- [править]в металлургии
- [править]в сельском хозяйстве
- [править]взрывчатые вещества
- [править]сварка и резка металлов
- [править]факты о кислороде
- [править]химические свойства
- Биологическая роль кислорода
- В пищевой промышленности
- Вредность и опасность кислорода
- Изотопы кислорода
- История открытия
- Кислород в баллоне
- Коэффициент перевода объема и массы o2 при т=15°с и р=0,1 мпа
- Коэффициенты перевода объема и массы o2 при т=0°с и р=0,1 мпа
- Нахождение в природе
- Открытие кислорода: джозеф пристли, карл вильгельм шееле, антуан лоран лавуазье . неоткрытые открытия, или кто это придумал
- Получение
- Применение
- Применение кислорода
- Применение кислорода в сварке
- Происхождение названия
- Ракетное топливо
- Сварка и резка металлов
- Способы получения кислорода
- Ссылки
- Токсические производные кислорода
- Физические свойства
- Характеристики кислорода
- Хранение и транспортировка кислорода
[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]в сельском хозяйстве
В тепличном хозяйстве, для увеличения массы животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.
[править]взрывчатые вещества
Для изготовления взрывчатых смесей — так называемых оксиликвиты используют жидкий кислород. Это смеси древесных опилок, сухого торфа, порошка угля и других горючих веществ, спрессованных в специальных патронах и пропитанных перед употреблением жидким кислородом.
[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.
[править]факты о кислороде
- Кислород воздуха, от которого зависит жизнь человека, впервые появился в атмосфере Земли благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий.
- Большинство живых организмов зависит от кислорода. Обладая высокой химической активностью, он способен окислять («забирать» электроны) у многих химических веществ. Эти реакции происходят с выделением энергии необходимой для поддержания всех жизненных процессов организма. Процесс окисления органических веществ кислородом происходит в митохондриях живых клеток и называется клеточным дыханием.
- Лавуазье открыл, что вода — соединение водорода и кислорода. До этого вода считалась простым веществом.
- Озон, (молекулы которого содержат 3 атома кислорода) составляет 0,00006 % воздуха. Он образуется при диссоциации (распаде) двухатомных молекул кислорода под действием ультрафиолетовых лучей солнечного спектра.
- Ученые NASA нашли в экзосфере (верхнем слое атмосферы) спутника Сатурна Дионы кислород. Данное открытие, по словам исследователей, подтверждает теорию о том, что в атмосфере большинства спутников газовых гигантов Юпитера и Сатурна содержится кислород. Одновременно профессор Лондонского университета Эндрю Коатс заявил, что на Дионе не обнаружено признаков наличия воды, а следовательно, она непригодна для жизни. Однако, отметил ученый, на других спутниках удалось обнаружить наличие льда и воды, а это значит, что там могут быть обнаружены формы жизни.[2]
[править]химические свойства
Кислород относится к главной подгруппе VI группы периодической системы элементов. Его порядковый номер 8.
Молекула кислорода состоит из двух атомов. Химическая связь ковалентная. Упрощенная структурная формула: O = O.
Существует также высокоэнергетическая синглетная форма молекулы кислорода. Она очень химически активна, и быстро реагирует с органическими соединениями. Синглетный кислород образуется в процессе фотосинтеза, и иммунной системой. Он также возникает в тропосфере вследствие фотолиза озона.
Имея во внешней электронной оболочке шесть электронов, атомы кислорода энергично присоединяют от атомов других элементов два электрона, которых им не хватает для завершения валентной оболочки, и превращаются в негативные двухвалентные ионы:
При этом кислород проявляет свои окислительные свойства. Из всех химических элементов он является одним из сильнейших окислителей и уступает в этом только фтору. Кислород непосредственно соединяется со всеми элементами, за исключением инертных газов, галогенов и благородных металлов. Химическая активность кислорода возрастает с повышением температуры.
Кислород хорошо растворим в органических растворителях, поглощается тонкими порошками металлов, угля. Образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, аргона и неона. На основе типов и свойств кислородных соединений построена классификация неорганических соединений.
С металлами и неметаллами кислород образует оксиды соединений, с щелочными металлами, кроме лития, — пероксиды. Взаимодействие веществ с кислородом значительно ускоряется при нагревательной действия электрических разрядов, под давлением, при наличии катализаторов, особенно воды.
В лабораториях кислород обычно получают термическим разложением некоторых пероксидов, солей некоторых кислородосодержащих кислот (например, перманганата калия KMnO4, бертолетовой соли KClO3):
При 368 ° C эта соль плавится, а около 400 ° C начинает разлагаться. В присутствии диоксида марганца MnO2 (катализатор) температура разложения снижается и реакция проходит легче.
В промышленности кислород добывают фракционированной перегонкой жидкого воздуха и электролизом воды. С этой целью воздух сначала сжижают сильным охлаждением под большим давлением, а затем медленно испаряют из него азот. Очень чистый кислород добывают электролизом водного раствора гидроксида натрия NaOH с применением никелевых электродов. При этом на катоде восстанавливаются катионы водорода, а на аноде окисляются гидроксильные анионы с выделением кислорода.
В целом электролиз водного раствора NaOH сводится к электролизу воды, однако раствор NaOH имеет лучшую, чем вода, электролитическую проводимость, что и обуславливает его использование.
Электролитическим способом кислород получают и для промышленных нужд, в частности там, где есть дешевая электрическая энергия.
Кислород воздуха имеет чрезвычайно важное значение для процессов горения. Сжигая различные виды топлива, получают тепло, которое используют для удовлетворения самых различных потребностей, в том числе для преобразования его в механическую и электрическую энергию.
Биологическая роль кислорода
Кислород участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Живые существа дышат кислородом воздуха.
Широко используется кислород в медицине. При сердечнососудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»).
Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьезных 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 пищевой промышленности
В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE941[источник?], как пропеллент и упаковочный газ.
Вредность и опасность кислорода
За внешней безобидностью скрывается очень опасный газ, но об этом на нашем сайте опубликована статья про маслоопасность и взрывоопасность кислорода и мы не будем здесь дублировать информацию.
Изотопы кислорода
Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16О, 17О и 18О, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037% и 0,204% от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее легкого из них 16О связано с тем, что ядро атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
Имеются радиоактивные изотопы 11О, 13О, 14О (период полураспада 74 сек), 15О (Т1/2=2,1 мин), 19О (Т1/2=29,4 сек), 20О (противоречивые данные по периоду полураспада от 10 мин до 150 лет).
История открытия
Схема атома кислорода
Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли1 августа1774 путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).
- 2HgO (t) → 2Hg O2↑.
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»).
Несколькими годами ранее (в 1771-м) 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 Петра 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 провел 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 теории флогистона.]
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Кислород в баллоне
Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:
Для того, чтобы приблизительно узнать сколько кислорода в баллоне, нужно вместимость баллона (м3) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 литров (0,04 м3), а давление газа 15 МПа, то объем кислорода в баллоне равен 0,04×15=6 м3.
Коэффициент перевода объема и массы o2 при т=15°с и р=0,1 мпа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м3 | Жидкость, л | |
| 1,337 | 1 | 1,172 |
| 1,141 | 0,853 | 1 |
| 1 | 0,748 | 0,876 |
Коэффициенты перевода объема и массы o2 при т=0°с и р=0,1 мпа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м3 | Жидкость, л | |
| 1,429 | 1 | 1,252 |
| 1,141 | 0,799 | 1 |
| 1 | 0,700 | 0,876 |
Нахождение в природе
Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4 % массы твердой земной коры.
Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объёму) в воздухе массовая доля кислорода составляет 23,12 % . Элемент кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры.
Открытие кислорода: джозеф пристли, карл вильгельм шееле, антуан лоран лавуазье . неоткрытые открытия, или кто это придумал
Классический спор о приоритете открытия кислорода затрагивает имена сразу трех ученых, имеющих законное право претендовать на звание первооткрывателя. Это шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742–1786), английский священник Джозеф Пристли (1733–1804) и французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794).
Первым исследователем, получившим относительно чистую пробу кислорода, был шведский аптекарь Карл Вильгельм Шееле (1742–1786).
Он родился 9 декабря 1742 года в Штральзунде (Померания), тогда находившемся в Шведском королевстве. В детстве посещал частный пансион, учился в гимназии. Поступив в ученичество в аптеку Бауха в Гетеборге (1756), освоил основы фармации и лабораторной практики, усердно изучал (главным образом по ночам) труды химиков И. Кункеля, Н. Лемери, Г. Шталя. Обучение, по обычаям того времени, должно было длиться около десяти лет, но Карл Шееле уже через шесть лет успешно сдал экзамены и получил звание аптекаря.
В совершенстве овладев профессией, он перебирается в Стокгольм и приступает к самостоятельным научным изысканиям.
За свою карьеру Карлу Шееле довелось потрудиться в аптеках Стокгольма (1768–1769), Упсалы (1770–1774), Чепинга (1775–1786).
Работы и открытия Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии (еще не ставшей самостоятельной наукой). Первая его работа была посвящена кислотам: винной, выделенной им в 1769 году из соли — «винного камня» (гидротартрата калия), и плавиковой (фтороводородной), выделенной из плавикового шпата — фторида кальция. В 1774 году, исследуя пиролюзит («черную магнезию»), Шееле доказал, что это соединение неизвестного металла, впоследствии названного марганцем. В этом же исследовании была открыта «тяжелая земля» — оксид бария. Действуя на «черную магнезию» соляной кислотой, Шееле открыл зеленоватый удушливый газ, который назвал «дефлогистированной соляной кислотой». Природа газа была позднее определена другими учеными, и его назвали хлором.
После переезда сначала в Упсалу (здесь Шееле тоже ждала большая аптека), а потом — в маленький и тихий городок Чепинг исследования пытливого аптекаря продолжились и дали поразительные результаты. Шведский химик оказался автором стольких открытий, что их хватило бы на добрый десяток ученых. Многие его открытия относились к получению и очистке кислот.
В 1775 году Шееле приготовил мышьяковую кислоту, в 1782–1783 гг. — синильную (циановодородную) кислоту, в период с 1776 по 1785 гг. — целый набор органических кислот: мочевую, щавелевую, молочную, лимонную, яблочную, галловую, а также глицерин.
Он показал, что молочная кислота, выделенная из кислого молока, отличается от аналогичной кислоты, полученной из других источников. Объяснение этому явлению было найдено спустя столетие, после открытия изомеров. Чрезвычайно интересен его метод получения синильной кислоты из угольного ангидрида, угля и аммиака. Этот опыт некоторые авторы рассматривают как первый органический синтез, проведенный за сорок лет до Фридриха Вёлера, немецкого химика, занимавшегося синтезом карбамида. В процессе получения синильной кислоты Шееле выделил краску, названную «берлинской лазурью».
Шееле первым получил и исследовал перманганат калия — всем известную «марганцовку», которая теперь широко применяется в химических экспериментах и в медицине, разработал способ получения фосфора из костей, открыл сероводород. Окислением молибденита получил «молибденовую землю», то есть молибденовый ангидрид. Обрабатывая кислотами минерал тунгстен, получил «тунгстеновую кислоту» — вольфрамовый ангидрид. Впоследствии минералоги назвали вольфрамит кальция в честь ученого шеелитом.
Наиболее значительный труд Карла Вильгельма Шееле — «Химический трактат о воздухе и огне» (Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer, 1777 г.). Эта книга описывает результаты его многочисленных экспериментов 1768–1773 гг. по исследованию газов и процессов горения. Из трактата видно, что Шееле — независимо от Пристли и Лавуазье и за два года до них — открыл кислород и подробно описал его свойства. При этом кислород он получал несколькими способами: прокаливанием оксида ртути (как это сделали Пристли и Лавуазье), нагреванием карбоната ртути и карбоната серебра и др. Несомненно, Шееле первым (в 1772 г.) «держал в руках» чистый кислород.
В Упсале химик начал изучать природу огня, что привело его к необходимости задуматься над тем, какое участие воздух принимает в горении. Ему уже было известно, что сто лет назад Роберт Бойль и другие ученые доказали, что свеча, уголь и любое другое горючее вещество или тело могут гореть только там, где достаточно много воздуха.
Воздух тогда считали элементом — однородным веществом, которое нельзя расщепить на более простые составные части. Шееле тоже сначала придерживался этого мнения. Но он стал проводить опыты с различными химическими веществами в герметически закрытых сосудах — и был вынужден изменить свои представления. Какие бы вещества ни пытался Шееле сжигать в закрытых сосудах, он всегда обнаруживал одно и то же явление: воздух, который находился в сосуде, обязательно уменьшался при горении на одну пятую часть, и по окончании опыта вода обязательно заполняла одну пятую часть объема колбы. И его озарила догадка: воздух не является однородным.
Далее он стал изучать разложение множества веществ нагреванием и получил газ, который поддерживал дыхание и горение. По некоторым данным, уже в 1771 году Карл Шееле при нагреве пиролюзита с концентрированной серной кислотой наблюдал выделение «виртольного воздуха» — кислорода.
Желая раскрыть загадку огня, Карл Шееле неожиданно обнаружил, что воздух — не элемент, а смесь двух газов, которые он назвал воздухом «огненным» и воздухом «негодным». Но тайна огня и полученного им «огненного» воздуха так и осталась для Шееле тайной. Виной всему была господствовавшая в те времена теория флогистона: считалось, что всякое вещество может гореть только в том случае, если в нем присутствует некая материя — флогистон, а горение представляет собой распад сложного горючего вещества на флогистон и другие составные части.
Карл Шееле и сам был сторонником этой теории, а потому объяснял, что «огненный воздух» имеет большое сродство («влечение») к флогистону, отчего и сгорает в нем так быстро, а «негодный» воздух не имеет влечения к флогистону, поэтому в нем и гаснет всякий огонь. Это было довольно правдоподобно, но оставалась одна загадка, которая казалась совершенно необъяснимой: куда уходит во время горения «огненный» воздух из закрытого сосуда? Наконец он придумал такое объяснение: когда сгорает какое-нибудь тело, говорил он, то выделяющийся из него флогистон соединяется с «огненным» воздухом, и это невидимое соединение настолько летуче, что оно незаметно просачивается сквозь стекло, как вода сквозь сито.
С флогистоном покончил другой великий химик XVIII века — француз Антуан Лавуазье. И сразу странное исчезновение «огненного воздуха» и многие другие непонятные явления потеряли всю загадочность.
Шееле действительно был первым исследователем, получившим относительно чистую пробу кислорода (1772). Однако он опубликовал свои результаты позже, чем это сделал Джозеф Пристли (в 1777 г.), поэтому формально не может считаться первооткрывателем кислорода. Впрочем, многие академические издания по химии отдают приоритет именно Карлу Вильгельму Шееле. Кроме того, ему принадлежит неоспоримый приоритет открытия других химических элементов — хлора, фтора, бария, молибдена и вольфрама.
Шееле не имел высшего образования и был рядовым аптекарем, тем не менее в 32 года его избрали членом Стокгольмской академии наук. Ему предлагали кафедру в Упсальском университете, работу в центре шведской горнометаллургической промышленности в Фалуне, кафедру в Берлинском университете, однако ученый отклонил все предложения, предпочитая заниматься своими опытами.
Годы упорного самоотверженного труда, к сожалению, подорвали здоровье этого поразительного человека — он прожил всего 44 года.
В истории химии с открытием цианистого водорода Шееле связан еще один миф: якобы первооткрыватель погиб в момент открытия. На самом деле Шееле впервые получил синильную кислоту из желтой кровяной соли в 1782 году, а умер через четыре года. Не подлежит сомнению, однако, что Шееле погубили органолептические методы исследования[3]. В XVIII веке было принято пробовать на вкус продукты реакции, а Шееле, помимо цианидов, работал с соединениями ртути и мышьяка… Умер К. В. Шееле в Чепинге 21 мая 1786 г.
Вторым официально признанным претендентом на лавры первооткрывателя кислорода стал Джозеф Пристли (1733–1804), английский священник и химик.
Первого августа 1774 года Джозеф Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании ртутной окалины с помощью двояковыпуклой линзы без доступа воздуха. Это твердое вещество было известно еще алхимикам как жженая ртуть. На современном химическом языке это вещество называется оксидом ртути.
Получаемый при нагревании оксида ртути неизвестный газ Пристли выводил через трубку в сосуд, заполненный не водой, а ртутью: ученый ранее уже убедился, что вода слишком хорошо растворяет газы. В собранный газ Пристли из любопытства внес тлеющую свечу, и она вспыхнула необыкновенно ярко.
В 1774 году Пристли писал: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка “меркуриус кальцинатус пер се” (оксид ртути). Затем я взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух. И меня удивило, даже взволновало до глубины души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере».
Сам Пристли, будучи, как и Шееле, сторонником теории флогистона, тоже так и не смог объяснить суть процесса горения; он защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье обнародовал новую теорию горения.
Да, Пристли получил особый, неизвестный газ, в этом его сторонники правы. Но проба газа, полученного ученым, не была чистой, и если получение кислорода с примесями считать его открытием, тогда то же в принципе можно сказать обо всех тех, кто когда-либо заключал в сосуд воздух.
Кроме того, если Пристли считать первооткрывателем, то когда в таком случае было сделано открытие, тоже сложно судить. В 1774 году он считал, что получил закись азота, то есть разновидность газа, которую он уже знал, а через год — что полученный газ является дефлогистированным воздухом, но еще не кислородом.
Третий официальный претендент на звание первооткрывателя кислорода, французский химик Антуан Лавуазье (1743–1794), начал работу, которая привела его к открытию, сделанному уже после эксперимента Джозефа Пристли в 1774 году, и, возможно, благодаря намеку с его стороны. Из своих собственных опытов и предшествовавших опытов Пристли и Шееле Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь одна пятая часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Пристли в 1774 году сообщил ему об обнаружении «дефлогистированного воздуха», он сразу понял, что это и есть та самая часть воздуха, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье понял, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) воздуха, и объяснил процесс горения соединением веществ с кислородом.
В начале 1775 года Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух как таковой без изменений, за исключением того, что он оказывается более чистым, более пригодным для дыхания». К 1777 году, вероятно, не без второго намека Пристли, Лавуазье пришел к выводу, что это газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Правда, сам Пристли как сторонник теории флогистона с таким выводом никогда бы не согласился.
Таким образом, важнейшей фигурой в истории открытия кислорода все же следует считать Лавуазье, а не Шееле и Пристли. Они просто выделили новый газ — и только.
Исследования Антуана Лавуазье сыграли выдающуюся роль в развитии химии XVIII века. Речь идет прежде всего о создании им теории горения, ознаменовавшей отказ от теории флогистона, что кардинально отличает его работы от экспериментов Шееле и Пристли.
В борьбе со сторонниками теории флогистона у Лавуазье был замечательный союзник, который хорошо помогал ему в работе. Шееле и Пристли тоже имели такого союзника, но они не всегда пользовались его услугами и не придавали большого значения его советам. Главным помощником Лавуазье были… весы.
Приступая к какому-нибудь опыту, Лавуазье почти всегда тщательно взвешивал все вещества, которые должны были подвергнуться химическому превращению, а по окончании опыта снова взвешивал.
Как и Шееле, Лавуазье тоже пробовал сжигать фосфор в закрытой колбе. Но Лавуазье не задавался вопросом, куда исчезает пятая часть воздуха при горении, весы давали ему совершенно точный ответ. Перед тем как поместить кусок фосфора в колбу и поджечь, Лавуазье его взвесил. А когда фосфор сгорел, Лавуазье взвесил всю сухую фосфорную кислоту, оставшуюся в колбе. По теории флогистона, фосфорной кислоты должно было получиться меньше, чем было фосфора до горения, так как, сгорая, фосфор разрушался и терял флогистон. Если даже допустить, что флогистон вовсе не имеет веса, то фосфорная кислота должна весить ровно столько, сколько весил фосфор, из которого она получилась. Однако выяснилось, что белый иней, осевший на стенках колбы после горения, весит больше сгоревшего фосфора. Следовательно, та самая часть воздуха, которая якобы исчезла из колбы, в действительности вовсе не уходила из нее, а просто соединилась во время горения с фосфором. Из этого соединения и получилась фосфорная кислота (сейчас мы называем это вещество фосфорным ангидридом). Лавуазье понимал, что горение фосфора не исключение. Его опыты показали, что всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.
Опыты по изучению горения веществ Лавуазье начал в 1772 году и к концу года представил в Академию результаты, которые считал важными. В прилагаемой им записке сообщалось, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения становится больше, чем вес исходных веществ, за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, при этом выделяется значительное количество воздуха.
В 1877 году ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук. Сделанные им выводы существенно ослабляли основы теории флогистона, а окончательное поражение ей было нанесено исследованиями состава воды. В 1783 году Лавуазье, повторив опыты Кавендиша по сжиганию «горючего» воздуха (водорода), сделал вывод, что «вода не есть простое тело», а является соединением водорода и кислорода. Ее можно разложить пропусканием водяного пара через раскаленный докрасна ружейный ствол. Последнее он доказал совместно с лейтенантом инженерных войск Ж. Менье.
Так кто же, в конце концов, является первооткрывателем кислорода? И когда он был открыт? Претензии Антуана Лавуазье на этот счет являются более убедительными и основательными, но они также оставляют почву для сомнений. Все дело в том, что подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало, что является неверным. В 1779 году Лавуазье даже ввел для кислорода название «oxygenium» (от греч. «окис» — кислый, и «геннао» — рождаю) — «рождающий кислоты».
С 1777 года и до конца своей жизни Лавуазье настаивал на том, что кислород представляет собой атомарный «элемент кислотности» и что кислород как газ образуется, только когда соединяется с «теплородом» («материей теплоты»). Понятие «элемент кислотности» было изгнано из химии только после 1810 года, а понятие теплорода умирало до 60-х годов XIX века.
Так что, строго говоря, то, о чем писал Лавуазье в своих статьях, начиная с 1777 года, было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения.
Поэтому разумно все же называть авторами открытия всех троих — ведь без исследований Шееле и Пристли Лавуазье вряд ли пришел бы к своим революционным выводам. Или потратил бы на опыты слишком много времени.
Получение
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Важнейшим лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей.
Небольшие количества кислорода можно также получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода.
Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной и азотной технологий.
2KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2↑
Холодная вода содержит больше растворенного O2
Применение
Широкое промышленное применение кислорода началось в середине ХХ века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.
Конвертерный способ производства стали связан с применением кислорода.
Применение кислорода
Помимо того, что все живые существам в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород, он широко применяется во многих отраслях промышленности: металлургической, химической, машиностроении, авиации, ракетостроении и даже в медицине.
В химической промышленности его применяет:
В металлургии его используют:
В медицинских целях больным, у которых нарушена нормальная деятельность органов дыхания или кровообращения, искусственно увеличивают содержание O2 в воздухе или дают дышать непродолжительное время чистым O2. Медицинский кислород, выпускаемый ГОСТ 5583, особенно тщательно очищают от всех примесей.
Применение кислорода в сварке
Сам по себе O2 является негорючим газом, но из-за свойства активно поддерживать горение и увеличения интенсивности (интенсификации) горения газов и жидкого топлива его используют в ракетных энергетических установках и во всех процессах газопламенной обработки.
В таких процессах газопламенной обработки, как газовая сварка, поверхностная закалка высокая температура пламени достигается путем сжигания горючих газов в O2, а при газовой резке благодаря ему происходит окисление и сгорание разрезаемого металла.
При полуавтоматической сварке (MIG/MAG) кислород O2 используют как компонент защитных газовых смесей с аргоном (Ar) или углекислым газом (CO2).
Кислород добавляют в аргон при полуавтоматической сварке легированных сталей для обеспечения устойчивости горения дуги и струйного переноса расплавленного металла в сварочную ванну. Дело в том, что как поверхностно активный элемент он уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель.
При сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей полуавтоматом O2 добавляют в углекислый газ для обеспечения глубокого проплавления и хорошего формирования сварного шва, а также для уменьшения разбрызгивания.
Чаще всего кислород используют в газообразном виде, а в виде жидкости используют только при его хранении и транспортировке от завода-изготовителя до потребителей.
Происхождение названия
Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке обязано М. В.
Ломоносову — это калька термина «оксиген» (фр.l’oxygène
), предложенного А.
Лавуазье (греческое όξύγενναω от ὀξύς — «кислый» и γενναω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим окислы, 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).
Кислород используется для обогащения дыхательных газовых смесей (аэронетики) при нарушении дыхания, для лечения астмы, в виде кислородных коктейлей, кислородных подушек и т. д.
Сварка и резка металлов
Кислород в баллонах широко используется для газопламенной резки и сваркиметаллов.
Способы получения кислорода
В основном кислород получают тремя способами:
Из атмосферного воздуха его получают методом глубокого охлаждения, как побочный продукт при получении азота.
Также O2 добывают путем пропускания электрического тока через воду (электролиз воды) с попутным получением водорода.
Химические способ получения малопроизводителен, а, следовательно, и неэкономичен, он не нашел широкого применения и используются в лабораторной практике.
Наверно многие помнят химический опыт, когда в колбе нагревают марганцовку (перманганат калия KMnO4), а потом выделяющийся в процессе нагрева газ собирают в другую колбу?
2KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2 ↑
Ссылки
Растворимость кислорода в водеMathcad Application Server
Токсические производные кислорода
Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, перекись водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами.
Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), перекись водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.
Физические свойства
При нормальных условиях кислород это газ без цвета, вкуса и запаха. 1л его весит 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C). 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 (темп. кипения −182,98 °C) это бледно-голубая жидкость.
Твердый кислород (темп. плавления −218,79 °C) — синие кристаллы. Известны шесть кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:
α-О2 — существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейки a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53° .β-О2 — 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°.
Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:δ-О2 интервал температур до 300 К и давление 6-10 ГПа, оранжевые кристаллы;ε-О2 давление от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от темно красного до чёрного, моноклинная сингония;
Характеристики кислорода
Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:
Хранение и транспортировка кислорода
Кислород газообразный технический и медицинский выпускают по ГОСТ 5583.
Хранят и транспортируют его в стальных баллонах ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашены в синий цвет с надписью черными буквами «КИСЛОРОД».
Жидкий кислород выпускается по ГОСТ 6331. O2 находится в жидком состоянии только при получении, хранении и транспортировке. Для газовой сварки или газовой резки его необходимо снова превратить в газообразное состояние.