Характеристика кисню як хімічного елемента та як простої речовини

Кисень (O) займає восьме місце у Періодичній системі хімічних елементів. Тобто його порядковий номер 8. Він стоїть після азоту (N) та перед фтором (F).

Маса атома кисню становить близько 16 а.

Кисень є найпоширенішим Землі хімічним елементом. Він входить до складу води, більшість гірських порід є складовою атмосфери. Тіла живих організмів більше, ніж наполовину, складаються з води, отже містять багато кисню. Крім того, кисень входить до складу органічних молекул (білків, жирів і вуглеводів).

В атмосфері кисень міститься у вигляді простої речовини - газу кисню O₂. Також у верхніх шарах атмосфери є триатомний газ — озон O₃.

Двохтомний кисень (O₂) за звичайних умов газ без кольору та запаху. Він погано розчинний у воді (у 100 літрах води розчиняється 3 літри кисню), зі зниженням температури розчинність трохи підвищується. Саме тому в теплих морях живе менше живих організмів, ніж у помірній зоні, оскільки їм не вистачає кисню для дихання. Кисень перетворюється на синювату рідину при температурі –183 °C, а при температурі –219 °C стає твердою кристалічною речовиною.

Озон (O₃) має запах (його можна відчути після грози як запах «свіжості»). У атмосфері озон утворюється під впливом електричних розрядів. В атмосфері Землі на висоті близько 15 км знаходиться озоновий шар, який захищає живі організми від шкідливих ультрафіолетових променів Сонця.

Кисень досить активний газ. Він підтримує горіння.

Газ кисень на Землі виділяють рослини у процесі фотосинтезу (синтезу органічних сполук з неорганічних).Кисень є побічним продуктом фотосинтезу, проте відіграє дуже важливу роль живих організмів, оскільки використовується для дихання. У процесі дихання відбувається окислення органічних речовин, у своїй виділяється енергія, необхідна життя.

Кисень - що це за речовина

Кисень є хімічним елементом шістнадцятої групи, другого періоду періодичної системи, з атомним номером 8.

Кисень відносять до групи неметалів із вираженою хімічною активністю. Легкий елемент має найменшу масу при розгляді в рамках групи халькогенів. Граючи роль простої речовини, кисень має газоподібний агрегатний стан за умов, що відповідають нормальним значенням. Речовина не має кольору, смаку або запаху.

Киснева молекула містить у своєму складі пару кисневих атомів. У результаті формулу записують як \(O_\) . Тому часто елемент називають дикислородом. У рідкому агрегатному стані кисень набуває світло-блакитного забарвлення. Твердий кисень кристалізований і має світло-синє забарвлення.

Обережно! Якщо викладач виявить плагіат у роботі, не уникнути великих проблем (аж до відрахування). Якщо немає можливості написати самому, замовте тут.

Науці відомі й інші алотропні форми кисню. До таких відносять озон, який є газоподібною речовиною блакитного забарвлення з характерним специфічним запахом. Молекула озону включає до свого складу три кисневих атоми, тому формулу речовини записують як \(O_\) .

Історія відкриття

За офіційною версією, відкриття кисню належить хіміку з Англії Джозефу Прістлі. Досвід був виконаний 1 серпня 1774 і полягав у розкладанні оксиду ртуті, поміщеного в герметичний резервуар.Вчений спрямовував на вміст судини сонячне проміння, використовуючи досить потужну лінзу. Хімічну формулу цієї реакції можна записати таким чином:

Варто відзначити, що Прістлі не вдалося відразу виявити освіту в результаті реакції нової простої речовини. На думку вченого, досвідченим шляхом було отримано якусь частину повітря в газоподібному агрегатному стані, названу «дефлогістованим повітрям». Власним відкриттям Прістлі поділився з відомим хіміком з Франції Антуаном Лавуазьє, якому через рік в 1775 вдалося дійти висновку про входження кисню до складу повітря, кислот, а також інших багатьох речовин.

Дещо раніше в 1771 році досліди з отриманням кисню ставив шведський хімік Карл Шееле. Вчений прожарював селітру та сірчану кислоту для подальшого розкладання отриманої сполуки у вигляді оксиду азоту. Утворений газ отримав назву «вогняне повітря». Відкриття було описано 1777 року в опублікованій науковій праці. Аналогічно Шееле розповів про зроблений досвід Лавуазьє.

Найважливішою стадією експериментального процесу, спрямованого, як виявилося у майбутньому, на відкриття елемента кисню, вважають праці хіміка з Франції П'єра Байєна. Публікації вченого описують досвід, сенс якого полягає в окисленні ртуті та подальшому розкладі отриманого оксиду. За підсумками дослідницької діяльності з'ясувати природу утвореної газоподібної речовини вдалося А. Лавуазьє.

