенсифицировало процессы шахтной плавки, позволило снизить расход кокса на 10—20%, увеличить проплав на 15—20% и сократить кол-во флюсов в отдельных случаях в 2—3 раза. Обогащение кислородом воздушного дутья до 30% при обжиге цинковых сульфидных концентратов увеличило производительность процесса на 70% и уменьшило объём отходящих газов на 30%. Разрабатываются новые высокоэффективные процессы плавки сульфидных материалов с применением чистого кислорода: плавка в кислородном факеле, конвертирование штейнов в вертикальных конвертерах, плавка в жидкой ванне и др.

  С. Г. Афанасьев.

  Лит.: Чугаев Л. А., Открытие кислорода и теория горения в связи с философскими учениями древнего мира, Избр. труды, т. 3, М., 1962, с. 350; Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Современная неорганическая химия, пер. с англ., т. 1—3, М., 1969; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Кислород. Справочник, под ред. Д. Л. Глизманенко, ч. 1—2, М., 1967; Разделение воздуха методом глубокого охлаждения, под ред. В. И. Епифановой, Л. С. Аксельрода, т. 1—2, М., 1964; Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения, М. — Л., 1963.

[править]в металлургии

Кислород широко применяется для интенсификации химических и металлургических процессов. Чистый кислород используют, в частности при производстве серной и азотной кислот, синтетического метилового спирта CH3OH и других химических продуктов.

При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха значительно повышается температура печи, ускоряется процесс выплавки чугуна, увеличивается производительность доменов и экономится кокс. В 1871 году Генри Бессемер взял патент на вдувания в печь воздушного дутья, обогащенного кислородом.

Обогащение дутья кислородом позволяет интенсифицировать доменный процесс. В воздухе содержится примерно 21 % кислорода. Полученное из атмосферы дутья также содержать 21 % кислорода. Однако, дутьё можно обогатить, добавив к нему кислород перед вдуванием в печь.

Идея о целесообразности обогащения дутья кислородом была высказана еще в XIX веке. Однако, широкое использование обогащенного кислородом воздуха в доменном производстве и в металлургии вообще задержалось на долгое время. Это было обусловлено высокой стоимостью кислорода, а также нарушениями в технологическом процессе, возникавшие при выплавке перерабатывающих чугунов.

После многих промышленных исследований была отработана теория и технология доменной плавки с использованием обогащенного кислородом дутья.

[править]сварка и резка металлов

Чистый кислород с ацетиленом широко используют для так называемой автогенной сварки стальных труб и других металлических конструкций и их резки. Для этого служит специальная горелка, который состоит из двух металлических трубок, вставленных друг в друга.

В пространство между трубками пропускают ацетилен и зажигают, а затем по внутренней трубке пропускают кислород. Оба газа, подаются из баллонов под давлением. Температура в кислородно-ацетиленовом пламени — до 2000 ° C, при такой температуре плавится большинство металлов.

Кислород — биогенный химический элемент, обеспечивающий дыхание большинства живых организмов на Земле. Физиологическое действие кислорода разностороннее, решающее значение в его лечебном эффекте имеет способность возмещать дефицит кислорода в тканях организма при гипоксии (недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения его усвоения).

Ингаляцией (вдыханием) кислорода широко пользуются при различных заболеваниях, сопровождающихся гипоксией (нехваткой кислорода): при заболеваниях органов дыхания (пневмония, отек легких и т. д.), сердечно-сосудистой системы (сердечная недостаточность, коронарная недостаточность, резкое падение артериального давления и т. п.), отравлениях угарным газом, синильной кислотой, удушающими веществами (хлор, фосген и др.), а также при других заболеваниях с нарушением функции дыхания и окислительных процессов.

В анестезиологической практике кислород широко применяется в смеси с ингаляционными наркотическими анальгетиками. Чистым кислородом и смесью его с углекислотой пользуются при ослаблении дыхания в послеоперационном периоде, при интоксикациях и т. д.

