Кислород (O): Химичен елемент, жизненоважен за живот и индустрия

Кислороден газ (O
₂) е изолиран от Майкъл Сендивогиус преди 1604 г. Често се смята, че газът е открит през 1773 г. от Карл Вилхелм Шееле в Швеция или през 1774 г. от Джоузеф Пристли в Англия. Обикновено Пристли се смята за главния откривател, тъй като неговият труд е публикуван първи (въпреки че той го нарича "дефлогистичен въздух" и не смята, че това е химичен елемент). През 1777 г. Антоан Лавоазие дава името оксижен на газа. Той е първият човек, който казва, че това е химичен елемент. Освен това е бил прав за това как той помага за протичането на горенето.

Ранни експерименти

Един от първите известни експерименти за това как горенето се нуждае от въздух е проведен от гърка Филон Византийски през II в. пр. В своя труд Pneumatica той пише, че обръщането на съд с главата надолу над горяща свещ и поставянето на вода около този съд означава, че част от водата влиза в съда. Филон смятал, че това се дължи на превръщането на въздуха в класическия елемент огън. Това е погрешно. Дълго време след това Леонардо да Винчи разбрал, че при горенето се изразходва известно количество въздух и това принуждава водата да влезе в съда.

В края на XVII в. Робърт Бойл открива, че за горенето е необходим въздух. Английският химик Джон Мейоу допълва това, като показва, че огънят се нуждае само от част от въздуха. Сега я наричаме кислород (O₂ ). Той установил, че при горене на свещ в затворен съд водата се издига, за да замени една четиринадесета от обема на въздуха, преди да угасне. Същото се случило, когато в кутията била поставена жива мишка. От това той изчислил, че кислородът се използва както за дишането, така и за горенето.

Теория за флогистона

Робърт Хук, Оле Борх, Михаил Ломоносов и Пиер Байен правят опити с кислород през XVII и XVIII век. Никой от тях не е смятал, че това е химичен елемент. Вероятно това се е дължало на идеята за теорията за флогистона. Повечето хора са вярвали, че именно той причинява горенето и корозията.

J. Й. Бехер създава тази теория през 1667 г., а Георг Ернст Щал я допълва през 1731 г. Теорията за флогистона гласи, че всички горими материали се състоят от две части. Едната част, наречена флогистон, се отделя при изгарянето на веществото, което я съдържа.

Смята се, че материалите, които оставят много малко остатъци при горене, като дървото или въглищата, са изградени предимно от флогистон. Смятало се е, че нещата, които корозират, като желязото, съдържат много малко количество. Въздухът не е бил част от тази теория.

Откритие

Полският алхимик, философ и лекар Майкъл Сендивогиус пише за нещо във въздуха, което той нарича "храна на живота", и има предвид това, което днес наричаме кислород. Между 1598 г. и 1604 г. Сендивогиус установява, че веществото във въздуха е същото, което той получава при нагряване на калиев нитрат. Някои хора смятат, че това е откриването на кислорода, докато други не са съгласни с това. Някои твърдят, че кислородът е открит от шведския фармацевт Карл Вилхелм Шееле. Той получава кислород през 1771 г., като нагрява живачен оксид и някои нитрати. Шееле нарекъл получения газ "огнен въздух", защото това бил единственият известен газ, който позволявал горене (по това време газовете се наричали "въздух"). Той публикува откритието си през 1777 г.

На 1 август 1774 г. британският духовник Джоузеф Пристли фокусира слънчева светлина върху живачен оксид в стъклена тръба. От този експеримент той получава газ, който нарича "дефлогистичен въздух". Той установил, че свещите горят по-ярко в този газ, а мишките живеят по-дълго, докато го дишат. След като вдишал газа, Пристли казал, че усещането е като за нормален въздух, но след това дробовете му се чувствали по-леки и леки. Откритията му са публикувани през 1775 г. Често се твърди, че той е открил кислорода, защото откритията му са публикувани първи.

По-късно френският химик Антоан Лавоазие заявява, че също е открил това вещество. Пристли го посещава през 1774 г. и му разказва за своя експеримент. През същата година Шееле изпраща писмо до Лавоазие, в което разказва за своето откритие.

Изследванията на Лавоазие

Лавоазие прави първите основни експерименти върху окисляването. Той е първият човек, който обяснява как работи горенето. Използва тези и други експерименти, за да докаже, че теорията за флогистона е погрешна. Опитал се е също да докаже, че веществото, открито от Пристли и Шееле, е химичен елемент.

При един експеримент Лавоазие установява, че теглото не се увеличава, когато калай и въздух се нагряват в затворен съд. Той също така установил, че въздухът нахлува, когато контейнерът се отвори. След това установил, че теглото на оловото се е увеличило със същото количество, с което се е увеличило теглото на нахлулия въздух. Той публикува откритията си през 1777 г. Той пише, че въздухът се състои от два газа. Единият нарекъл "жизнен въздух" (кислород), който е необходим за горенето и дишането. Другият (азот) нарекъл "азот", което на гръцки означава "безжизнен". (Това все още е името на азота в някои езици, включително във френския.)

Лавоазие преименува "жизнения въздух" на "oxygène", от гръцки думи, означаващи "правене на киселини" или "производство на киселина". Нарекъл го е така, защото е смятал, че кислородът се съдържа във всички киселини, което е погрешно. По-късно химиците осъзнават, че наименованието на газа на Лавоазие е погрешно, но дотогава името е твърде разпространено, за да се промени.

"Кислородът" става име в английския език, въпреки че английските учени са против него.

По-късна история

Теорията на Джон Далтън за атомите гласи, че всички елементи имат един атом, а атомите в съединенията обикновено са самостоятелни. Например той погрешно смята, че водата (H₂ O) има формула само HO. През 1805 г. Жозеф Луи Гей-Люсак и Александър фон Хумболт показват, че водата е съставена от два водородни и един кислороден атом. През 1811 г. Амедео Авогадро правилно определя от какво се състои водата въз основа на закона на Авогадро.

В края на XIX в. учените откриват, че въздухът може да се превърне в течност, а съединенията в него да се изолират чрез компресиране и охлаждане. Швейцарският химик и физик Раул Пикте открива течния кислород, като изпарява серен диоксид, за да превърне въглеродния диоксид в течност. След това го изпарява, за да охлади газообразния кислород и да го превърне в течност. На 22 декември 1877 г. той изпраща телеграма до Френската академия на науките, в която съобщава за откритието си.

Свойства и молекулна структура

При стандартна температура и налягане кислородът няма цвят, мирис или вкус. Той е газ с химична формула O
₂ наречен диоксиген.

Като диоксиген (или просто кислороден газ) два кислородни атома са химически свързани един с друг. Тази връзка може да се нарече по много начини, но просто се нарича ковалентна двойна връзка. Газовият кислород е много реактивен и може да реагира с много други елементи. Оксидите се получават, когато метални елементи реагират с кислород, например железен оксид, който е известен като ръжда. На Земята има много оксидни съединения.

Алотропи

Най-разпространеният алотроп (вид) на кислорода на Земята се нарича диоксиген (O₂ ). Той е втората по големина част от земната атмосфера след динитрогена (N₂ ). Дължината на връзката на O₂ е 121 pm, а енергията на връзката - 498 kJ/mol Заради енергията си O₂ се използва от сложни организми като животните.

Озонът (O₃ ) е много реактивен и уврежда белите дробове, когато се вдишва. Озонът се образува в горните слоеве на атмосферата, когато O₂ се комбинира с чист кислород, получен при разцепването на O₂ от ултравиолетовата радиация. Озонът поглъща много радиация в ултравиолетовата част на електромагнитния спектър и така озоновият слой в горните слоеве на атмосферата предпазва Земята от радиация.

Над озоновия слой (в ниските орбити на Земята) атомният кислород става най-разпространената форма.

Тетраоксигенът (O₄ ) е открит през 2001 г. Той съществува само при екстремни условия, когато върху O₂ се оказва голямо налягане.

Физични свойства

Кислородът се разтваря по-лесно от въздуха във водата, отколкото азотът. ₂Когато има еднакво количество въздух и вода, на всеки 2 молекули N се пада една молекула O (₂съотношение 1:2). Това е различно от въздуха, където съотношението между кислорода и азота е 1:4. Освен това О₂ се разтваря по-лесно в сладка вода, отколкото в морска. Кислородът кондензира при 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) и замръзва при 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Както течният, така и твърдият O₂ са прозрачни със светлосин цвят.

Кислородът е много реактивен и трябва да се пази от всичко, което може да изгори.

Изотопи

В природата има три стабилни изотопа на кислорода. Те са O,¹⁶¹⁷ O и¹⁸ O. Около 99,7% от кислорода е изотопът¹⁶ O.

Случайност

Кислородът е третият най-разпространен елемент във Вселената след водорода и хелия. Около 0,9 % от масата на Слънцето е кислород.

Освен желязото, кислородът е най-разпространеният елемент на Земята (по маса). Той съставлява почти половината (от 46 % до 49,2 %) от земната кора като част от оксидни съединения като силициев диоксид и други съединения като карбонати. Той е и основната част от земните океани, като съставлява 88,8 % от масата им. Газовият кислород е втората най-разпространена част на атмосферата, като съставлява 20,95 % от нейния обем и 23,1 % от нейния обем. Земята е странна в сравнение с другите планети, тъй като голяма част от нейната атмосфера е кислороден газ. Марс има само 0,1 % O
₂ по обем, а на другите планети е по-малко от това количество.

Много по-голямото количество кислороден газ около Земята се дължи на кислородния цикъл. При фотосинтезата водородът се получава от водата, като се използва енергията на слънчевата светлина. При това се отделя кислород. Част от водорода се съединява с въглероден диоксид, за да се получат въглехидрати. След това дишането отнема кислородния газ от атмосферата или водата и го превръща във въглероден диоксид и вода.

Медицински

O₂ е много важна част от дишането. Поради това се използва в медицината. Използва се за увеличаване на количеството кислород в кръвта на човека, за да може да се извършва повече дишане. Това може да доведе до по-бързото им оздравяване, ако са болни. Кислородната терапия се използва за лечение на емфизем, пневмония, някои сърдечни проблеми и всякакви заболявания, които затрудняват приемането на кислород от човека.

Поддръжка на живота

В космическите скафандри се използва O₂ с ниско налягане, който обгръща тялото с газ. Използва се и чист кислород, но при много по-ниско налягане. Ако налягането е по-високо, той би бил отровен.

Индустриални

При топенето на желязна руда в стомана се използват около 55% от кислорода, произведен от хората. За тази цел в рудата се вкарва газ O чрез ₂копие под високо налягане. По този начин от рудата се отстраняват сярата и въглеродът, които не са желани. Те се отделят под формата на серен оксид и въглероден диоксид. Температурата може да достигне до 1700 °C, тъй като това е екзотермична реакция.

Около 25% от кислорода, произведен от хората, се използва от химиците. Етиленът реагира с O₂ , за да се получи етиленов оксид. След това той се превръща в етиленгликол, който се използва за производството на много продукти, като например антифриз и полиестер (от тях могат да се произвеждат пластмаси и тъкани).

Останалите 20 % от кислорода, произведен от хората, се използват в медицината, при рязане и заваряване на метали, за ракетно гориво и за пречистване на вода.

Състоянието на окисление на кислорода е -2 в почти всяко съединение, в което се намира. В няколко съединения окислителното състояние е -1, например в пероксидите. Съединенията на кислорода с други кислородни състояния са много рядко срещани.

Оксиди и други неорганични съединения

Вода (H
₂O) е оксид на водорода. Той е най-разпространеният оксид на Земята. Всички познати живи организми се нуждаят от вода, за да живеят. Водата се състои от два водородни атома, ковалентно свързани с кислороден атом (кислородът има по-висока електроотрицателност от водорода). (това е основният принцип на ковалентната връзка) Между водородните атоми и кислородните атоми на съседните молекули съществуват и електростатични сили (сили на Ван де'р Ваалс). Тези псевдовръзки приближават атомите с около 15 % един до друг в сравнение с повечето други прости течности. Това се дължи на факта, че водата е полярна молекула (Нетно асиметрично разпределение на електроните) поради огънатата си форма, което ѝ придава обща нетна посока на полето, главно поради 2 несвързващи се двойки електрони на оксигена, избутващи свързващите се Н по-далеч един от друг, отколкото линейното разположение с по-ниска енталпия (вж. CO₂ ). Това свойство се използва от микровълните за осцилиране на полярните молекули, особено на водата. То е отговорно за допълнителната енергия, необходима за дисоциацията на H 0. ₂

Поради високата електроотрицателност на кислорода той създава химични връзки с почти всички други химични елементи. Тези връзки водят до образуване на оксиди (например желязото реагира с кислород, като се получава железен оксид). Повърхностите на повечето метали се превръщат в оксиди, когато са на въздух. Повърхността на желязото се превръща в ръжда (железен оксид), когато е дълго време на въздух. В атмосферата има малки количества въглероден диоксид (CO
₂) във въздуха и той се превръща във въглехидрати по време на фотосинтезата. Живите същества го отделят при дишането.

Органични съединения

В много органични съединения има кислород. Някои от класовете органични съединения, които съдържат кислород, са алкохоли, етери, кетони, алдехиди, карбоксилни киселини, естери и амиди. Много органични разтворители също съдържат кислород, като ацетон, метанол и изопропанол. Кислородът се съдържа и в почти всички биомолекули, които се произвеждат от живите същества.

Кислородът също така реагира бързо с много органични съединения при стайна температура или под нея, когато се извършва автоокисление.

Сто милиона тона O₂ се получават от въздуха за промишлени цели всяка година. Индустрията използва два основни метода за производство на кислород. Най-разпространеният метод е фракционната дестилация на втечнен въздух. N ₂се изпарява, а O₂ остава като течност. O₂ е вторият по важност промишлен газ. тъй като е по-икономичен , кислородът обикновено се съхранява и транспортира като течност. Малък стоманен резервоар с вместимост 16 литра вода и работно налягане 139 бара (2015 psi) побира около 2150 литра газ и празен тежи 28 килограма (62 lb). 2150 литра кислород тежат около 3 килограма (6,6 фунта).

Другият основен метод за производство на кислород е чрез преминаване на поток чист, сух въздух през двойка молекулярни сита от зеолит. Молекулярните сита на зеолита поглъщат азота. Така се получава поток от газ, който съдържа 90-93 % кислород.

Кислороден газ може да се получи и чрез електролиза на вода на молекулярен кислород и водород.

В NFPA 704 за кислорода се казва, че сгъстеният кислороден газ не е опасен за здравето и не е запалим.

Токсичност

При високо налягане газовият кислород (O₂ ) може да бъде опасен за животните, включително и за хората. Той може да предизвика конвулсии и други здравословни проблеми. Кислородната токсичност обикновено започва да се проявява при налягане над 50 килопаскала (kPa), което се равнява на около 50 % кислород във въздуха при стандартно налягане (въздухът на Земята има около 20 % кислород).

Преди време недоносените бебета са били поставяни в кутии с въздух с високо съдържание на O₂ . Това е било преустановено, когато някои бебета са ослепели от кислорода.

Дишането на чист О₂ в космическите скафандри не причинява увреждания, тъй като се използва по-ниско налягане.

Горивни и други опасности

Концентрираните количества чист O₂ могат да предизвикат бърз пожар. Когато концентрираният кислород и горивата са близо едно до друго, леко запалване може да предизвика огромен пожар. Всички членове на екипажа на "Аполо 1" са загинали от пожар, защото въздухът в капсулата е съдържал много голямо количество кислород.

Ако течен кислород се разлее върху органични съединения, например дърво, той може да се взриви.

• Въглероден диоксид
• Атмосфера
• Голямо събитие за оксигенация