Учеными впервые выделен молекулярный кислород

[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.

Аллотропы кислорода

Распространенный аллотроп элементарного кислорода на Земле называется дикислородом, O2, и представляет собой большую часть атмосферного кислорода на Земле. O2 имеет длину связи 121 мкм и энергию связи 498 кДж · моль-1, которая меньше энергии других двойных связей или пар одиночных связей в биосфере и отвечает за экзотермическую реакцию O2 с любой органической молекулой.

12) Из-за своего энергетического содержания, O2 используется сложными формами жизни, такими как животные, в клеточном дыхании. Трикислород (O3) обычно известен как озон и является очень реактивной аллотропией кислорода, которая повреждает легочную ткань.

Озон образуется в верхней атмосфере, когда O2 сочетается с атомарным кислородом, создаваемым расщеплением O2 ультрафиолетовым (УФ) излучением.
Поскольку озон сильно поглощает УФ-область спектра, озоновый слой верхней атмосферы функционирует как защитный радиационный экран для планеты.

Вблизи поверхности Земли озон является загрязнителем, образующимся как побочный продукт автомобильных выхлопов. На низких земных орбитах существует достаточное количество атомного кислорода, чтобы вызвать коррозию космических аппаратов.
Метастабильная молекула тетракислорода (O4) была обнаружена в 2001 году 13) и, предположительно, существовала в одной из шести фаз твердого кислорода.

В 2006 году было доказано, что этот этап, созданный путем повышения давления O2-20 ГПа, на самом деле является ромбоэдрическим O8. 14) Этот кластер может быть намного более мощным окислителем, чем O2 или O3 и поэтому может использоваться в ракетном топливе.

Анализ

Палеоклиматологи измеряют отношение кислорода-18 и кислорода-16 в оболочках и скелетах морских организмов для определения климата миллионы лет назад. Молекулы морской воды, содержащие более легкий изотоп, кислород-16, испаряются с намного более высокой скоростью, чем молекулы воды, содержащие 12% более тяжелого кислорода-18, и это несоответствие увеличивается при более низких температурах.

В периоды более низких глобальных температур, снег и дождь из этой испаренной воды имеют тенденцию быть выше в кислороде-16, а оставшаяся морская вода имеет тенденцию быть выше в кислороде-18. Морские организмы затем включают больше кислорода-18 в свои скелеты и раковины, чем в более теплом климате.

Палеоклиматологи также непосредственно измеряют это соотношение в молекулах воды образцов ледяного ядра возрастом до сотен тысяч лет. Планетарные геологи измеряли относительные количества изотопов кислорода в образцах с Земли, Луны, Марса и метеоритов, но долго не могли получить контрольные значения для изотопных отношений в Солнце, которые, как полагают, являются такими же, как у первичной солнечной туманности.

Анализ кремниевой пластины, подвергшейся воздействию солнечного ветра в космосе и возвращенной разрушенным космическим аппаратом «Генезис», показал, что Солнце имеет более высокую долю кислорода-16, чем Земля. Это говорит о том, что в ходе неизвестного нам процесса кислород-16 исчез с протопланетного материала диска Солнца до слияния пылевых зерен, которые образовали Землю.

21) Кислород представляет собой две полосы спектрофотометрического поглощения, достигающие максимума на длинах волн 687 и 760 нм. Некоторые ученые, занимающиеся дистанционным зондированием, предложили использовать измерение сияния, исходящего из растительных навесов в этих полосах, чтобы охарактеризовать состояние здоровья растений со спутниковой платформы.

Этот подход использует тот факт, что в этих полосах можно различить отражательную способность растительности от ее флуоресценции, которая намного слабее. Измерение технически затруднено низким отношением сигнал-шум и физической структурой растительности; но оно было предложено как возможный метод мониторинга углеродного цикла со спутников в глобальном масштабе.

Взаимодействие молекул кислорода

Способность молекул кислорода втягиваться в магнитное поле показывает, что они обладают неспаренными электронами. На первый взгляд в этом нет ничего удивительного: давно установлено, что каждый атом кислорода имеет на внешней оболочке два неспаренных электрона. Но могут ли они остаться неспаренными при объединении двух атомов кислорода в молекулу?