Широко пользуются кислородом для так называемой гипербарической оксигенации — применения кислорода под повышенным давлением. Установлена ​​высокая эффективность этого метода в хирургии, интенсивной терапии тяжелых заболеваний, особенно в кардиологии, реаниматологии, неврологии и других областях медицины.

Применяют также энтеральную оксигенотерапию (введение кислорода в кишечник или желудок) путем введения в желудок кислородной пены, применяемой в виде так называемого кислородного коктейля. Используется для общего улучшения обменных процессов в комплексной терапии сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений обмена веществ и других патологических состояний, связанных с кислородной недостаточностью организма.

Чистым кислородом пользуются для дыхания также летчики при высоких полетах, водолазы, на подводных лодках и т. п.

Кислородные подушки применяют при некоторых заболеваниях для облегчения дыхания.

Биологическая роль кислорода

Файл:Emergency stock of oxygen.jpg

Аварийный запас кислорода в бомбоубежище

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом воздуха.
Широко используется кислород в медицине.

При сердечно-сосудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»).

Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях.

Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном.

Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.

В органических соединениях валентность углерода, водорода и кислорода равны…

В органических соединениях валентность углерода, водорода и кислорода равны соответственно:

а) 2, 4, 1 б) 4, 1, 2 в) 2, 1, 2 г) 6, 1, 2

Углеводород CH2 = CH – C(CH3)3 относят к гомологическому ряду, общая формула к

о

торого

a) CnH2n б) CnH2n-2 в) CnH2n 2 г) CnH2n-6

Название алкана с углеродной цепью

CH2 – CH – CH – CH2 – CH – CH3

||||

CH3 CH3 CH3 CH3

a) 2,3,5 – триметилгексан в) 1,2,3,5 – тетраметилгексан

б) 2,4,5 – триметилгептан г) 2,4,5,6 – тетраметилгексан

Тритичный атом углерода соединен с тремя

а) атомами водорода в) функциональными группами

б) атомами углерода г) углеводородными радикалами

В молекуле бутана каждый атом углерода находится в состоянии гибридизации

а) sp2 б) sp3d2 в) sp3 г) sp

Метил, этил, винил – это…

а) радикалы б) функциональные группы в) изомеры г) гомологи

Соединения пентан и 2,2-диметилпропан это

а) одно и то же вещество в) геометрические изомеры

б) структурные изомеры г) гомологи

Этан не вступает в реакции

а) замещения в) дегидрирования

б) изомеризации г) горения

Качественной реакцией на непредельную связь в углеводороде является

а) реакция с Cu(OH)2 в) реакция обесцвечивания раствора брома

б) реакция «серебряного зеркала» г) изменение цвета индикаторной бумаги

При взаимодействии этена (этилена) с водой образуется органическое вещество

а) этанол б) уксусная кислота в) этаналь г) этиленгликоль

Продуктом реакции бутена-1 с хлороводородом образуется

а) 1-хлобутан б) 2-хлорбутен-1 в) 3-хлорбутан г) 2-хлорбутан

Полипропилен получают из вещества, формула которого

а) CH2 = CH2 б) CH ≡ CH в) CH2 = CH – CH2 г) CH3 – CH2 – CH3

При взаимодействии этина (ацетилена) с водой образуется органическое вещество

а) этанол б) этаналь в) уксусная кислота г) этиленгликоль

Продуктом тримеризации ацетилена является

а) ксилол б) толуол в) циклогексан г) бензол

История открытия

Официально считается[2][3], что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли1 августа1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»).

О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле.

Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.

Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Получение

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха.
Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация.
Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.

В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.

Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н2О2 в присутствии оксида марганца(IV):

Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей, а также разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C):

На подводных лодках обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

Примечания

  1. Дикислород // Большая Энциклопедия Нефти Газа
  2. J. Priestley, Experiments and Observations on Different Kinds of Air, 1776.
  3. W. Ramsay, The Gases of the Atmosphere (the History of Their Discovery), Macmillan and Co, London, 1896.
  4. 4,04,14,2Inorganic Crystal Structure Database
  5. Margaret-Jane Crawford и Thomas M. Klapötke The trifluorooxonium cation, OF3 // Journal of Fluorine Chemistry. — 1999. — Т. 99. — С. 151-156.
  6. Curie P., Curie M. (1899). «Effets chimiques produits par les rayons de Becquerel«. Comptes rendus de l’Académie des Sciences129: 823-825. 
  7. Радиационная химия // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд.. — М.: 1990. — С. 200.
  8. Руководство для врачей скорой помощи / Михайлович В. А. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Медицина, 1990. — С. 28-33. — 544 с. — 120 000 экз. — ISBN 5-225-01503-4. (см. ISBN )
  9. Food-Info.net : E-numbers : E948 : Oxygen.

Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр.oxygène), предложенного А.

Лавуазье (от др.-греч.ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуреоксидами.

Ракетное топливо

В качестве окислителя для ракетноготоплива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения.

Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).

Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления (для сжатых или сжиженных газов) голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей.

Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости — кислородные подушки.

Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха.

Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометруредуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах.

В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE948[9], как пропеллент и упаковочный газ.

Таблица валентности химических элементов (1 часть):

Атомный номерХимический элементСимволВалентностьПримеры соединенийПримечание
1ВодородHIHCl, H2O2
2ГелийHeотсутствует
3ЛитийLiILiOH, Li2O
4БериллийBeI, II
5БорBIIIB2O3
6УглеродCII, IV
7АзотNI, II, III, IV
  • N2O;
  • NO;
  • N2O3, Ca(NO2)2,(NO)F, HNO2 NH2OH, NH3;
  • NO2, N2O4, HNO3, NH4NO3,  Ca(NO3)2, N2O5
В азотной кислоте (HNO3) и своем высшем оксиде (N2O5) атом азота образует только четыре ковалентные связи, являясь четырехвалентным
8КислородOII(NO)F, CaO, O2, H2O2,Cl2O, H2O
9ФторFIHF, (NO)F
10НеонNeотсутствует
11НатрийNaINa2S, Na2O
12МагнийMgIIMg(NO3)2
13АлюминийAlIIIAl2O3, Al2S3, AlCl3
14КремнийSiII, IV
15ФосфорPIII, V
  • P2O3, PH3,  H3PO3, H3PO4;
  • P2O5
16СераSII, IV, VI
  • H2S, K2S, PbS, Al2S3, Fe2S3, FeS2;
  • SO2;
  • SF6, SO3, H2SO4
17ХлорClI, III, IV, V, VI, VII
  • Cl2O, NaCl,  Cl2, HCl, NH4Cl;
  • NaClO2;
  • NaClO2;
  • KClO3, Cl2O5;
  • Cl2O6;
  • Cl2O7
18АргонArотсутствует
19КалийKIKOH, K2O, K2S
20КальцийCaIICa(OH)2
21СкандийScIIISc2O3
22ТитанTiII, III, IV
23ВанадийVII, III, IV, V
24ХромCrII, III, VI
25МарганецMnII, III, IV, VI, VII
  • Mn(OH)2;
  • Mn2O3;
  • MnO2;
  • MnO3;
  • Mn2O7
26ЖелезоFeII, III
  • Fe(OH)2, FeS2, FeO;
  • Fe2O3, Fe(OH)3, Fe2Cl3, Fe2S3
27КобальтCoII, III
28НикельNiII, III
29МедьCuI, II
30ЦинкZnIIZnSO4, ZnO, ZnS

Таблица валентности химических элементов (2 часть):

