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. повагою автор.

Ця стаття доступна англійською мовою Oxygen.

Пермські вчені розповіли, як кисень допомагає боротися з глобальним потеплінням і чому для цього потрібні водорості та бактерії

Кислород — найважливіший елемент нашої планети. Його широко застосовують у промисловості, науці та медицині, але найголовніше — кисень формує умови для життя на Землі. .

Строматоліти - викопні залишки ціанобактеріальних матів, які відіграли ключову роль у насиченні земної атмосфери киснем / Telestis Scaevinius

«З моменту формування Землі та протягом перших двох мільярдів років її існування в атмосфері Землі практично був відсутній кисень. Оскільки це хімічно активний газ, він одразу вступав у реакцію, утворюючи оксиди — воду та гірські породи. Високий вміст кисню у сучасній атмосфері обумовлено фотосинтезом із кисню (а буває фотосинтез і виділення кисню) і зниженням вулканічної активності. Завдяки цьому поменшало надходження в атмосферу та на поверхню Землі речовин, на окислення яких витрачався кисень, отриманий фотосинтезом», — розповідає Вадим Шаріфулін, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри прикладної фізики Пермського Політеху.

До поширення кисню в повітрі біосфера була переважно анаеробною, тобто представлена ​​організмами без кисневого дихання, при цьому аеробні (що потребують кисню) організми мешкали лише в ізольованих кисневих кишенях. Коли кисень став накопичуватися в атмосфері, аеробні організми стали жити повсюдно, тоді як анаеробні перейшли жити в безкисневі кишені. У результаті призвело до появи складних багатоклітинних форм життя. Поява кисню в атмосфері сформувало озоновий шар, зменшивши надходження ультрафіолетового випромінювання на поверхню Землі, зробивши сушу більш заселеною. Цікаво, що фотосинтезуючі бактерії, що поширилися разом із киснем, витягували з атмосфери вуглекислий газ, що призвело до зниження парникового ефекту, глобального заледеніння та масового вимирання.

Що виробляє більше кисню — ліс чи океан?

Про це розповіла Марія Комбарова, провідний інженер, вчений секретар кафедри охорони навколишнього природного середовища Пермського Політеху.

Ліси не лише виробляють кисень, а й поглинають його. Наприклад, тропічний дощовий ліс має величезну і щільну зелену біомасу, що виробляє велику кількість кисню. При цьому своєрідний мікроклімат, який створюють дощові ліси, сприяє активному розкладанню органіки — опалого листя, відмерлого рослини. Бактерії актиноміцети, гриби та комахи, які харчуються цією органікою, споживають кисень приблизно в тому ж обсязі, що виробляється тропічним лісом.

Марія Комбарова, провідний інженер, вчений секретар кафедри охорони довкілля Пермського Політеху / © Прес-служба ПНДПУ

Зовсім інший приклад - листяні діброви та хвойні ліси середньої смуги Росії. Вони також виділяють кисень, однак через клімат розкладання органічної підстилки (який відносно небагато) відбувається не так швидко. Відповідно, кисню на розкладання відмерлого листя і рослин потрібно менше. Чим більше пластина листа, його фотосинтезуюча площа, тим більше дерева виділяє кисню. Так, тополя виробляє стільки ж кисню, скільки 10 беріз. У хвойному лісі процес фотосинтезу триває більший період часу, тому він майже цілорічний. Для порівняння: з гектара хвойного лісу за рік можна одержати 11 тонн кисню, а діброва дасть 18 тонн.

«Функція лісів полягає ще в тому, що вони вловлюють пил і сажу, що ширяє в атмосфері: один гектар листяного лісу за літо «захоплює» 56 тонн забруднень. Дерева їх поглинають і відправляють далі у кругообіг речовин.Тому важливо вирішувати проблеми забруднення повітряного басейну. Викиди великих промислових міст та автотранспорту, стирання дорожнього полотна надають збільшене навантаження на лісопаркові зони, сприяють слабшенню рослин, що призводить до розвитку у них захворювань», — зазначає Марія Комбарова.

Крім кисню, дерева виділяють фітонциди – біологічно активні речовини, які захищають нас від бактеріальних та вірусних інфекцій. Березовий ліс за добу виробляє 3 кг фітонцидів, хвойний бір – п'ять кілограмів, а ялівцевий ліс – 30 кілограмів.

Води світового океану населяє фітопланктон, підводні сади нитчастих, бурих, жовто-зелених та інших водоростей. Фітонциди вони не виділяють, але не менш важливі для кисневого балансу в атмосфері. За науковими даними водоростями виробляється 50-60% всього кисню нашої планети. Фітопланктон населяє океани, моря, прісноводні водоймища. Крім вироблення кисню, він також відповідає за очищення води від важких металів, з'єднань промислових скидів.

«Ворості є також основною кормовою базою для мальків багатьох видів риб. Гине фітопланктон - помирає і величезна маса риби. При забрудненні води змінюється і видовий склад водоростей. Порушується процес їх життєдіяльності, наприклад, найуразливішими є діатомові водорості та жовто-зелені водорості, у разі загибелі яких змінюється мінеральний склад води. На відмерлих водоростях починають рясно розмножуватися бактерії, які споживають життя кисень. У такий спосіб порушується і кисневий баланс.

Євген Бурмістров, математик першої категорії кафедри математичного моделювання систем та процесів та викладач Політехнічної школи ПНДПУ / © Прес-служба ПНДПУ

Слідом за цим чуйні до кисню мікроорганізми, що очищають воду (фільтратори, седиментатори), гинуть. Після їхньої загибелі процес самоочищення водойми порушується або зовсім припиняється. Водойми в подібних випадках можуть навіть припинити своє існування - настільки значним буває замулювання. Тоді вода стає непридатною для пиття, рибництва та сільськогосподарських потреб. Купання в таких водоймищах може призвести до проблем для здоров'я: інфекційних дерматозів, алергічних висипань», — пояснює провідний інженер Пермського Політеху Марія Комбарова.

До скорочення населення водоростей призводить і глобальне потепління. Змінюється температура води, унаслідок чого відбувається зміна видового складу водоростей, і навіть їх чисельності: обсяг то скорочується, то збільшується. При цьому дисбаланс страждає і риба: то від безгодівлі, то від продуктів цвітіння води. Інший важливий фактор - величезні острови сміття, що плавають в океані. Морська вода є агресивним середовищем, яке роз'їдає відходи. З них у воду надходять органіка та інші речовини, які зазвичай негативно змінюють чисельність і різноманітність водоростей і бактерій.

Іноді буває, що в умовах нерозвиненої або застарілої водовідвідної системи стічні води з житлових будинків і підприємств потрапляють у водойми. Викиди містять, наприклад, азот, що виділяється з органічних відходів, і фосфор як один із компонентів миючих засобів.Це є прекрасним живильним середовищем для бактерій та водоростей, які під впливом цих забруднень масово розвиваються у нетиповому видовому складі. Все це також призводить до деградації та загибелі водойм. Для перевірки стічних вод на виробництвах використовують метод біоіндикації. На очисних спорудах вивчають стан активного мулу - спільноти бактерій та мікроорганізмів, що беруть участь у очищенні води.

В останні роки у світі значно збільшився попит на термоелектричні прилади, а саме на елементи Пельтьє. Такий елемент являє собою термоелектричний перетворювач, виконаний .

Аналіз показує, наприклад, у якому стані знаходяться фільтруючі мікроорганізми: чи активні вони, чи живляться нормально і розмножуються. Щоб відновити необхідні мікробні асоціації, мул насичують киснем та поживними речовинами. Біоіндикація застосовується на підприємствах, де утворюються та очищаються стічні води. Ще один метод оцінки якості води – біотестування. У випробувану воду містяться, наприклад, мікроскопічні рачки або водорості. Виявляються небажані зміни, визначається можливість отримання цих мікроорганізмів здорового потомства.

«Я вважаю, що ці методи мають застосовуватись паралельно. Біоіндикація – у процесі очищення, а біотестування – на очищених стічних водах», – робить висновок Марія Комбарова.

Таким чином, якщо на Землі зникнуть ліси, кисень продовжуватиме надходити в атмосферу у великих обсягах. Однак дерева очищають повітря від пилу та сажі, а також виробляють фітонциди, які пригнічують розвиток хвороботворних бактерій.Це робить ліси незамінними для людини.

Кисень на службі у людини

Частка кисню у земній корі сягає 47 відсотків. Він входить до складу багатьох гірських порід як компонент оксиду. Наприклад, пісок та граніт – це оксид кремнію, залізна руда – оксид заліза. Мінерал апатит використовується для виробництва фосфорних добрив, кераміки та скла, а з доломіту роблять, наприклад, декоративну плитку як для облицювання будівель, так і для внутрішнього оздоблення.

Вадим Шаріфулін зазначає, що серед газів кисень має найсильніші магнітні властивості — намагнічується він приблизно в 50 разів краще, ніж гелій і водень. Чим нижча температура кисню, тим сильніші його магнітні властивості. Наприклад, без спеціальних пристроїв можна побачити, як до сильного магніту притягується рідкий кисень (температура його нижче –183 градусів). Визначні магнітні властивості дозволяють визначати концентрацію кисню у сумішах газів за допомогою газоаналізаторів, які застосовуються у наукових дослідженнях, медицині, різних виробництвах, підприємствах видобутку нафти, газу, гірських порід.

Асистент кафедри хімічних технологій Пермського Політеху В'ячеслав Пунькаєв розповідає, що у промисловості кисень отримують зрідженням повітря у холодильних машинах. Азот випаровують, а отриманий чистий кисень застосовують у багатьох галузях промисловості: для модернізації та підвищення ефективності металургійних процесів, при зварюванні та різанні металів, при виробництві сірчаної та азотної кислот, для реактивних двигунів. У чистому кисні горіння протікає інтенсивніше, ніж у повітрі.Багато речовин, які на повітрі не горять зовсім через азот, можуть спалахнути і розплавитися в кисні, наприклад, залізо і сталь. Це полегшує технологію обробки матеріалів.

Вадим Шаріфулін, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри прикладної фізики Пермського Політеху / © Прес-служба ПНДПУ

«Цікаво, що звичайний бавовняний одяг не спалахує від випадкового розряду статичної електрики, але це відбувається в атмосфері з чистим киснем і досить високим тиском. Вся справа у молекулярній природі газу. Газ — це окремі молекули, що стоїть концентрація молекул, то вища ймовірність їх зіткнення і те, що вони вступлять у хімічну реакцію. Наприклад, є такий спосіб запобігання пожежам: у приміщенні підвищують концентрацію азоту до 85 відсотків, тим самим знижуючи концентрацію кисню до 15 відсотків. У таких умовах здорова людина може дихати без шкоди для здоров'я, але той самий папір практично не горить. Тобто горючі молекули паперу мають більшу ймовірність зустрітися з хімічно нейтральним азотом, ніж з киснем», — додає Вадим Шаріфулін.

При цьому надлишок кисню може призвести до передозування. Наприклад, при диханні чистим киснем через 10-15 хвилин настає оніміння і тремтіння губ, яке при більш тривалому впливі переходять у судоми та втрату свідомості. Довге перебування у стані кисневого отруєння може призвести до смерті. Проте саме по собі це отруєння — явище специфічне й у побутових умовах не може статися. Схильні до нього, наприклад, водолази і підводники.

Євген Бурмістров, математик першої категорії кафедри математичного моделювання систем та процесів та викладач Політехнічної школи ПНДПУ, розповів, що за межами земної атмосфери, на космічних станціях, таких як МКС, космонавти оснащені киснем завдяки системам життєзабезпечення, а саме – генераторам кисню. Вони розкладають воду на водень та кисень електролізом. Кисень потім використовується для дихання екіпажу. Звідки на МКС вода? По-перше, її постачають із Землі вантажними кораблями разом із обладнанням та продовольством. По-друге, вода на МКС рециркулюється та повторно використовується. Використана вода проходить через системи очищення та фільтрації, щоб бути знову доступною для споживання. По-третє, вологозбірне обладнання збирає конденсат з атмосфери МКС, спрямовує їх у системи очищення та зберігання.

«На Марсі проблема забезпечення киснем складніша через відсутність готової атмосфери, багатої киснем. Заплановані місії на Марс мають вирішити цю проблему. Один із способів — використання власних систем життєзабезпечення, подібних до тих, що використовуються на космічних станціях, але з більш ефективними технологіями для отримання кисню з доступних ресурсів. Наприклад, місії на Марс можуть включати використання електролізу для вилучення кисню з води, яка може бути знайдена на Марсі у вигляді льоду або підземних ресурсів», — розповідає Євген Бурмістров.

Розглядаються інші методи: наприклад, вирощування рослин чи використання хімічних процесів для вилучення кисню з газових компонентів атмосфери Марса.

Кисень необхідний для виробництва та обробки багатьох матеріалів, що оточують нас щодня.Кисень забезпечує умови для життя на Землі, при цьому вироблення його порушується через шкідливі викиди в атмосферу та водойми. Щоб зберегти біологічний баланс, необхідно особливу увагу приділяти очисним установкам, а також підтримувати здоров'я лісів та мікросинтезуючих фотоорганізмів, що населяють Світовий океан.