- Биологическая роль кислорода
- Изотопы
- История открытия
- Нахождение в природе
- Происхождение названия
- Разложение кислородсодержащих веществ
- Реакция перекисных соединений с углекислым газом
- Сварка и резка металлов
- Связанные понятия (продолжение)
- Токсические производные кислорода
- Упоминания в литературе (продолжение)
- Физические свойства
- Фториды кислорода
- Химические свойства
- Электролиз водных растворов
Биологическая роль кислорода
Аварийный запас кислорода в бомбоубежище
Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом воздуха.
Широко используется кислород в медицине.
При сердечно-сосудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»).
Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях.
Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном.
Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.
Изотопы
Основная статья: 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 лёгкого из них 16О связано с тем, что ядро атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов (дважды магическое ядро с заполненными нейтронной и протонной оболочками). А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
Также известны радиоактивные изотопы кислорода с массовыми числами от 12О до 24О.
История открытия
Официально считается[4][5], что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли1 августа1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью большой линзы).
- 2HgO→t2Hg O2↑{displaystyle {ce {2HgO ->[t] 2Hg O2 ^}}}.
![{displaystyle {ce {2HgO ->[t] 2Hg O2 ^}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/804710fd51b4d0c4adca861caa5d341fb5921d84)
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье.
Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела очень большое значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.
Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по изменению веса сожжённых элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Нахождение в природе
Накопление O
2
в
атмосфере
Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.
1
. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O
2
не производился
2
. (2,45—1,85 млрд лет назад) — O
2
производился, но поглощался океаном и породами морского дна
3
. (1,85—0,85 млрд лет назад) — O
2
выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4
. (0,85—0,54 млрд лет назад) — все горные породы на суше окислены, начинается накопление O
2
в атмосфере
5
. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) — современный период, содержание O
2
в атмосфере стабилизировалось
Кислород — самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе).
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 1015 тонн[7]). Однако до появления первых фотосинтезирующих микробов в архее 3,5 млрд лет назад в атмосфере его практически не было.
Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (кислородной катастрофы). Первый миллиард лет практически весь кислород поглощался растворённым в океанах железом и формировал залежи джеспилита.
Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими[10].
С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму[11]. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время[12].
Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов[13].
Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере[14][нет в источнике].
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 %[6].
В 2022 году датские учёные доказали, что свободный кислород входил в состав атмосферы уже 3,8 млрд лет назад[16].
Происхождение названия
Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр.oxygène), предложенного А.
Лавуазье (от др.-греч.ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуреоксидами.
Разложение кислородсодержащих веществ
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:
- 2KMnO4→tK2MnO4 MnO2 O2↑{displaystyle {ce {2KMnO4 ->[t] K2MnO4 MnO2 O2 ^}}}
![{displaystyle {ce {2KMnO4 ->[t] K2MnO4 MnO2 O2 ^}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fa985cedcb06a74333be1dbf055f4b95e5b416e4)
Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода H2O2 в присутствии оксида марганца(IV):
- 2H2O2→MnO22H2O O2↑{displaystyle {ce {2H2O2 ->[MnO2] 2H2O O2 ^}}}
![{displaystyle {ce {2H2O2 ->[MnO2] 2H2O O2 ^}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/39356fdea2f393003bf49298522c43c2aa66e358)
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:
- 2KClO3⟶2KCl 3O2↑{displaystyle {ce {2KClO3 -> 2KCl 3O2 ^}}}
Разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C) было первым методом синтеза кислорода:
- 2HgO→100°C2Hg O2↑{displaystyle {ce {2HgO ->[100{°}C] 2Hg O2 ^}}}
![{displaystyle {ce {2HgO ->[100{°}C] 2Hg O2 ^}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8ed83305529bb4aea427f4cd72a0f92c5fe51aef)
Реакция перекисных соединений с углекислым газом
На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:
- 2Na2O2 2CO2⟶2Na2CO3 O2↑{displaystyle {ce {2Na2O2 2CO2 -> 2Na2CO3 O2 ^}}}
Для соблюдения баланса объёмов поглощённого углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляют надпероксид калия. В космических кораблях для уменьшения веса иногда используется пероксид лития.
Сварка и резка металлов
Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.
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).
Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей.
Крупные медицинские учреждения могут использовать не сжатый кислород в баллонах, а сжиженный в сосуде Дьюара большой ёмкости. Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости — кислородные подушки.
Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха.
Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометруредуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах. Например, в баллоне вместимостью 2 литра манометр показывает давление кислорода 100 атм.
В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE948[26], как пропеллент и упаковочный газ.
В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), диоксид серы в триоксид серы, аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты.
В тепличном хозяйстве для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.
Связанные понятия (продолжение)
— класс химических соединений, объединяющий почти все химические соединения, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов). Органические соединения редки в земной коре, но обладают наибольшей важностью, потому что являются основой всех известных форм жизни. Основные дистилляты нефти считаются строительными блоками органических соединений. Органические соединения, кроме углерода (C…
— сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат).
Токсические производные кислорода
Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами.
Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.
Упоминания в литературе (продолжение)
Метанобразующие археи вполне могли поддержать концентрацию метана в атмосфере, достаточную для создания парникового эффекта, – на уровне 0,1 % (ныне < 0,0002 %) или его смесь с СО2. Поскольку в отсутствие главного окислителя –
кислорода
– продолжительность существования молекул метана могла быть на три порядка больше, чем нынешний 10-летний срок, по достижении соотношения СН4/СО2, близкого к 1, молекулы метана полимеризовались до этана (С2Н6). И легкая дымка превратилась в туман, в котором содержание метана могло в 600 раз превышать современный уровень. (Похожая по составу атмосфера с метановыми облаками и дождями существует на Титане, спутнике Сатурна.) При определенной размерности частиц и наличии в нем паров воды туман мог оставаться проницаемым и не препятствовал нагреву поверхности Земли. Под защитой метано-этанового тумана могла повыситься и концентрация NН3, OСS и серных соединений, включая аэрозоли полиатомной серы (S8).
Известно, что подавляющее количество всех встречающихся в природе химических элементов (81) обнаружены в организме человека. 12 элементов называют структурными, так как они составляют 99 % элементного состава человеческого организма (углерод,
кислород
, водород, азот, кальций, магний, натрий, калий, сера, фосфор, фтор, хлор). При этом основным строительным материалом являются четыре элемента: азот, водород, кислород и углерод. Остальные элементы, находясь в организме в незначительных по объему количествах, играют важную роль, влияя на здоровье и состояние нашего организма.
Опыт показывает, что удельный выход газа составляет порядка 500 л на 1 кг сухого органического материала, который составляет до 40 % ТКО. Из каждой тонны отходов образуется до 250 м3 биогаза, состоящего из 50–60 % метана, 30–45 % диоксида углерода, 1–2% сероводорода и 1–2% – соединения азота, водорода,
кислорода
и других (всего до 32 компонентов). Состав биогаза зависит от номенклатуры и качества исходного органического сырья, степени его сортировки и подготовки, соблюдения технологии процесса.
1. Газовая функция. Она заключается в том, что метаболизм организмов, их дыхание и обмен с внешней средой охватывает обширную совокупность разнообразных газовых реакций, ведущих в конечном итоге к поглощению
кислорода
и выделению углекислого газа, парообразной воды и т. д. Подсчитано, что для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез достаточно 300 лет, а кислорода – 2000–2500 лет, воды через испарение – около 1 млн лет. Ясно, что эта функция в настоящее время может быть изменена за счет интенсивной вырубки лесов и распахивания степей. Роль человека в изменении облика биосферы значительна, что подтверждают данные табл. 2.
Холдейн вначале описывает, какие химические превращения происходили на планете Земля после её образования. Он предположил, что атмосфера была бедна
кислородом
, а ультрафиолетовые лучи не задерживались озоновым слоем. Они достигали поверхности суши и моря. При действии ультрафиолетовых лучей на смесь воды, двуокиси углерода и аммиака возникает множество различных органических соединений, в том числе сахара, некоторые соединения из которых образуют белки. Эти вещества накапливались, и первичный океан, достиг консистенции горячего жидкого бульона. Первые предшественники жизни располагали пищей в больших количествах, у них не было соперников, с которыми им нужно было вести борьбу за существование. Кислорода было немного, и первые организмы начали жизнь как анаэробные существа, существуя за счет брожения. Так зародыш цыпленка в первые 2-3 дня после оплодотворения использует очень мало кислорода, а добывает всю энергию, необходимую ему для роста, сбраживая сахар в молочную кислоту, подобно тем бактериям, которые вызывают скисание молока. Впоследствии было показано, что характерная для эмбриональных клеток способность к неограниченному росту сочетается у них с другой эмбриональной чертой – добыванием энергии за счет брожения.
Прошло еще несколько сотен миллионолетий, и самые крупные звезды после истощения запасов водорода начали взрываться. При этом давление и температура в недрах звезды достигали колоссальных величин. Это создавало необходимые условия для синтеза тяжелых элементов. Все элементы тяжелее гелия, в том числе необходимые для жизни углерод,
кислород
, азот, фосфор, сера и др., могли образоваться лишь во время таких взрывов. Звезды первого поколения стали фабрикой по производству атомов, необходимых для будущей жизни.
Первичным источником энергии, который используется на тепловых электростанциях, является ископаемое топливо органического происхождения. Горючие вещества, входящие в состав топлива, – углерод С, водород Н и сера S (за исключением небольшой части серы, содержащейся в минеральной массе топлива – сульфатная сера). Кроме горючих веществ, в состав топлива входят
кислород
О (поддерживает горение, но теплоты не выделяет) и азот N (не участвующий в реакциях горения инертный газ). Кислород и азот иногда называют внутренним балластом топлива, в отличие от внешнего балласта, к которому относят золу и влагу.
Крупные звезды, многие из которых гораздо больше нашего Солнца, с течением времени исчерпывают громадные запасы водорода, содержащегося в их ядрах. Однако чрезвычайно высокое внутреннее давление и тепловая энергия продолжают поддерживать ядерный синтез. Атомы гелия в звездном ядре превращаются в углерод – необходимый элемент для возникновения жизни, состоящий из шести протонов, и одновременно продолжаются всплески ядерной энергии, вызывающие водородный синтез в сферическом слое, окружающем ядро звезды. Затем из углерода синтезируется неон, из которого рождается
кислород
, затем формируется магний, потом кремний, сера и т. д. Постепенно звезда приобретает структуру луковицы, в которой ядерный синтез образует один за другим слои из различных элементов. Ядерный синтез все ускоряется до тех пор, пока не наступает фаза образования железа, которая длится не более одного дня. К этому времени, много миллионов лет спустя после Большого взрыва, во многих звездах в процессе ядерного синтеза завершается цикл формирования первых 26 элементов периодической системы.
При склеивании большое значение имеет еще одна разновидность межмолекулярного взаимодействия – водородная связь. По характеру и величине действующих сил она близка к электростатическому взаимодействию и может возникать между непосредственно не связанными группами внутри одной и той же молекулы, между молекулами одного и того же соединения и между молекулами различных соединений, содержащих водород,
кислород
, азот, хлор. Ее действие проявляется на расстоянии до 2,5–2,8 А. Гидрофильность (способность хорошо смачиваться водой) поверхности древесины, имеющая важное значение для склеивания, частично обусловлена образованием водородных связей между молекулами воды и гидроксильными группами молекул целлюлозы. Эту связь можно представить общей для многих веществ схемой (рис. 1).
И все же алюминий нашел практическое применение в качестве топлива. Но не автомобильного, а ракетного. Ведь ракета, в отличие от автомобиля, должна нести в себе не только топливо, но и окислитель (жидкий
кислород
, жидкий тетраоксид азота N2O4 и т. п.). Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для сжигания 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сжигании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при его сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Реакцию алюминия с водой можно осуществлять, например, в двигателях ракеты первой ступени. Расчеты показали, что при этом запас топлива, который требуется для предварительного разгона многоступенчатой ракеты, можно уменьшить в 1,5–2 раза по сравнению с традиционными видами топлива. А на Венере можно было бы вообще не брать на ракету запас окислителя. В атмосфере этой планеты 97 % углекислого газа, в котором алюминий сгорает с выделением 15 000 кДж на 1 кг металла: 2Al 3CO2 = Al2O3 3CO.
Но вероятность образования из перекиси водорода молекул
кислорода
довольно низкая, так как за счет высокой активности атомарного кислорода он в первую очередь используется для нормализации окислительно-восстановительных реакций органических радикалов, требующих меньших энергий, чем для образования молекул кислорода. Указанные реакции происходят одновременно, но с разными энергиями и, соответственно, скоростями, не совпадающими по времени и условиям. Таким образом, в указанных реакциях происходит более сложный равновесный процесс получения молекулярного и атомарного кислорода, который играет главенствующую роль в окислительно-восстановительных процессах, и нарушение его образования приводит к заболеваниям, характер которых не имеет значения, о чем уже упоминалось выше. При этом наблюдается определенная взаимозависимость: активность молекулярного кислорода тем выше, чем больше концентрация атомарного кислорода, и наоборот.
А начнем мы с понятия, выходящего за рамки чистоты, влажности и температуры, но исключительно важного – речь идет о газовом составе воздуха, о том очевидном факте, что воздух – это смесь газов и смесь эта представлена
кислородом
, азотом, углекислым газом, аргоном, водородом и еще кое-чем в незначительных количествах.
И. П. Неумывакин писал: «Сущность дыхания заключается в соединении углерода и водорода органики с
кислородом
воздуха. <…> Вот почему так важно нормальное соотношение углекислого газа и кислорода, ведь его нарушение приводит, как правило, к патологическим изменениям в работе клеток. Вводя в организм недостающую перекись водорода, мы вводим дополнительное горючее, стимулирующее атомарные процессы, происходящие в клетке, побуждая их к началу работы и защите от различных повреждающих факторов. При сбое этого механизма, то есть недостатке кислорода, возникают различные болезни, вплоть до гибели организма. Вот тогда для восстановления баланса кислорода, стимуляции окислительных процессов и активизации собственного атомарного кислорода и нужно использовать перекись водорода»[3].
Химический состав воды – это возможная причина заболеваний неинфекционной природы. Основы нормирования показателей безвредности химического состава питьевых вод разберем далее. Индифферентные химические вещества в воде Железо двух– или трехвалентное содержится во всех естественных водоисточниках. Железо – необходимая составная часть животных организмов. Оно используется для построения жизненно важных дыхательных и окислительных ферментов (гемоглобина, каталазы). Взрослый человек получает в сутки десятки милиграммов железа, поэтому количество поступающего с водой железа не имеет существенного физиологического значения. В подземных водах чаще находят двухвалентное железо. Если воду качают, то, соединяясь на поверхности с
кислородом
воздуха, железо переходит в трехвалентное, и вода приобретает бурый цвет. Таким образом, содержание железа в питьевой воде лимитируется влиянием на мутность и цветность. Допустимой концентрацией по стандарту является не более 0,3 мг/л, для подземных источников – не более 1,0 мг/л.
Компоненты вина, составленные из основных органогенов: водорода,
кислорода
, азота, углерода, являются питательными, так как принимают участие в пластических процессах и обмене веществ. Хотя содержание азотистых веществ невысоко, ценными для организма являются аминокислоты, которых в сухих винах найдено до 19.
Другой многочисленный класс веществ, хорошо раст–воримых в воде, включает такие полярные органиче–ские соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спир–ты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с поляр–ными функциональными группами этих веществ, на–пример с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом
кислорода
карбонильной группы альдеги–дов и кетонов. Ниже приведены примеры водородных связей, важных для растворимости веществ в биологи–ческих системах. Вследствие высокой полярности во–да вызывает гидролиз веществ.
Вода – самое распространенное вещество в биосфере. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и атома
кислорода
, дипольна по структуре. Вода может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. В жизни человека вода имеет огромное значение, в частности, в обеспечении нормального течения физиологических процессов в организме (пищеварения, выделения, дыхания, зрения, терморегуляции). Вода является универсальным растворителем, средой и участником биохимических реакций, участвует и способствует сохранению коллоидного состояния плазмы крови. Вода нужна для поддержания чистоты тела, жилищ, общественных зданий, улиц и площадей, организации отопления и удаления нечистот, мытья посуды, кухонного инвентаря, сырых овощей, ягод и фруктов, кулинарной обработки пищи. Широко используется вода минеральных подземных источников в качестве лечебного средства при многих заболеваниях. Издавна воду применяли для закаливания организма.
Органолептические свойства воды формируют природные и антропогенные факторы. Запах, привкус, окраска и мутность являются важными характеристиками качества питьевой воды. Причины появления запахов, привкуса, цветности и мутности воды весьма разнообразны. Для поверхностных источников это в первую очередь почвенные загрязнения, поступающие с током атмосферных вод. Запах и привкус могут быть связаны с цветением воды и с последующим разложением растительности на дне водоема. Вкус воды определяется ее химическим составом, соотношением отдельных компонентов и количеством этих компонентов в абсолютных величинах. Это особенно относится к высокоминерализованным подземным водам в силу повышенного содержания в них хлоридов, сульфатов натрия, реже – кальция и магния. Так, хлорид натрия обуславливает соленый вкус воды, кальций – вяжущий, а магний – горьковатый. Вкус воды определяется и газовым составом: 1/3 всего газового состава составляет
кислород
, 2/3 – азот. В воде очень небольшое количество углекислого газа, но роль его велика. Углекислота может быть представлена в воде в различных формах:
Вторым каналом является канал газового обмена через легкие. Через них человек пропускает большое количество газообразных веществ, включая
кислород
, азот, пары воды, ароматические вещества деревьев, растений. Только кислорода усваивается легочной тканью до нескольких миллиграммов за один вдох. Это и понятно: общая площадь легочной ткани за счет альвеол составляет около 100 м2. Кроме того, легкие усваивают и пары воды, когда организм сильно обезвожен. Это дает возможность спастись при отсутствии питьевой воды.
Присутствие пара в альвеолах объясняет, почему парциальное давление
кислорода
в этих воздушных пузырьках ниже, чем в атмосфере (кроме того, кислород постоянно расходуется на нужды организма). Этим же фактором определяется физический предел высоты, которой может достичь человек, даже дыша чистым кислородом. Нижняя граница барометрического давления, при котором поддерживается нормальная концентрация кислорода в легких (100 торр), при дыхании чистым кислородом соответствует примерно 10 400 м, что равно высоте полета большинства пассажирских лайнеров. На большей высоте выжить тоже можно, поскольку при учащенном дыхании выпускается больше углекислого газа и освобождается место под кислород. Однако уже на высоте 12 200–13 700 м кислорода вырабатывается недостаточно, и человек теряет сознание. Выше 18 900 м при температуре тела кровь «закипает», т. е. фактически испаряется. Тем самым объясняется, почему для подобных высот и космических путешествий необходим герметичный скафандр или капсула с автономной системой подачи воздуха (см. гл. 6).
Железобактерии поселяются на неровностях внутренней поверхности труб, образуя скопления (колонии), окруженные оболочками и нитевидными волокнами из гидрата окиси железа. Поверхность труб под этими колониями в меньшей степени омывается водой и растворенным в ней
кислородом
, чем в свободных зонах. Это приводит к образованию разности потенциалов между участками поверхности, покрытыми колониями и свободными от них; в местах с более положительными значениями потенциала железо теряет электроны, образуя трехвалентный ион, который в присутствии воды превращается в ржавчину – Fe(OH)3. Таким образом, микроорганизмы вызывают не только биокоррозию, но и, как в данном примере, могут способствовать возникновению процесса электрохимической коррозии.
Поведение воды «нелогично». Получается, что переход воды из твердого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение. Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками
кислород
– водород – 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными ее молекулами. Атомы водорода в молекуле H2О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярна плоскости атомов той же молекулы H2О.
Обычно полезной для питья считается артезианская вода, поступающая из глубинных водоносных слоев, но это тоже не всегда правильно. Польза такой воды определяется слоями земли, через которые она прошла, впитав в себя различные вещества. Как правило, она обогащена минеральными солями, в том числе ионами двухвалентного железа. При контакте с
кислородом
(воздухом) оно окисляется до трехвалентного, которое при обычных условиях выпадает в виде осадка, воспринимающегося как рыжая «муть».
Круговорот
кислорода
. Круговорот О2 очень сложный цикл из-за большого числа его участников. В него вовлечено большое количество представителей органического и неорганического мира, а также вода, растворяющая кисло род. Кислород, содержащийся в литосфере в виде оксидов, в круговорот не входит. При нормальных условиях в 1 л воздуха содержится 210 мл кислорода, в 1 л воды 8–9 мл и его содержание зависит от глубины и температуры. На рис. 5, отчетливо видна корреляция растворимости О2 с температурой. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Для частиц, размеры d, которых сравнимы с длинами волн видимой части спектра (d?λ) величина рассеянного светового потока Фрас зависит от площади рассеиваю щей поверхности S частицы, пути светового потока ?x, концентрации рассеивающих частиц n.
Физические свойства
При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.
1 л его при нормальных условиях имеет массу 1,429 г., то есть немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0 °C,2,09 мл/100 г при 50 °C) и спирте(2,78 мл/100 г при 25 °C).
Межатомное расстояние — 0,12074 нм. Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.
Жидкий кислород кипит под давлением 101,325 кПа при температуре −182,98 °C и представляет собой бледно-голубую жидкость. Критическая температура кислорода 154,58 К (-118,57 °C), критическое давление 4,882 МПа[17].
Твёрдый кислород (температура плавления −218,35 °C) — синие кристаллы.
Известны 6 кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:
- α-О2 — существует при температуре ниже 23,65 K; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейкиa=5,403 Å,b=3,429 Å,c=5,086 Å;β=132,53°[18].β-O2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 K; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å,α=46,25°[18].γ-O2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 K; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å[18].
Ещё три фазы существуют при высоких давлениях:
Фториды кислорода
- 2F2 2NaOH⟶2NaF H2O OF2↑{displaystyle {ce {2F2 2NaOH -> 2NaF H2O OF2 ^}}}
- F2 O2⟶O2F2{displaystyle {ce {F2 O2 -> O2F2}}}
Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.
В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон). Как установили в 1899 годуПьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O2 переходит в O3[23][24].
Химические свойства
Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона, фтора (с фтором кислород образует фторид кислорода, так как фтор более электроотрицателен, чем кислород).
- 4Li O2⟶2Li2O{displaystyle {ce {4Li O2 -> 2Li2O}}}
- 2Sr O2⟶2SrO{displaystyle {ce {2Sr O2 -> 2SrO}}}
Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:
- 2NO O2⟶2NO2↑{displaystyle {ce {2NO O2 -> 2NO2 ^}}}
Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:
- 2C6H6 15O2⟶12CO2 6H2O{displaystyle {ce {2C6H6 15O2 -> 12CO2 6H2O}}}
- CH3CH2OH 3O2⟶2CO2 3H2O{displaystyle {ce {CH3CH2OH 3O2 -> 2CO2 3H2O}}}
При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:
- CH3CH2OH O2⟶CH3COOH H2O{displaystyle {ce {CH3CH2OH O2 -> CH3COOH H2O}}}
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета.
Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже #Фториды кислорода).
Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.
- 2Na O2⟶Na2O2{displaystyle {ce {2Na O2 -> Na2O2}}}
- 2BaO O2⟶2BaO2{displaystyle {ce {2BaO O2 -> 2BaO2}}}
- H2 O2⟶H2O2{displaystyle {ce {H2 O2 -> H2O2}}}
- Na2O2 O2⟶2NaO2{displaystyle {ce {Na2O2 O2 -> 2NaO2}}}
- K O2⟶KO2{displaystyle {ce {K O2 -> KO2}}}
- 3KOH 3O3⟶2KO3 KOH⋅H2O 2O2↑{displaystyle {ce {3KOH 3O3 -> 2KO3 KOH * H2O 2O2 ^}}}
- PtF6 O2⟶O2PtF6{displaystyle {ce {PtF6 O2 -> O2PtF6}}}
В этой реакции кислород проявляет восстановительные свойства.
Электролиз водных растворов
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза разбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):
- 2H2O→e−2H2↑ O2↑{displaystyle {ce {2H2O ->[e^-] 2H2 ^ O2 ^}}}
![{displaystyle {ce {2H2O ->[e^-] 2H2 ^ O2 ^}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8db728b3843f8a1cdd2022f9fc927b902a80673f)