31ГаллийGaI, II, III
32ГерманийGeII, IV
33МышьякAsIII, V
34СеленSeII, IV, VI
35БромBrI, III, V, VII
36КриптонKrотсутствует
37РубидийRbIRbOH
38СтронцийSrIISrO
39ИттрийYIIIY(NO3)3
40ЦирконийZrII, III, IV
41НиобийNbI, II, III, IV, V
42МолибденMoII, III, IV, V, VI
  • MoCl2;
  • Mo(OH)3;
  • MoO2;
  • MoCl5;
  • MoF6
43ТехнецийTcII, III, IV, V, VI, VII
  • TcCl2;
  • TcBr3;
  • TcBr4;
  • TcF5;
  • TcCl6;
  • Tc2O7
44РутенийRuII, III, IV, V, VI, VII, VIII
  • Ru(OH)2;
  • RuCl3;
  • Ru(OH)4;
  • Ru2O5;
  • RuB2;
  • NaRuO4;
  • RuO4
45РодийRhII, III, IV, V, VI
  • RhO;
  • Rh2(SO4)3;
  • Rh(OH)4;
  • RhF5;
  • RhF6
46ПалладийPdII, IV
47СереброAgI, II, III
48КадмийCdI, II
49ИндийInI, II, III
50ОловоSnII, IV
51СурьмаSbIII, V
52ТеллурTeII, IV, VI
53ЙодII, III, V, VII
54КсенонXeотсутствует
55ЦезийCsICs2O
56БарийBaIIBa(OH)2
57ЛантанLaIIILa2(SO4)3
58ЦерийCeIII, IV
59ПразеодимPrII, III, IV
60НеодимNdII, III

Таблица валентности химических элементов (3 часть):

61ПрометийPmIIIPmBr3
62СамарийSmII, III
63ЕвропийEuII, III
64ГадолинийGdII, III
65ТербийTbII, III, IV
66ДиспрозийDyII, III
67ГольмийHoIIIHo2(SO4)3
68ЭрбийErIIIEr2O3
69ТулийTmII, III
70ИттербийYbII, III
71ЛютецийLuIIILuBr3
72ГафнийHfI, II, III, IV
73ТанталTaI, II, III, IV, V
  • Ta2O;
  • TaO;
  • TaCl3;
  • TaO2;
  • Ta2O5
74ВольфрамWII, III, IV, V, VI
  • W6Cl12;
  • WO3;
  • WO2;
  • W2Cl10;
  • WF6
75РенийReI, II, III, IV, V, VI, VII
  • Re2O;
  • ReO;
  • Re2O3;
  • ReO2;
  • ReF5;
  • ReCl6;
  • ReF7
76ОсмийOsI, II, III, IV, V, VI, VII, VIII
  • OsI;
  • OsI2;
  • OsBr3;
  • OsO2;
  • OsCl4;
  • OsF5;
  • OsF6;
  • OsOF5; 
  • OsO4
77ИридийIrI, II, III, IV, V, VI
  • IrCl;
  • IrCl2;
  • IrCl3;
  • IrO2;
  • Ir4F20;
  • IrF6
78ПлатинаPtII, III, IV, V, VI
79ЗолотоAuI, II, III, V
80РтутьHgI, II
81ТаллийTlI, II, III
82СвинецPbII, IV
83ВисмутBiIII, V
84ПолонийPoII, IV, VI
85АстатAtнет данных
86РадонRnотсутствует
87ФранцийFrIFrOH
88РадийRaIIRa(OH)2
89АктинийAcIIIAc2O3
90ТорийThII, III, IV
91ПротактинийPaII, III, IV, V
92УранUIII, IV, V, VI
93НептунийNpIII, IV, V, VI, VII
94ПлутонийPuIII, IV, V, VI, VII
95АмерицийAmII, III, IV, V, VI
96КюрийCmII, III, IV
97БерклийBkIII, IV
98КалифорнийCfII, III, IV
99ЭйнштейнийEsII, III
100ФермийFmII, III

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента.

Определенная таким образом валентность называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: так, в соединениях HCl, H2O, NH3, CH4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода – двум, азота – трём, углерода – четырём.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента.

Определенная таким образом валентность называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода – двум, азота – трём, кремния – четырём, серы – шести.

