Кисень як проста речовина: властивості та застосування

Кисень є одним із найпоширеніших елементів на Землі. Він входить до складу повітря, води, гірських порід та живих організмів. Кисень грає найважливішу роль процесах дихання і горіння. Розглянемо докладніше властивості цього дивовижного елемента.

Алотропні модифікації

Кисень як хімічний елемент може утворювати кілька простих речовин. Це називається алотропией. У кисню виявлено дві алотропні модифікації – кисень та озон.

Кисень

Найбільш поширена та стабільна форма існування кисню як простої речовини. Молекула кисню складається із двох атомів (O2). За нормальних умов це безбарвний газ без запаху та смаку.

• Температура кипіння рідкого кисню: -183°C
• Температура плавлення твердого кисню: −219°C
• Щільність газоподібного кисню вища, ніж у повітря
• Слабко розчинний у воді

Кисень як проста речовина підтримує горіння та дихання. Наприклад, тліюча скіпка, поміщена в посудину з киснем, яскраво спалахує.

Озон

Молекула озону складається із трьох атомів кисню (O3). Це газ синього кольору із різким специфічним запахом.

• Температура плавлення: −192°C
• Температура кипіння: -112°C
• У 7 разів краще розчинний у воді, ніж кисень
• Отруйний для людини та тварин

Озоновий шар у верхніх шарах атмосфери захищає землю від жорсткого ультрафіолетового випромінювання. У процесі поглинання UV-променів озон перетворюється на звичайний кисень.

Отримання

У лабораторних умовах кисень можна одержати розкладанням таких сполук, як перманганат калію, пероксид водню або оксид ртуті (II):

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2

Промислові методи виробництва кисню:

Перший спосіб дає 99,5% чистий кисень, другий – кисень високої чистоти (до 99,9%).

Застосування

Завдяки своїм унікальним хімічним та фізичним властивостям, кисень як проста речовина знайшов широке застосування у різних галузях.

Металургія

У металургії кисень використовують для інтенсифікації плавки металів, збільшення продуктивності мартенівських печей. Також застосовують киснево-факельне різання та зварювання металів.

Медицина

Медичний кисень застосовують для лікування багатьох захворювань, пов'язаних з кисневим голодуванням тканин та гіпоксією: астма, інфаркт, інсульт та ін. Також кисень використовують у реанімаційних заходах.

Кисень є найважливішим біогенним елементом, що забезпечує дихання та життєдіяльність людини.

Харчова промисловість

У харчовій промисловості кисень застосовують як харчову добавку E948. Він використовується у виробництві напоїв як піноутворювач.

Біологічна роль

Кисень відіграє виключно важливу роль у природі та житті на Землі.

Кисень як проста речовина бере участь у диханні рослин, тварин та людини. Він необхідний для роботи легенів та серця. Поступаючи з повітрям в організм людини, кисень окислює органічні речовини, вивільняючи енергію для життєдіяльності клітин та тканин.

Також кисень підтримує процеси горіння та окислення у природі. Близько 20% обсягу повітря становить кисень.

Історія відкриття

Кисень як хімічний елемент було відкрито наприкінці XVIII століття одночасно кількома вченими.

У 1774 році англійський хімік Джозеф Прістлі отримав кисень шляхом нагрівання оксиду ртуті.Він назвав газ "дефлогістованим повітрям" і не одразу зрозумів, що відкрив новий хімічний елемент.

Приблизно водночас кисень було виділено шведським аптекарем Карлом Шееле. Він назвав газ "вогненним повітрям".

Остаточно властивості кисню як хімічного елемента було встановлено французьким хіміком Антуаном Лавуазьє у 1775-1777 роках. Він дав елементу назву oxygen («кислотообразующий»).

Видобуток та виробництво

Для промислового виробництва кисню використовують два основні методи - поділ рідкого повітря та електроліз води. Частка кожного методу у світовому виробництві кисню приблизно однакова.

У Росії її близько 60% кисню виробляється шляхом ректифікації рідкого повітря. Інші 40% - електролізом води. Найбільші російські виробники кисню - Лінде Газ Рус, Праксаїр, Аїр Liquide.

Транспортування та зберігання

Для транспортування та зберігання кисень використовують у стислому або зрідженому вигляді. Стиснутий кисень перевозять у сталевих балонах під тиском близько 15 МПа. Для його скраплення використовують детандерні установки.

Рідкий кисень зберігають у спеціальних термоізольованих ємностях Дьюара. Температура кипіння рідкого кисню -183 °C. При нормальному тиску із 1 літра рідкого кисню утворюється приблизно 860 літрів газу.

Домішки

Основні домішки, що містяться в технічному кисні - азот, аргон та водяні пари. Їхня сумарна кількість зазвичай не перевищує 0,5%. У медичному кисні концентрація домішок ще нижча.

Наявність сторонніх газів може негативно позначатися процесі зварювання чи різання металів киснем. А для медичного застосування потрібний особливо чистий кисень (не менше 99,5%).

Фізичні властивості

При нормальному тиску кисень перетворюється на рідкий стан при температурі -183°C.Температура кипіння рідкого кисню -183 °C.

Твердий кисень є блакитно-білими кристалами. Його температура плавлення -218,79 ° C, температура кипіння -182,96 ° C.

Токсична дія

Тривале вдихання чистого кисню при підвищеному тиску може токсично впливати на організм людини. Спостерігається біль голови, нудота, пошкодження легень.

Однак при нормальному атмосферному тиску суміші, що містять до 60% кисню, можна безпечно вдихати тривалий час.

Кисень у мистецтві та культурі

Незважаючи на поширеність кисню в природі, його відкриття стало одним із найбільших наукових досягнень людства. Це відкриття започаткувало сучасну хімію та глибоке розуміння процесів життєдіяльності.

Образ кисню часто фігурує у творах світової культури як символ життя та чистоти. Наприклад, у фільмі "Матриця" кисень символізував вихід у реальний світ.

Роль кисню у забрудненні атмосфери

Хоча кисень не є парниковим газом, він відіграє певну роль у хімічних процесах забруднення атмосфери. Наприклад, під дією сонячного світла кисень вступає у реакції з викидами транспорту та промислових підприємств.

Освіта озону

Взаємодія кисню з оксидами азоту на сонячному світлі призводить до утворення озону - одного з компонентів смогу:

Підвищена концентрація озону у приземному шарі атмосфери негативно впливає на здоров'я людей та стан рослин.

Кислотні дощі

Кисень також бере участь у освіті кислот, які викликають кислотні дощі. Наприклад, оксиди сірки та азоту, потрапляючи в атмосферу, окислюються киснем з утворенням відповідних кислот:

2SO2 + O2 → 2SO3 2NO 2 + O2 → 2NO 3

Ці кислоти потім вимиваються з хмар дощем, завдаючи шкоди екосистемам та матеріалам.

Кругообіг кисню в біосфері

У біосфері існує кругообіг кисню між живими організмами, атмосферою, гідросферою та літосферою.

Основними процесами цього циклу є:

1. Фотосинтез рослин, що виділяє кисень
2. Дихання рослин, тварин та мікроорганізмів, що поглинає кисень
3. Горіння органічних речовин в атмосфері та ґрунті за участю кисню

Завдяки цьому кругообігу підтримується відносна сталість вмісту кисню в повітрі.

Проблема виснаження озонового шару

Хоча загальний вміст кисню в атмосфері практично не змінюється, йде виснаження його озонової форми. Це пов'язано з надходженням в атмосферу хлор-і бромсодержащих сполук.

Зменшення озонового шару призводить до збільшення ультрафіолетової радіації на Землі. Це негативно позначається на людині, тваринах та рослинах.

Проблеми забруднення киснем

Хоча чистий кисень не токсичний, його сполуки можуть забруднювати атмосферу та гідросферу.

Наприклад, в результаті антропогенної діяльності у водоймища потрапляють надмірну кількість нітратів та фосфатів. Це призводить до евтрофікації – порушення кисневого балансу у водних екосистемах.

Хімічні властивості кисню - характеристика, будова та основні реакції

1772 року шведський хімік Шееле відкрив елемент кисень. Хімічні властивості цієї речовини виявилися справді унікальними: він реагує практично з усіма металами (крім золота та платини), взаємодіє з неметалами, органічними та неорганічними речовинами. Пізніше, в 1774 році, це довів і англійський вчений Прістлі.

Знаходження в природі та фізичні властивості

Кисень (формула O2) - елемент, який найпоширеніший у земній корі (його ваговий вміст становить 49,13%). Також він міститься в повітрі, де його 23%, входить до складу води (88,9%), у всіх оксидах та кисневмісних солях. Загальна характеристика кисню за звичайних умов:

• безбарвний газ;
• не має запаху;
• погано розчинний у воді (як і в інших розчинниках);
• зріджується при -183°C, а твердне при -219°C.

Примітно, що в рідкому та твердому стані O2 набуває кольору: він стає блакитним. А ще він притягується магнітом.

У таблиці періодичної системи знаходиться у головній підгрупі (класі) VI групи. Елементи, розташовані тут, на зовнішньому електронному шарі мають по 6 електронів, тому можуть або приєднувати 2 електрони або (крім кисню) віддавати 4 або 6 електронів. Саме цим і пояснюються їхні фіз. та хім. властивості.

За нормальних умов чистий кисень малоактивний, але у присутності води його реакційна здатність посилюється. Реакції, що протікають за участю цієї речовини, називають горінням. До цього процесу відноситься і іржавіння, а також дихання (повільне горіння).

Примітка: хімічна сутність дихання полягає у поєднанні вуглецю та водню органічних речовин з киснем.

Хімічні характеристики та сполуки

З точки зору хімії, цей елемент типовий активний неметал. У всіх сполуках він виявляє ступінь окиснення -2 (виключення реакції з фтором). Як може протікати взаємодія речовин із киснем:

• Рівняння взаємодії із металами. 2Ca + O2 → 2CaO (оксид кальцію або негашене вапно); 4Al + 3O2 → 2Al2O3.
• Реакції з неметалами - у результаті утворюються несолетворні оксиди. S+O2 → SO2 (сірчистий газ); N2 + O2 → 2NO (окис азоту).

Окрім цих речовин, кисень добре вступає в реакції з органічними та неорганічними сполуками (із сіркою, вуглецем, сульфідами металів — тобто із сполуками, що горять в атмосфері O2). Зі складними речовинами взаємодія протікатиме за планом (реакції горіння):

Довідка: в атомарному стані елемент активніший, ніж у молекулярному. Саме на цій властивості засноване застосування кисню як відбілюючого агента - так легше руйнуються органічні речовини, що фарбують.

У молекулярному стані кисень може існувати у вигляді O2 та озону O3, тобто для нього характерне явище алотропії (існування декількох простих речовин одного й того ж хімічного елемента).

Оксиди та пероксиди

Якщо говорити коротко, можна сказати, що кисень утворює два типи сполук: оксиди та пероксиди. У цьому перші з названих можна як похідні води (схема): H-O-H, Na-O-Na. Другі ж можна охарактеризувати як пероксидів водню (теж схематично): H-O-O-H, Na-O-O-Na.

Отримати оксиди можна кількома способами. Перший — це безпосередня взаємодія з елементами, а друга — розкладання при нагріванні гідроксидів або солей. Приклади:

• Безпосередня взаємодія. 2Mg + O2 → 2MgO.
• Розкладання. Cu(OH)2 → CuO + H2O; CaCO3 → CaO+CO2.

З киснем не будуть прямо з'єднуватися галогени, деякі гази та благородні метали. Лужні метали, за винятком літію, при взаємодії утворюватимуть пероксиди або супероксиди: 2Na +O2 → Na2O2; K + O2 → KO2 (супероксид).

Ряд оксидів може з'єднуватися з водою, утворюючи гідроксиди кислот - такі будуть називатися кислотними оксидами або ангідридами. До таких відносяться SO2 (сірчистий ангідрид), CO2 (вугільний ангідрид).Ті кисневі сполуки, які з водою утворюють основи, називають основними.

Частина оксидів має амфотерні властивості. Гідроксиди таких сполук можуть бути кислотами або основами.

Вищі оксиди металів (тобто ті, де він знаходиться у вищому ступені окислення) завжди мають кислотні властивості: V2O5, Cr2O3. Відома також група індиферентних (несолетворних) оксидів: CO, SiO, NO.

Більшість бінарних кисневих сполук є стійкими до нагрівання. А ось оксиди шляхетних металів при підвищенні температури легко розкладаються.

Озон (O3) – алотропна модифікація

Ця сполука утворюється при повільному окисленні вологого білого фосфору, а також при розкладанні концентрованої сірчаної кислоти, перманганату калію, біхромату калію та деяких інших сполук (у цьому випадку O3 – домішка).

У природі озон утворюється при окисленні смоли хвойних дерев, ультрафіолетовому опроміненні кисню у верхніх шарах атмосфери. Якісна реакція на присутність O3 у повітрі:

O3 + 2KI + H2SO4 → I2 + K2SO4 + H2O + O2.

У промисловості його одержують за умови тихого електричного заряду на O2: 3O2 → 2O3. Реакція протікає у спеціальному приладі – озонаторі, чиста речовина відокремлюється зрідженням.

На вигляд — синя рідина, вибухонебезпечна. Від зіткнення з ним ефіри, спирти, скипидар спалахують. Озон руйнує багато органічних речовин, а мікроорганізми взагалі вбиває. Які хімічні властивості характерні для нього:

• при дії на ненасичені органічні речовини O3 приєднується до них за місцем подвійного зв'язку, у результаті утворюються озоніди;
• це сильний окисник.

Завдяки своїм бактерицидним властивостям озон широко застосовується у промисловості: у пивоварному виробництві, для знезараження води.

Отримання кисню

Один із методів отримання – рефракційна перегонка повітря, але такий кисень містить близько 3% інертних газів (в основному це аргон). Інший варіант – ректифікація рідкого повітря. Цей процес можна коротко описати так:

• повітря стискають при тиску 100-200 атм;
• нагрівають, після чого охолоджують у спеціальних аміачних холодильниках;
• охолоджену суміш пропускають через дросель, при виході з якого тиск різко падає.

При розширенні газів температура знижується, повітря зріджується. Ця операція повторюється багаторазово збільшення виходу кінцевого продукту.

Зріджене повітря - суміш газів (в основному це азот і кисень, решта там менше 1%). Через різницю температур кипіння (у N2 вона -195,8°C, кисень закипає при -183°C) з рідкого повітря відганяється азот, а потім O2.

Отриманий цим методом кисень містить домішки азоту, тому його піддають додатковому очищенню.

У лабораторії його можна одержати кількома способами. Основні з них:

• Розкладання бертолетової солі. Реакція протікає при підвищеній температурі та у присутності каталізатора, у ролі якого використовують діоксид марганцю: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
• Процес розкладання перманганату калію під час нагрівання: 2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2.
• Виділяють із нітратів лужних металів: 2NaNO3 → 2NaNO2 + O2.
• У процесі розпаду оксиду ртуті: 2HgO → 2Hg+O2.

Ще один спосіб синтезу - електролізація води у присутності гідроксидів лужних металів, наприклад, KOH. Ці речовини додаються збільшення електропровідності.

Застосування та промислове значення

Завдяки своїм властивостям кисень широко застосовується у техніці. У присутності цього елемента окислювальні процеси протікають набагато інтенсивніше, ніж у простому повітрі. У цьому підвищується температура полум'я. Тому O2 активно застосовується для інтенсифікації окислення в хімічній та металургійній промисловості (виплавка чавуну та сталі, випал сульфідних руд, різання металів та інше).

Суміші рідкого кисню з горючими речовинами (вуглець, сірка, тирса) під назвою оксиліквіти використовуються як вибухова речовина в гірничій та гірничодобувній промисловості (при проведенні гірничо-вибухових робіт). Чистий O2 застосовується в медицині (при лікуванні бронхіальної астми, органів шлунково-кишкового тракту - приготування спеціальних коктейлів та інше), в кисневих приладах при роботі під землею та під водою, на великих висотах. Незамінний він у процесі виробництва ракетного палива (окислювач).

Схожі записи: