Кисень: фізичні та хімічні властивості

Статтю написано Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Познавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета, як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою

Зміст:

Історія відкриття

• У 1771 шведський хімік Карл Шееле дослідним шляхом досліджував склад повітря, і визначив, що повітря складається з двох основних газів: одним із цих газів був азот, а другим, власне кисень, правда на той час сама назва «кисень» ще не з'явилася в науці .
• У 1775 році французький вчений А. Лувазьє дав назву відкритому Шееле газу - кисень, він же оксиген в латині, саме слово "оксиген" означає "що породжує кислоти".
• За рік до офіційних «іменин кисню», в 1774 англійський хімік Прістлі шляхом розкладання ртутного оксиду вперше отримує чистий кисень. Його досліди підкріплюють відкриття Шееле. До речі, сам Шееле також намагався отримати кисень у чистому вигляді шляхом нагрівання селітри, але у нього не вийшло.
• Більш ніж через сторіччя 1898 року англійський фізик Джозеф Томпсон вперше змусив громадськість замислитися про те, що запаси кисню можуть закінчитися внаслідок інтенсивних викидів вуглекислого газу в атмосферу.
• У цьому ж році російський біолог Климент Тімірязєв, дослідник фотосинтезу, відкриває властивість рослин виділяти кисень.

Хоча рослини і виділяють кисень в атмосферу, але проблема поставлена ​​Томпсоном про можливу нестачу кисню в майбутньому залишається актуальною і в наш час, особливо у зв'язку з інтенсивною вирубкою лісів (постачальників кисню), забрудненням навколишнього середовища, спалюванням відходів та ін. Більше про це ми писали у минулій статті про екологічні проблеми сучасності.

Значення у природі

Саме наявність кисню, у поєднанні з водою, призвела до того, що на нашій планеті стало можливим виникнення життя. Як ми помітили вище, основними постачальниками цього унікального газу є різні рослини, у тому числі найбільша кількість кисню, що виділяється, припадає на підводні водорості. Виділяють кисень та деякі види бактерій. Кисень у верхніх шарах атмосфери утворює озонову кулю, яка захищає всіх мешканців Землі від шкідливого ультрафіолетового сонячного випромінювання.

Будова молекули

Молекула кисню складається з двох атомів, хімічна формула має вигляд₂. Як утворюється молекула кисню? Механізм її утворення ковалентний неполярний, тобто за рахунок усуспільнення електроном кожного атома. Зв'язок між молекулами кисню також ковалентний і неполярний, при цьому він подвійний, адже у кожного з атомів кисню є по два неспарені електрони на зовнішньому рівні.

Такий вигляд має молекула кисню, завдяки своїм характеристикам вона дуже стійка. Для багатьох хімічних реакцій за участю потрібні спеціальні умови: нагрівання, підвищений тиск, застосування каталізаторів.

Фізичні властивості

• Насамперед, кисень є газом, з якого складається 21% повітря.
• Кисень не має ні кольору, ні смаку, ні запаху.
• Може розчинятися в органічних речовинах, поглинатися вугіллям та порошками металів.
• Температура кипіння кисню становить -183°С.
• Щільність кисню дорівнює 0,0014 г/см3

Хімічні властивості

Головною хімічною властивістю кисню є, звичайно, його підтримка горіння. Тобто, у вакуумі, де немає кисню, вогонь не можливий. Якщо ж у чистий кисень опустити тліючу скіпку, то вона загориться з новою силою. Горіння різних речовин це окислювально-відновний хімічний процес, у якому роль окислювача належить кисню. Окислювачі це речовини, «відбирають» електрони в речовин відновників. Відмінні окисні властивості кисню обумовлені його зовнішньою електронною оболонкою.

Валентна оболонка у кисню розташована близько до ядра і як наслідок ядро ​​притягує електрони. Також кисень займає друге місце після фтору за шкалою електронегативності Полінга, тому вступаючи в хімічні реакції з усіма іншими елементами (за винятком фтору) кисню виступає негативним окислювачем. І лише вступаючи у реакції з фтором кисень має позитивний окисний вплив.

Оскільки кисень другий окислювач за силою серед усіх хімічних елементів таблиці Менделєєва, це визначає і його хімічні властивості.

Отримання

Для отримання кисню в лабораторних умовах застосовують метод термічної обробки пероксидів або солей кислотосодержащих кислот. Під впливом високої температури вони розкладаються із виділенням чистого кисню. Також кисень можна отримати за допомогою перекису водню, навіть 3% розчин перекису під дію каталізатор миттєво розкладається, виділяючи кисень.

2KC_lO₃ = 2KC_l + 3O₂↑ - Ось так виглядає хімічна реакція отримання кисню.

Також у промисловості як ще один спосіб отримання кисню застосовують електроліз води, під час якого молекули води розкладаються, і знову таки виділяється чистий кисень.

Використання в промисловості

У промисловості кисень активно застосовується у таких сферах як:

• Металургія (при зварюванні та вирізанні металів).
• Медицина.
• Сільське господарство.
• Як ракетне паливо.
• Для очищення та знезараження води.
• Синтезу деяких хімічних сполук, включаючи вибухові речовини.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Познавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/запитання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або до Фейсбуку, з повагою автор.

Ця стаття доступна англійською мовою Oxygen.