Очевидно, каждая молекула 02 должна образовываться при помощи двух ковалентных связей 0=0. Но в этом случае на построение молекулы были бы израсходованы все четыре неспаренных электрона. И тогда у молекулы кислорода не могло бы быть парамагнитных свойств. Но парамагнетизм элемента № 8 — факт, многократно подтвержденный в эксперименте.

Высказывалось предположение, что на образование двухатомной молекулы каждый атом кислорода затрачивает лишь один неспаренный электрон, а другой так и остается «холостым», и эти электроны делают молекулу парамагнитной.

Однако такое объяснение противоречит экспериментальным  данным.  Для  разрыва  одинарных связей в грамм-молекуле кислорода потребовалось бы около 50 ккал; в действительности же приходится тратить в два с лишним раза больше энергии.Выходит, что в молекуле кислорода не может быть ни двойной, ни одинарной связи. Тогда какая же она, эта связь?

Единого мнения на этот счет у ученых до сих пор нет, и многие детали строения молекулы кислорода еще не полностью выяснены. Вполне удовлетворительно, правда, объяснение свойств кислородной молекулы с помощью выдвинутого квантовой химией метода молекулярных орбит. Однако это объяснение слишком сложно, чтобы говорить о нем вскользь в популярной статье.

Как и положено элементу, занимающему место в правом верхнем углу таблицы Менделеева, кислород обладает ярко выраженными окислительными свойствами. Наружная электродная оболочка атома кислорода состоит из шести электронов, и к предельно заполненной оболочке (условие максимальной химической устойчивости) атом кислорода может прийти двумя путями: или захватив два «посторонних» электрона, или отдав шесть.

Первый путь, естественно, проще, он требует меньших затрат энергии. Поэтому в реакциях с подавляющим большинством атомов кислород выступает в роли окислителя. Если можно так выразиться, окислительнее кислорода только один элемент — фтор. Лишь в реакциях с фтором окислителем оказывается не элемент № 8, а его партнер.

Для развития активной реакции кислорода с большинством простых и сложных веществ нужно нагревание — чтобы преодолеть потенциальный барьер, препятствующий химическому процессу. Энергетическая «добавка» (энергия активации) в разных реакциях нужна разная.

Правда, есть вещества, например окись азота, соединения одновалентной меди и, к счастью,  гемоглобин крови, способные реагировать с кислородом и при комнатной температуре. С помощью катализаторов, снижающих энергию активации, могут идти без подогрева и другие процессы, в частности соединение кислорода с водородом.

Обычно же эта реакция идет при повышенных температурах и протекает очень бурно — может даже перейти во взрыв. Такой процесс происходит по схеме разветвленной цепной реакции. (Теория цепных реакций создана в результате работы многих ученых и в первую очередь — лауреата Нобелевской премии академика Н. И. Семенова.)

Цепные реакции начинаются с образования нестабильных активных частиц — свободных радикалов, «носителей» неспаренных электронов (на схеме они обозначены звездочками). Они-то и ведут реакцию «по цепочке»: Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива, включая пороха, для горения которых не нужен кислород воздуха: в процессе горения таких веществ кислород выделяется из них самих.

Вклад лавуазье

водород образует основу для кислотной химии), но к тому времени это название слишком хорошо прижилось. ⁶⁾ Слово вошло в английский язык, несмотря на сопротивление английских ученых и тот факт, что англичанин Пристли первым изолировал газ и написал об этом. Частично это объясняется поэмой, восхваляющей газ под названием «Кислород» в популярной книге «Ботанический сад» (1791 г.) Эразма Дарвина, дедушки Чарльза Дарвина.

Медицина

Употребление кислорода из воздуха является основной целью дыхания, поэтому в медицине используется кислородная терапия, которая не только увеличивает уровень кислорода в крови пациента, но и оказывает вторичное влияние, снижая резистентность к кровотоку во многих типах пораженных легких и ослабляя нагрузку на сердце.

Кислородная терапия используется для лечения эмфиземы, пневмонии, некоторых сердечных заболеваний (застойной сердечной недостаточности), некоторых заболеваний, вызывающих повышенное давление в легочной артерии, и любых заболеваний, ухудшающих способность организма принимать и использовать газообразный кислород.

29)
Такие методы лечения могут использоваться в больничных условиях, на дому или же вообще при помощи переносных устройств. Кислородные палатки когда-то использовались при кислородной терапии, но с тех пор были заменены, в основном, использованием кислородных масок или назальных канюлей.

В гипербарической (с высоким давлением) медицине используются специальные кислородные камеры для увеличения парциального давления O2 вокруг пациента и, при необходимости, медицинского персонала. Этот метод лечения иногда используется при отравлении угарным газом, газовой гангрене и декомпрессионной болезни.

Увеличение количества O2 в легких помогает вытеснить монооксид углерода из гем-группы гемоглобина. Кислородный газ является ядовитым для анаэробных бактерий, которые вызывают газовую гангрену, поэтому увеличение его парциального давления помогает убить их.

30) Декомпрессионная болезнь возникает у дайверов, которые быстро декомпрессируют после погружения, что приводит к образованию пузырьков инертного газа, в основном, азота и гелия, в крови. Как можно более быстрое увеличение давления O2 помогает повторно перевести пузырьки обратно в кровь, чтобы эти избыточные газы могли выдыхаться естественным путем через легкие. 31)

Накопление в атмосфере

В атмосфере Земли почти не присутствовал газообразный кислород до того, как появились фотосинтетические археи и бактерии, вероятно, около 3,5 млрд лет назад. Свободный кислород впервые появился в значительных количествах во время палеопротерозойского эона (от 3,0 до 2,3 миллиарда лет назад).

В течение первого миллиарда лет, любой свободный кислород, продуцируемый этими организмами, образовывал сочетание с растворенным железом в океанах с образованием полосчатых железных образований. Когда такие кислородные потоки стали насыщенными, свободный кислород начал выделяться из океанов 3-2,7 миллиарда лет назад, достигнув 10% своего нынешнего уровня около 1,7 миллиарда лет назад.

25) Наличие большого количества растворенного и свободного кислорода в океанах и атмосфере, возможно, заставило большинство существующих анаэробных организмов исчезнуть во время оксигенации (кислородная катастрофа) около 2,4 миллиардов лет назад.

Клеточное дыхание с использованием O2 позволяет аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробные организмы. Клеточное дыхание O2 происходит у всех эукариот, включая все сложные многоклеточные организмы, такие как растения и животные.

С начала периода кембрия, 540 миллионов лет назад, уровни O2 в атмосфере колебались между 15% и 30% по объему. 26) К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) уровни атмосферного O2 достигли максимума 35% по объему, что, возможно, способствовало увеличению размера насекомых и земноводных в это время.

Изменения в уровнях кислорода формировали климат прошлого. Когда уровень кислорода уменьшался, плотность воздуха снижалась, а это, в свою очередь, увеличивало поверхностное испарение и приводило к увеличению осадков и более теплым температурам. При нынешних скоростях фотосинтеза, потребовалось бы около 2000 лет для регенерации всего O2 в данной атмосфере. 27)

Окислительные свойства

Кислород — один из сильных окислителей. Об этом можно судить хотя бы потому, что баки с жидким кислородом — необходимая принадлежность большинства жидкостных ракетных двигателей.Впрочем, далеко не всегда окислительные реакции с участием кислорода выглядят как стихия пламени или взрыва.

Процессы медленного окисления различных веществ при обычной температуре имеют для жизни не меньшее значение, чем горение — для энергетики.

Медленное окисление веществ пищи в нашем организме — «энергетическая база» жизни. (Заметим попутно, что наш организм не слишком экономно использует вдыхаемый кислород: в выдыхаемом воздухе кислорода примерно 16%.) Тепло преющего сена — результат медленного окисления органических веществ растительного происхождения. Медленное окисление навоза и перегноя согревает парники…

Но не всегда медленное окисление органических веществ безвредно и безопасно. Если тепло, выделяющееся в этом процессе, не отводится, может произойти самовоспламенение. Это известно издавна. В учебнике химии, выпущенном в России в 1812 г., рассказывалось о пожарах в Петербурге, вызванных этим явлением.

«В 1770 г. сделался великий пожар в пеньковом магазине на острове Малыя Невы, где совсем не держали огня». Правда, в том же учебнике рассказывалось о случае самовоспламенения «одной старухи из Северной Америки» с примечанием, что «сие происходит преимущественно с людьми, невоздержанными в употреблении спиртных напитков»…

Памятуя о необходимости борьбы с пьянством силами печати и науки, не стоило бы опровергать подобные заявления. Но, увы, факты —вещь упрямая: человеческий организм рассеивает тепло в пространстве, и даже самые прожженные пьяницы физически не могут самовоспламениться.

Если бы растения в процессе фотосинтеза не превращали воду и углекислый газ в органические соединения и этот процесс не сопровождался высвобождением связанного кислорода, то, исчерпав довольно быстро запасы атмосферного кислорода, весь животный мир, включая человечество, вскоре задохнулся бы. Но и растениям после этого пришлось бы несладко.

Дело в том, что растения, подобно животным, потребляют атмосферный кислород, правда, они делают это исключительно в темное время суток. На ночь, когда прекращаются процессы фотосинтеза, растения из производителей кислорода превращаются в его потребителей.

Это явление наблюдал еще Шееле. А другой первооткрыватель кислорода Дж. Пристли еще до того, как кислород был открыт, выяснил, что зеленая ветка мяты, помещенная под стеклянный колпак с воздухом, в котором уже погасла свеча, возвращает этому воздуху способность поддерживать дыхание и горение.

Статья на тему Кислород история

Оксиды и другие неорганические соединения

³⁶⁾ Благодаря своей электроотрицательности, кислород образует химические связи почти со всеми остальными элементами, чтобы получить соответствующие оксиды. Поверхность большинства металлов, таких как алюминий и титан, окисляется в присутствии воздуха и покрывается тонкой пленкой оксида, которая пассивирует металл и замедляет дальнейшую коррозию. Многие оксиды переходных металлов представляют собой нестехиометрические соединения с немного меньшим количеством металла, чем показывает химическая формула. Например, минерал FeO (wüstite) записывается как Fe1-xO, где x обычно составляет около 0,05. Кислород присутствует в атмосфере в следовых количествах в виде двуокиси углерода (CO2). Породы земной коры состоят в значительной части из оксидов кремния (кремний SiO2, как в граните и кварце), алюминия (оксид алюминия Al2O3, в боксите и корунде), железа (оксид железа (III) Fe2O3 в гематите и ржавчине) и карбоната кальция (в известняке). Остальная часть земной коры также состоит из соединений кислорода, в частности, различных сложных силикатов (в силикатных минералах). Мантия Земли гораздо большей массы, чем кора, и в основном состоит из силикатов магния и железа. Водорастворимые силикаты в форме Na4SiO4, Na2SiO3 и Na2Si2O5 используются в качестве моющих средств и адгезивов. Кислород также действует как лиганд для переходных металлов, образующий комплексы диоксигена с переходными металлами, в которых присутствует металл-O2. Этот класс соединений включает гем-белки гемоглобин и миоглобин. Экзотическая и необычная реакция происходит с PtF6, который окисляет кислород, чтобы получить O2 PtF6 -. ³⁷⁾

Открыт кислород

Британский исследователь и естествоиспытатель Джозеф Пристли (Joseph Priestley) начинал свою деятельность в качестве проповедника-диссентера, противника Англиканской церкви. Пристли получил блестящее гуманитарное образование — помимо теологии, он изучал филологию и философию, а также выучил 9 иностранных языков.

Религиозные воззрения молодого священника постоянно трансформировались, поэтому от диссентеров он перешёл к пресвитерианам, а позже к кальвинистам. Однако в историю он вошёл не благодаря знанию французского и арабского языка, и уж конечно не благодаря духовным метаниям — практически всю жизнь Пристли занимался естественными науками и сделал ряд важных открытий в физике и химии.

В частности, именно Пристли открыл процесс фотосинтеза, обнаружив, что зелёные растения, накрытые стеклянным (прозрачным для света) колпаком могут каким-то образом восстанавливать «испорченный» дыханием или горением воздух. Несколько позже исследователь доказал, что в процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Однако к этому выводу учёный пришёл уже после открытия кислорода как такового.

Днём открытия кислорода считается 1 августа 1774 г. — именно тогда Пристли направил пучок солнечных лучей на оксид ртути, разложив его тем самым на чистую ртуть и чистый кислород. Правда, учёный не понял, что открыл новое простое вещество, поэтому в первых письмах к коллеге, французскому химику Антуану Лавуазье, Пристли писал о получении «дефлогистированного воздуха». Собственно, от теории «флогистонов», якобы присутствующих в горючих веществах частиц «горючей тонкой материи», Пристли не отказался до конца жизни, несмотря на то, что многие его современники и коллеги уже относились к этой концепции скептически. Тем не менее, несмотря на отдельные заблуждения автора, труды Пристли в области химии легли в основу многих открытий, до сих пор не утративших своей актуальности.

Поддержка жизни и рекреационное использование

O2 как дыхательный газ низкого давления применяется в современных космических костюмах, которые окружают тело пассажира дыхательным газом. В этих устройствах используется почти чистый кислород при примерно одной трети от нормального давления, что приводит к нормальному парциальному давлению в крови O2.

Этот компромисс более высокой концентрации кислорода для более низкого давления необходим для поддержания гибкости костюма. 32)
Дайверы и подводники также используют искусственно поставляемый О2. Подводные лодки и атмосферные подводные костюмы обычно работают при нормальном атмосферном давлении.

Дыхательный воздух очищается от углекислого газа путем химической экстракции, а кислород заменяется для поддержания постоянного парциального давления.
Дайверы, погружающиеся при давлении окружающей среды, дышат воздушными или газовыми смесями с кислородной фракцией, подходящей для рабочей глубины.

Чистый или почти чистый O2 при погружении при давлениях выше атмосферного, обычно ограничивается ребризерами или декомпрессией на относительно небольших глубинах (глубина ~ 6 метров или менее), 33) или медицинской помощи в камерах рекомпрессии при давлениях до 2,8 бар, где от острой кислородной токсичности можно избавиться без риска утопления.

Глубокое погружение требует значительного разведения O2 с другими газами, такими как азот или гелий, для предотвращения кислородной токсичности.
Люди, которые поднимаются на горы или летают в самолётах без давления, иногда имеют приборы для поставки дополнительного O2.

В коммерческих самолетах под давлением, аварийный O2 автоматически подается пассажирам в случае сброса давления в кабине. Внезапная потеря давления в кабине активирует химические генераторы кислорода над каждым сиденьем, в результате чего падают кислородные маски.

Экзотермическая реакция затем производит постоянный поток газообразного кислорода.
Кислород, предположительно вызывающий мягкую эйфорию, имеет историю рекреационного использования в кислородных барах и в спорте. Кислородные бары существуют в Японии, Калифорнии и Лас-Вегасе, штат Невада, с конца 1990-х годов, предлагая пользователю вдохнуть больше O2, чем обычно, за плату.

34) Профессиональные спортсмены, особенно в американском футболе, иногда выходят с поля между играми и надевают кислородные маски, чтобы повысить производительность. Фармакологический эффект таких действий сомнителен; эффект плацебо – более вероятное объяснение.

Доступные исследования подтверждают эффект повышения производительности от употребления обогащенных кислородом смесей, только если они используются во время аэробных упражнений.
Другие виды рекреационного использования, в которых не используется дыхание, включают в себя пиротехнические применения.

Поздняя история

Согласно оригинальной атомной гипотезе Джона Далтона, все элементы являются одноатомными, а атомы в соединениях обычно имеют простейшие атомные отношения по отношению друг к другу. Например, Далтон предположил, что формула воды была НО, а атомная масса кислорода в 8 раз больше, чем у водорода, вместо современного значения около 16.

В 1805 году Джозеф Луи Гей-Люссак и Александр фон Гумбольдт показали, что вода образуется из двух объемов водорода и одного объема кислорода; и к 1811 году Амедео Авогадро пришел к правильной интерпретации состава воды, основанной на том, что теперь называется законом Авогадро и двухатомными элементарными молекулами в этих газах. 7)
К концу 19 века ученые поняли, что воздух может быть сжижен и его компоненты могут быть изолированы путем сжатия и охлаждения.

Используя каскадный метод, швейцарский химик и физик Рауль Пьер Пикте испарял жидкий диоксид серы, чтобы сжижать углекислый газ, который, в свою очередь, испарялся, чтобы охладить кислородный газ, что достаточно для его сжижения. 22 декабря 1877 года он отправил телеграмму во Французскую академию наук в Париже, объявив о своем открытии жидкого кислорода.

Спустя два дня, французский физик Луи-Поль Кайете объявил о своем собственном методе сжижения молекулярного кислорода. В каждом случае производилось всего несколько капель жидкости, и никакого значимого анализа не проводилось. Кислород впервые был сжижен в стабильном состоянии 29 марта 1883 года польскими учеными из Ягеллонского университета, Зигмунтом Врублевски и Каролем Ольшевски.

В 1891 году шотландский химик Джеймс Дьюар смог получить достаточно жидкого кислорода для исследования. Первый коммерчески жизнеспособный процесс получения жидкого кислорода был независимо разработан в 1895 году немецким инженером Карлом фон Линде и британским инженером Уильямом Хэмпсоном.

Они оба опустили температуру воздуха до такой степени, пока газ не стал сжижаться, а затем перегоняли составляющие газы, кипятя их по очереди и захватывая их отдельно. Позднее, в 1901 году, впервые была продемонстрирована сварка оксиацетиленом, при сжигании смеси ацетилена и сжатого О2.

Этот метод сварки и резки металла стал более распространенным. 8) В 1923 году американский ученый Роберт Х. Годдард стал первым человеком, разработавшим двигатель, сжижающий жидкое топливо; в этом двигателе использовался бензин для топлива и жидкий кислород в качестве окислителя.

16 марта 1926 года в Оберне, штат Массачусетс, США, Годдард успешно пролетел на небольшой ракете с жидким топливом 56 м на скорости 97 км / ч. Уровни кислорода в атмосфере слегка различаются по всему миру, возможно, из-за сжигания ископаемого топлива.

Промышленное производство

Сто тысяч миллионов тонн O2 экстрагируются из воздуха для промышленного использования ежегодно двумя основными методами. Наиболее распространенным методом является фракционная перегонка сжиженного воздуха с перегонкой N2 в виде пара, в то время как O2 остается в виде жидкости.

Другой первичный способ получения O2 – пропускать поток чистого сухого воздуха через один слой пары идентичных цеолитных молекулярных сит, который поглощает азот и доставляет газовый поток, составляющий от 90% до 93% O2. Одновременно с этим, азот выделяется из другого насыщенного азотом цеолитного слоя, уменьшая рабочее давление в камере и отводя часть кислородного газа из проецирующего слоя через него в обратном направлении потока.

По истечении установленного времени цикла работы, два слоя взаимозаменяются, что позволяет обеспечить непрерывную подачу газообразного кислорода, прокачиваемого по трубопроводу. Это известно как адсорбция под давлением. Кислородный газ все чаще получают при помощи этих некриогенных технологий.

28) Кислородный газ также может быть получен путем электролиза воды в молекулярный кислород и водород. Должно использоваться электричество постоянного тока: при использовании переменного тока, газы в каждом конце состоят из водорода и кислорода во взрывоопасном отношении 2: 1.

Вопреки распространенному мнению, соотношение 2: 1, наблюдаемое при электролизе постоянного тока подкисленной водой, не доказывает, что эмпирическая формула воды представляет собой H2O, если не будут сделаны определенные предположения о молекулярных формулах самого водорода и кислорода.

Аналогичным методом является электрокаталитическая эволюция O2 из оксидов и оксокислот. Также могут использоваться химические катализаторы, такие как химические генераторы кислорода или кислородные свечи, которые используются как часть оборудования для жизнеобеспечения на подводных лодках, и все еще являются частью стандартного оборудования на коммерческих авиалайнерах в случае чрезвычайных ситуаций сброса давления.

Распространенность

¹⁹⁾ в составе оксидных соединений, таких как двуокись кремния, и является наиболее распространенным по массе элементом в земной коре. Он также является основным компонентом Мирового океана (88,8% по массе). Кислородный газ является вторым наиболее распространенным компонентом земной атмосферы, занимая 20,8% его объема и 23,1% его массы (около 1015 тонн). Земля необычна среди планет Солнечной системы Система из-за такой высокой концентрации кислорода в атмосфере: Марс (с 0,1% O2 по объему) и Венера имеют гораздо меньше кислорода. О2, окружающий эти планеты, создается исключительно действием ультрафиолетового излучения на кислородсодержащие молекулы, такие как диоксид углерода. Необычайно высокая концентрация газообразного кислорода на Земле является результатом кислородного цикла. Этот биогеохимический цикл описывает движение кислорода внутри и между его тремя основными резервуарами на Земле: атмосферой, биосферой и литосферой. Основным движущим фактором кислородного цикла является фотосинтез, который отвечает за современную атмосферу Земли. Фотосинтез высвобождает кислород в атмосферу, а дыхание, распад и сгорание удаляют его из атмосферы. В нынешнем равновесии, производство и потребление кислорода происходят с одинаковой скоростью. Свободный кислород также содержится в водоемах Земли. Повышенная растворимость O2 при более низких температурах имеет важные последствия для океанической жизни, поскольку полярные океаны поддерживают гораздо более высокую плотность жизни из-за их более высокого содержания кислорода ²⁰⁾. Вода, загрязненная питательными веществами растений, такими как нитраты или фосфаты, может стимулировать рост водорослей посредством процесса, называемого эвтрофикацией, и распад этих организмов и других биоматериалов может уменьшить содержание O2 в эвтрофных водоемах. Ученые оценивают этот аспект качества воды, измеряя биохимическую потребность в кислороде в воде или количество O2, необходимое для восстановления его до нормальной концентрации

Свойства кислорода

Возьмем, к примеру, такое свойство кислорода, как парамагнитность. Именно магнитными свойствами элемент № 8 отличается от всех прочих газообразных (при обычных условиях) элементов. Кислород — активный окислитель, но есть и другие элементы-окислители, например фтор.

Видимое    проявление    парамагнетизма — способность вещества втягиваться в магнитное поле — объясняется тем, что у молекул парамагнитных веществ есть собственный магнитный момент. Есть он и у молекул кислорода, но откуда он берется?

Внешняя электронная оболочка кислородного атома состоит из шести электронов. Четыре из них—спаренные—объединены в две пары, а два — «холостые». Спаренные электроны отличаются друг от друга лишь спином. Спин — это внутренний момент количества движения частицы, имеющий квантовую природу.

Именно этими «моментами» определяются все магнитные свойства вещества (диамагнетизм, ферромагнетизм, парамагнетизм и т. д.). Физический носитель магнитных свойств — не просто электрон, а именно неспаренный электрон, потому что спаренные электроны образуют устойчивую систему, не имеющую собственного магнитного момента.

Идя путем спортивных аналогий, можно сказать, что спаренный электрон подобен футболисту, который получил на игру установку «не упустить» одного из соперников. А тот ведет себя в соответствии с установкой своего тренера: следи за опекающим тебя защитником, подключившись в атаку, он, дескать, очень опасен.

Токсичность кислорода

Газообразный кислород (O2) может быть токсичным при повышенном парциальном давлении, приводя к судорогам и другим проблемам со здоровьем. 38) Кислородная токсичность обычно начинает наблюдаться при парциальном давлении более 50 килопаскалей (кПа), равном примерно 50% состава кислорода при стандартном давлении или в 2,5 раза выше нормального давления O2 на уровне моря около 21 кПа.

Это может вызывать беспокойство только у пациентов с механической вентиляцией легких, поскольку газ, поставляемый через кислородные маски в медицинских применениях, обычно состоит только из 30-50% O2 по объему (около 30 кПа при стандартном давлении).

В свое время, преждевременно рожденных младенцев помещали в инкубаторы, содержащие воздух, богатый О2, но эта практика была прекращена после того, как некоторые дети были ослеплены слишком высоким содержанием кислорода.
Вдыхание чистого О2 в космических применениях, например, в некоторых современных космических костюмах или в ранних космических аппаратах, таких как Apollo, не нанесет пользователю ущерба из-за низкого общего давления.

В случае скафандров, парциальное давление O2 в дыхательном газе, как правило, составляет около 30 кПа (в 1,4 раза выше нормы), а полученное парциальное давление O2 в артериальной крови космонавта лишь незначительно больше, чем нормальное О2 парциальное давление на уровне моря.

Кислородная токсичность для легких и центральной нервной системы также может возникать при глубоководном плавании и погружении. Длительное вдыхание воздушной смеси с парциальным давлением O2 более 60 кПа может, в конечном итоге, привести к постоянному легочному фиброзу.

Воздействие парциального давления O2 более 160 кПа (около 1,6 атм) может привести к судорогам (обычно смертельным для дайверов). Острая кислородная токсичность (вызывающая приступы, наиболее опасный эффект для дайверов) может возникать при вдыхании воздушной смеси с 21% O2 на глубине 66 м или более; то же самое может произойти при вдыхании 100% O2 на глубине всего 6 м. 39)

Физические свойства

Кислород более легко растворяется в воде, чем азот, и в пресной воде растворяется легче, чем в морской воде. Вода, находящаяся в равновесии с воздухом, содержит приблизительно 1 молекулу растворенного О2 для каждых двух молекул N2 (1: 2), по сравнению с отношением атмосферного воздуха приблизительно 1: 4.

Растворимость кислорода в воде зависит от температуры и примерно в два раза лучше (14,6 мг · л-1) растворяется при 0 ° С, чем при 20 ° С (7,6 мг · л-1). При 25 ° C и 1 стандартной атмосфере (101,3 кПа) воздуха, пресная вода содержит около 6,04 миллилитров (мл) кислорода на литр, а морская вода содержит около 4,95 мл на литр.

При 5 ° C растворимость увеличивается до 9,0 мл (на 50% больше, чем при 25 ° C) на литр для воды и 7,2 мл (на 45% больше) на литр для морской воды.
Кислород конденсируется при 90,20 К (-182,95 ° С, -297,31 ° F) и замораживается при 54,36 К (-218,79 ° С, -361,82 ° F)

15). Как жидкие, так и твердые O2 – прозрачные вещества светло-голубого цвета, вызванного поглощением в красном (в отличие от синего цвета неба, обусловленного рэлеевским рассеянием голубого света). Высокочистую жидкость O2 обычно получают путем фракционной перегонки сжиженного воздуха.

Жидкий кислород также может конденсироваться из воздуха с использованием жидкого азота в качестве хладагента.
Кислород является высокореактивным веществом и должен быть отделен от горючих материалов.
Спектроскопия молекулярного кислорода связана с атмосферными процессами полярных сияний, воздушным светом и ночным свечением.

Поглощение в герцбергском континууме и полосы Шумана-Рунге в ультрафиолете приводят к производству атомного кислорода, что важно в химии средней атмосферы 16).
Возбужденный синглетный молекулярный кислород ответственен за красную хемилюминесценцию в растворе.

Фотосинтез и дыхание

В природе, свободный кислород вырабатывается путем легкого расщепления воды при кислородном фотосинтезе. По некоторым оценкам, зеленые водоросли и цианобактерии в морской среде обеспечивают около 70% свободного кислорода, вырабатываемого на Земле, а остальное производится наземными растениями.

Другие оценки океанического вклада в атмосферный кислород выше, а некоторые оценки ниже, что указывает на то, что океаны ежегодно производят ~ 45% атмосферного кислорода Земли 22). Упрощенная общая формула для фотосинтеза: 6 CO2 6 H2O фотоны → C6H12O6 6 O2
или просто
двуокись углерода вода солнечный свет → глюкоза дикислород
Фотолитическая эволюция кислорода происходит в тилакоидных мембранах фотосинтезирующих организмов и требует энергии четырех фотонов.

Здесь принимает участие множество этапов, но результатом является образование протонного градиента через тилакоидную мембрану, которая используется для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) посредством фотофосфорилирования. О2, оставшийся (после производства молекулы воды), высвобождается в атмосферу.

Кислород используется в митохондриях для получения АТФ во время окислительного фосфорилирования. Реакция на аэробное дыхание, по сути, является обратным процессом фотосинтеза и упрощается: C6H12O6 6 O2 → 6 CO2 6 H2O 2880 кДж · моль-1.
У позвоночных, O2 диффундирует через мембраны в легких и в эритроциты.

Гемоглобин связывает O2, меняя цвет от синевато-красного в ярко-красный (CO2 выделяется из другой части гемоглобина через эффект Бора). Другие животные используют гемоцианин (моллюски и некоторые членистоногие) или гемэритрин (пауки и омары) 23).

В литре крови можно растворить 200 см3 O2. До открытия анаэробных многоклеточных животных, кислород считался обязательным условием для существования всех сложных форм жизни. Реактивные виды кислорода, такие как супероксид-ион (O- 2) и перекись водорода (H2O2), являются реактивными побочными продуктами использования кислорода в организмах.

Части иммунной системы высших организмов создают перекись, супероксид и синглетный кислород для уничтожения вторгающихся микробов. Реактивные формы кислорода также играют важную роль в гиперчувствительном ответе растений на патогенную атаку. Кислород повреждает анаэробные организмы, которые были доминирующей формой ранней жизни на Земле до тех пор, пока О2 не начал накапливаться в атмосфере, около 2,5 миллиардов лет назад, во время оксигенации, примерно через миллиард лет после первого появления этих организмов.