С точки зрения электронной теории валентность определяется числом неспаренных (валентных) электронов в основном или возбужденном состоянии.

Известны элементы, которые проявляют постоянную валентность. У большинства химических элементов валентность переменная.

Коэффициент востребованности 5 729

Токсические производные кислорода

Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами.

Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

Физические свойства

Файл:AYool WOA surf O2.png

В мировом океане содержание растворённого O2 больше в холодной воде, а меньше — в тёплой.

При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.

1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0 °C, 2,09 мл/100 г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100 г при 25 °C).

Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C).
Межатомное расстояние — 0,12074 нм. Является парамагнетиком.

При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.

Жидкий кислород (температура кипения −182,98 °C) — это бледно-голубая жидкость.

Файл:Phase diagram of oxygen.png
Фазовая диаграмма O2

Твёрдый кислород (температура плавления −218,35°C) — синие кристаллы.
Известны 6 кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

  • α2 — существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейкиa=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53°[4].
  • β2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å, α=46,25°[4].
  • γ2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å[4].

Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:

Фториды кислорода

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон).

Как установили в 1899 годуПьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O2 переходит в O3[6][7].

Химические свойства кислорода

Кислород является сильным окислителем, т.к. для завершения внешнего электронного уровня ему не хватает всего 2-х электронов, и он легко их присоединяет. По химической активности кислород уступает только фтору. Кислород образует соединения со всеми элементами кроме гелия, неона и аргона.

Непосредственно кислород нее вступает в реакции взаимодействия с галогенами, серебром, золотом и платиной (их соединения получают косвенным путем). Почти все реакции с участием кислорода – экзотермические. Характерная особенность многих реакций соединения с кислородом — выделение большого количества теплоты и света. Такие процессы называют горением.


Взаимодействие кислорода с металлами. Со щелочными металлами (кроме лития) кислород образует пероксиды или надпероксиды, с остальными – оксиды. Например:

4Li O2 = 2Li2O;

2Na O2 = Na2O2;

K O2 = KO2;

2Ca O2 = 2CaO;

4Al 3O2 = 2Al2O3;

2Cu O2 = 2CuO;

3Fe 2O2 = Fe3O4.

Взаимодействие кислорода с неметаллами. Взаимодействие кислорода с неметаллами протекает при нагревании; все реакции экзотермичны, за исключением взаимодействия с азотом (реакция эндотермическая, происходит при 3000^{circ}

4P 5O2 = 2P2O5;

S O2 = SO2;

С O2 = СО2;

2Н2 O2 = 2Н2О;


N2 O2 ↔ 2NO – Q.

Взаимодействие со сложными неорганическими веществами. При горении сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов:

2H2S 3O2 = 2SO2↑ 2H2O (t^{circ}3 3O2 = 2N2↑ 6H2O (t^{circ}3 3O2 = 2N2↑ 6H2O (t^{circ}3 5O2 = 4NO↑ 6H2O (t^{circ}3 4O2 = 2H3PO4 (t^{circ}3 4O2 = 2H3PO4 (t^{circ}

SiH4 2O2 = SiO2 2H2O;

4FeS2 11O2 = 2Fe2O3 8 SO2↑ (t^{circ}


Кислород способен окислять оксиды и гидроксиды до соединений с более высокой степенью окисления:

2CO O2 = 2CO2 (t^{circ}2 O2 = 2SO3 (t^{circ}2 O2 = 2SO3 (t^{circ}2O5);

2NO O2 = 2NO2;

4FeO O2 = 2Fe2O3 (t^{circ}

Взаимодействие со сложными органическими веществами. Практически все органические вещества горят, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды:


CH4 2O2 = CO2↑ H2O.

Кроме реакций горения (полное окисление) возможны также реакции неполного или каталитического окисления, в этом случае продуктами реакции могут быть спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие вещества:

Окисление углеводов, белков и жиров служит источником энергии в живом организме.

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий