Реферат Кислород

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 окислы, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

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 и 23,12 % по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %.

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:

2KMnO4 → K2MnO4 MnO2 O2↑

также используют реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н2О2:

2Н2О2 → 2Н2О О2↑

Катализатором является диоксид марганца (MnO2) или кусочек сырых овощей (в них содержатся ферменты, ускоряющие разложение пероксида водорода).

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

2KClO3 → 2KCl 3O2↑

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей.

Физические свойства

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/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.

Твёрдый 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°^[4].
• 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°^[4].
• γ-О₂ — 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:

• δ-О₂ интервал температур 20-240 К и давление 6-8 ГПа, оранжевые кристаллы;
• ε-О₂ давление от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного, моноклинная сингония;
• ζ-О₂ давление более 96 ГПа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние.

Химические свойства

Сильный окислитель, взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

Окисляет большинство органических соединений:

При определенных условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

Кислород не окисляет Au и Pt, галогены и инертные газы.

Кислород образует пероксиды со степенью окисления −1.

• Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:

• Некоторые оксиды поглощают кислород:

• По теории горения, разработанной А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Это промежуточное соединение можно выделить, например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом, наряду с водой, образуется перекись водорода:

Надпероксиды имеют степень окисления −1/2, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O2−). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлении и температуре:

• Калий K, рубидий Rb и цезий Cs реагируют с кислородом с образованием надпероксидов:

Озониды содержат ион O3− со степенью окисления −1/3. Получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:

Ион диоксигенил O2 имеет степень окисления 1/2. Получают по реакции:

Фториды кислорода

• Дифторид кислорода, OF₂ степень окисления 2, получают пропусканием фтора через раствор щелочи:

• Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O₂F₂, нестабилен, степень окисления 1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре −196 °C.

• Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определенных давлении и температуре получаются смеси высших фторидов кислорода O₃F₂, О₄F₂, О₅F₂ и О₆F₂.

• Квантовомеханические расчёты предсказывают устойчивое существование иона трифторгидроксония (англ.)^[5] OF₃ . Если этот ион действительно существует, то степень окисления кислорода в нём будет равна 4.

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

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

Применение

Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.

1. В металлургии

Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.

2. Сварка и резка металлов

Кислород в баллонах широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.

3. Ракетное топливо

В качестве окислителя для ракетного топлива 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).

5. В пищевой промышленности

В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948[6], как пропеллент и упаковочный газ.

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.

Видео

И в завершение образовательное видео про кислород.

Эта статья доступна на английском языке – Oxygen.

Воздействие на здоровье

Кислород необходим для всех форм жизни, так как он является составной частью ДНК и почти всех других биологически важных соединений. В лёгких этот элемент поглощается атомом железа в центре гемоглобина в крови и, таким образом, транспортируется туда, где он необходим.

Каждый человек нуждается в этом элементе, чтобы дышать, но, как и во многих случаях, слишком большое его количество вредно. Если человек подвергается воздействию большого количества О2 в течение длительного времени, может произойти повреждение лёгких.

Вдыхание 50−100% кислорода при нормальном давлении в течение длительного периода приводит к повреждению лёгких. Люди, которые работают с частым или потенциально высоким воздействием чистого элемента, должны пройти тесты на функционирование лёгких до начала работы и по завершении.

Все тесты

Где применяется кислород?

Кислород используется в черной и цветной металлургии. Он интенсифицирует пирометаллургические и гидрометаллургические процессы. Благодаря элементу научились извлекать из руд золото. Это трудоемкая операция, но благодаря кислороду она протекает значительно быстрее.

Также он применяется в химической промышленности, на нужды которой расходуется 30% производящего кислорода. Элемент берет участие в термоокислительном крекинге, когда получается ацетилен – вещество для сварки и резки металлов, для синтезов органических веществ.

Кислород применяется в космосе. Он выступает окислителем в двигателях космических кораблей второй ступени и в ракетах высотных исследований. В составе взрывчатых веществ находится жидкий кислород. Также он применяется в авиации и медицине. Когда затруднительное дыхание, при сердечных и легочных заболеваниях, то больным из кислородных подушек подают кислород.

Надеемся, что доклад на тему «Кислород» помог Вам подготовиться к занятию. А сообщение о кислороде Вы можете дополнить через форму комментариев ниже.

Значение в природе

Именно наличие кислорода, в сочетании с водой привело к тому, что на нашей планете стало возможным возникновение жизни. Как мы заметили выше, основными поставщиками этого уникального газа являются различные растения, в том числе наибольшее количество выделяемого кислорода приходится на подводные водоросли.

Изотопы кислорода

Есть три естественных изотопа О2: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Изотопы — это две или более формы элемента. Они отличаются друг от друга по их массовому числу. Число, написанное справа от названия элемента, является массовым числом.

Известно также пять радиоактивных изотопов элемента. Радиоактивный изотоп — это тот, который распадается на части и испускает некоторую форму радиации. Радиоактивные изотопы образуются, когда очень маленькие частицы обжигают атомы. Эти частицы прилипают к атомам и делают их радиоактивными.

Использование в промышленности

В промышленности кислород активно применяется в таких сферах как:

• Металлургия (при сварке и вырезке металлов).
• Медицина.
• Сельское хозяйство.
• Как ракетное топливо.
• Для очищения и обеззараживания воды.
• Синтеза некоторых химических соединений, включая взрывчатые вещества.

История открытия

Что такое воздух? Древние народы глубоко задумывались над этим вопросом. И это не удивительно, когда понимаешь, насколько важен воздух для многих процессов. Объекты не могут гореть без воздуха. Человек не может выжить без воздуха. На самом деле, древние народы думали, что воздух должен быть «элементом».

Но они использовали слово «элемент» в несколько ином значении, нежели современные учёные. Для древних людей элемент был чем-то очень важным и основным. Воздух соответствует этому описанию, наряду с огнём, водой и землёй. Впоследствии многие учёные повлияли на открытие такого элемента, как кислород:

• Первым человеком в Западной Европе, который описал «части» воздуха, был итальянский художник и учёный Леонардо да Винчи (1452−1519). Леонардо отметил, что воздух не полностью расходуется, когда в нем что-то сжигается. Поэтому он сказал, что воздух должен состоять из двух частей: одной части, которая расходуется на горение, и одной части, которая не участвует в процессе. В течение многих лет идеи Леонардо были не очень популярны среди учёных. Проблема заключалась в том, что у первых химиков не было хорошего оборудования, как в современных лабораториях. Им было сложно собрать образцы воздуха, а затем изучить его.
• В начале 1700-х химики начали узнавать больше о воздухе, но несколько окольным путём. Например, в 1771 и 1772 годах Карл Вильельм Шееле изучал влияние тепла на ряд соединений. В одном эксперименте он использовал карбонат серебра (Ag 2 CO 3), карбонат ртути (HgCO 3) и нитрат магния (Mg (NO 3) 2). Когда он нагревал эти соединения, он обнаружил, что выделялся газ. Затем он изучил свойства этого газа и обнаружил, что пламя ярко горело в нём. Он также заметил, что животные в нём могут безболезненно находиться. Не зная этого, Шееле открыл кислород.
• Примерно через два года Джозеф Пристли провёл аналогичные эксперименты, нагревая оксид ртути (HgO) в пламени. Соединение распалось, в результате чего образовались жидкая металлическая ртуть и газ. Когда Пристли проверил новый газ, он обнаружил те же свойства и характеристики, что и Шееле. Пристли даже пытался вдохнуть тот газ, получение которого ему удалось осуществить.
• Антуана-Лорана Лавуазье (1743−94) часто называют отцом современной химии. Он получил это звание по ряду причин. Наиболее важной из них является объяснение, которое он открыл для процесса сгорания (горения). До исследования Лавуазье химики считали, что горящий объект выделяет вещество в воздух. Они назвали это вещество флогистоном. Например, когда горело дерево, химики говорили, что флогистон перешёл из дерева в воздух. Лавуазье показал, что эта идея неверна. Когда что-то горит, это на самом деле происходит реакция с кислородом в воздухе. Горение, сказал Лавуазье, — это просто окисление (процесс, при котором какое-либо вещество соединяется с О2). Это открытие дало химикам совершенно новый взгляд на химические изменения. Теория флогистона постепенно начала вымирать. Начали развитие многие идеи, которые сегодня используются в современной химии.

Некоторые люди думают, что Шееле следует отдать должное за открытие кислорода. Он завершил свои эксперименты раньше, чем Пристли. Но его издатель очень медленно печатал отчёты учёного. Они действительно вышли после отчётов Пристли. Таким образом, большинство историков сходится во мнении, что Шееле и Пристли должны разделить между собой право на открытие кислорода.

Ни Шееле, ни Пристли до конца не понимали важность их открытия. Этот шаг был предпринят французским химиком Антуаном-Лораном Лавуазье (1743−94). Лавуазье был первым человеком, который объявил, что новый газ является элементом. Он был также первым человеком, который объяснил, как кислород участвует в горении. Кроме того, он предложил название для газа.

Слово oxygenium («кислород») происходит от греческих слов, обозначающих «рождающий кислоту». Лавуазье выбрал такое название, потому что думал, что все кислоты содержат О2. Поэтому новый элемент отвечал за «образование кислот». Однако в этом отношении Лавуазье ошибся. Не все кислоты содержат кислород.

История открытия кислорода

История открытия самого важного для человека газа была долгой и запутанной. Впервые об открытии кислорода было сообщено в 1774 г. английским химиком Дж. Пристли. Он получил его при нагревании вещества HgO. Однако Дж. Пристли в то время не понял, что он получил новое газообразное вещество, и считал его разновидностью воздуха. Еще раньше в 1772 г. кислород был получен К. Шееле, но сообщение об этом он опубликовал только в 1777 г.

В 1774 г. Дж. Пристли сообщил о своих результатах великому французскому химику А. Лавуазье. Он тут же начал свои опыты и уже в 1775 г. сделал в Академии наук доклад «Мемуар о природе вещества, соединяющегося с металлами при прокаливании и увеличивающего их вес».

Происхождение названия «кислород» связано с образованием кислот в результате растворения в воде некоторых сложных веществ, содержащих атомы этого элемента. А. Лавуазье считал, что кислород — это обязательная составная часть всех кислот, что он «рождает» кислоты.

Кислород как химический элемент

Самым первым химическим элементом, к изучению которого мы приступаем, является кислород. Как вы уже знаете, химический знак кислорода — О. Относительная атомная масса кислорода равна 16:

Позднее вы узнаете, какое строение имеет атом кислорода и чем он отличается от атомов других химических элементов.

Когда говорят о кислороде как о химическом элементе, то подразумевают атомы кислорода. Например: «В состав многих сложных веществ входит кислород», «Массовая доля кислорода в глюкозе равна 53,3 %». В этих примерах речь идет об атомах кислорода (О), которые наряду с атомами других химических элементов входят в состав сложных веществ, следовательно, в данном случае речь идет о кислороде как о химическом элементе.

Общие сведения

Кислород — это газообразный химический элемент. Он обозначается символом O, имеет атомный номер 8 и атомный вес 15,9994, а его молярная масса 32 г/моль. Формула кислорода О2. Схема электронной конфигурации атома кислорода — 1s 2 2s 2 2p 4. Строение атома кислорода имеет две оболочки, как и все элементы, расположенные во втором периоде.

Он представляет большой интерес, поскольку является важнейшим элементом дыхательных процессов большинства живых клеток и процессов сгорания. Это самый распространённый элемент в земной коре. Почти одна пятая (по объёму) воздуха — это О2. Степень окисления -2.

В нормальных условиях О2 — бесцветный газ без запаха и вкуса. Он конденсируется в светло-голубой жидкости. Это реакционноспособный элемент, который образует оксиды со всеми другими элементами, кроме гелия, неона, аргона и криптона. Он умеренно растворим в воде (30 см3 на 1 л растворяющейся воды) при температуре 20 градусов Цельсия.

Применение кислорода

Молекулярный диоксид O2 необходим для клеточного дыхания у всех аэробных организмов. Его реакционноспособные виды, такие как супероксид-ион (O2-) и пероксид водорода (H2O2), являются опасными побочными продуктами использования кислорода в организмах.

Однако части иммунной системы высших организмов используют реактивный пероксид, супероксид и синглетный кислород для уничтожения вторгающихся микробов. Реактивные виды также играют важную роль в гиперчувствительной реакции растений на воздействие патогенных микроорганизмов.

В состоянии покоя взрослый человек вдыхает от 1,8 до 2,4 г кислорода в минуту. Это составляет более 6 миллиардов тонн элемента, вдыхаемого человечеством в год. Сферы использования включают в себя следующие:

• Люди, у которых есть проблемы с дыханием, используют кислородные маски и резервуары, чтобы получить необходимый им кислород.
• Он используется в ракетном топливе, сочетается с водородом в двигателе. Когда водород и кислород объединяются, они выделяют очень большое количество энергии. Энергия используется для запуска ракеты в космос.
• На производство металла приходится самый большой процент использования О2. Например, элемент используется для сжигания углерода и других примесей, которые содержатся в железе для производства стали. Небольшое количество этих примесей может быть полезным для стали, но слишком большое делает его ломким и непригодным для использования. Углерод и другие примеси сжигаются при производстве стали путём продувки О2 через расплавленное железо.
• Используется при производстве таких металлов, как медь, свинец и цинк. Эти металлы встречаются в земле в форме сульфидов, таких как сульфид меди (CuS), сульфид свинца (PbS) и сульфид цинка (ZnS). Первым шагом в извлечении этих металлов является превращение их в оксиды. Затем оксиды нагревают с углеродом, чтобы получить чистые металлы.
• Применяется в химической промышленности в качестве исходного материала для производства некоторых очень важных соединений. Иногда этапы перехода от кислорода к конечному соединению являются длительными. Например, газообразный этилен (C2H4) может быть обработан кислородом с образованием этиленоксида (CH2CH2O). Около 60% полученного этиленоксида превращается в этиленгликоль (CH2CH2 (OH)2). Этиленгликоль используется в качестве антифриза и служит отправной точкой при производстве полиэфирных волокон, плёнки, пластиковых контейнеров, пакетов и упаковочных материалов
• Используется в оксиацетиленовой сварке, в качестве окислителя для ракетного топлива, а также в производстве метанола и этиленоксида.
• Растения и животные используют его для дыхания.
• Чистый кислород часто используется для облегчения дыхания у пациентов с респираторными заболеваниями.

Кислород и его соединения играют ключевую роль во многих важных процессах жизни и промышленности

Применение кислорода в медицине

Кислород находит применение и в медицине. Особенно актуально его использование при затрудненном дыхании во время некоторых заболеваний. Он применяется для обогащения дыхательных путей при туберкулезе легких, а также используется в наркозной аппаратуре.

Также большое значение имеют кислородные подушки – прорезиненная емкость, заполненная кислородом. Она служит для индивидуального применения медицинского кислорода.

Применение кислорода в природе и жизни человека

Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека и животных. Свободный кислород существует на нашей планете благодаря фотосинтезу. Фотосинтез – это процесс образования органического вещества на свету с помощью углекислого газа и воды. В результате этого процесса образуется кислород, который необходим для жизнедеятельности животных и человека. Животные и человек потребляют кислород постоянно, растения же расходуют кислород только ночью, а днем производят его.

Строение молекулы

Молекула кислорода состоит из двух атомов, химическая формула имеет вид О2. Как образуется молекула кислорода? Механизм ее образования ковалентный неполярный, другими словами за счет обобществления электроном каждого атома. Связь между молекулами кислорода также ковалентная и неполярная, при этом она двойная, ведь у каждого из атомов кислорода есть по два неспаренных электрона на внешнем уровне.

Так выглядит молекула кислорода, благодаря своим характеристикам она весьма устойчива. Для многих химических реакций с ее участием нужны специальные условия: нагревание, повышенное давление, применение катализаторов.

Элемент в окружающей среде

Земная кора состоит в основном из кремниево-кислородных минералов, и многие другие элементы присутствуют в виде их оксидов. Газообразный кислород составляет пятую часть атмосферы. О2 в атмосфере Земли образуется в результате фотосинтеза растений, он накапливался в течение длительного времени, поскольку они использовали обильные запасы углекислого газа в ранней атмосфере и выделяли кислород.

Элемент хорошо растворяется в воде, что делает возможной жизнь в реках, озёрах и океанах. Вода в этих водоёмах должна регулярно снабжаться кислородом, поскольку, когда запасы О2 в ней истощаются, она больше не может поддерживать рыбу и другие водные организмы.

Почти все химические вещества, кроме инертных газов, связываются с кислородом с образованием соединений. Вода, H2O и кремнезём, SiO2, основной компонент песка, являются одними из наиболее распространённых двойных кислородных соединений. Среди соединений, которые содержат более двух элементов, наиболее распространёнными являются силикаты, которые образуют большинство пород и почв.

Элемент встречается во всех видах минералов. Некоторые общие примеры включают оксиды, карбонаты, нитраты, сульфаты и фосфаты. Оксиды — это химические соединения, которые содержат кислород и ещё один элемент. Карбонаты — это соединения, которые содержат кислород, углерод и ещё один элемент.

Нитраты, сульфаты и фосфаты также содержат кислород. Другими элементами в этих соединениях являются азот, сера или фосфор плюс ещё один элемент. Примерами этих соединений являются нитрат калия или селитра (KNO3), сульфат магния или соли Эпсома (MgSO4) и фосфат кальция (Ca3 (PO 4)2).