За допомогою практичних напрацювань авторства Прістлі та Шееле вчений Лавуазьє систематизував інформацію, зробив унікальну роботу, що представляє величезну наукову цінність. Таким чином, була спростована флогістонна теорія, а наука хімія отримала активний розвиток, позбавившись її судження, що гальмувала її.

Експерименти Лавуазьє служили повним спростуванням досвіду зі спалювання різних речовин та теорії флогістону. У публікації наукових досліджень було подано вказівки на вагу спалених елементів. Маса золи більша порівняно з вихідною вагою елемента. На підставі цього Лавуазьє зробив висновок, що процес горіння супроводжується хімічною реакцією, тобто окисленням, речовини. Тому маса початкового матеріалу зростає. Це твердження суперечило теорії флогістону і ставило під сумнів її коректність.

Виходячи з наведених вище фактів, можна дійти висновку про рівноцінний науковий внесок у відкриття кисню вчених Прістлі, Шееле, Лавуазьє.

Звідки походить назва

На початку XIX століття елемент звався «кислотвор». Термін «кисень» у російській виник, завдяки певною мірою М. У. Ломоносову. Вчений ввів це поняття у побут у комплексі з іншими неологізмами. У результаті слово «кисень» набуло сенсу аналога поняття «оксиген», яке було запропоновано А. Лавуазьє. У перекладі воно означає «що породжує кислоту». Найменування пояснюється вихідним значенням "кислота". Цей термін раніше служив як позначення речовин, які в сучасній науці називають «оксидами».

Фізичні властивості

У нормальних умовах кисень має газоподібний агрегатний стан, не має будь-якого забарвлення, смаку або кольору. У такому стані один літр речовини важить 1,429 г. Таким чином, маса кисню більша порівняно з аналогічними показниками повітря. Речовина відрізняється низьким ступенем розчинності у водному середовищі та спирті.Однак кисень добре розчиняється в сріблі, якщо воно знаходиться в розплавленому вигляді, і перфторованих вуглеводнях.

Відстань, яку видалені атоми в молекулі кисню, становить 0,12074 нм. Речовину відносять до групи парамагнетиків. Якщо кисень набуває рідкого агрегатного стану, його можна притягнути магнітом. У процесі нагрівання кисню у газоподібному стані протікає оборотна реакція дисоціації на атоми. Запишемо різні концентрації дисоційованих атомів в отриманій суміші:

• +2000 ° C - 0,03%;
• +2600 ° C - 1%;
• +4000 ° C - 59%;
• +6000 ° C - 99,5%.

Температура кипіння рідкого кисню становить -182,98 ° C з умовою, що тиск дорівнює 101,325 кПа. У таких вихідних даних речовина має вигляд рідини з блідо-блакитним забарвленням. Значення критичної температури у разі кисню становить 154,58 К (-118,57 °C), а критичний тиск дорівнює 4,882 МПа.

Розглянемо, як виглядає фазова діаграма \(O_\):

У твердому агрегатному стані кисень має вигляд кристалів із синім забарвленням. Температура плавлення речовини становить 218,35 °C. Прийнято виділяти шість кристалічних фазових станів кисню. Три фази можна спостерігати, коли тиск дорівнює 1 атм.

1. \(\alpha-O_\) з характерною температурою менше 23,65 K. Речовина має кристалічну структуру яскраво-синього забарвлення.
2. \(\beta—O_\) , температурний режим відповідає інтервалу від 23,65 до 43,65 K. Кристали з ромбоедричними гратами мають блідо-синє забарвлення. Якщо підвищити тиск, то речовина забарвиться у рожевий колір.
3. \(\gamma-O_\), при температурі від 43,65 до 54,21 K. Кристалічна речовина з блідо-синім забарвленням характеризується кубічною симетрією.

Наступну трійку фаз кисню можна спостерігати при підвищених значеннях тиску:

• (sigma-O2), з температурою від 20 до 240 K і тиском від 6 до 8 ГПа. Кристалічна структура має помаранчеве забарвлення;
• \ ( \ epsilon \) - Фаза, до складу якої включені молекули O4, або O8. Ця фаза спостерігається, коли тиск відповідає інтервалу від 10 до 96 ГПа. Кристалічна речовина має забарвлення від темно-червоного до чорного та характеризується моноклінною сингонією;
• \(\zeta-On\) при тиску вище, ніж 96 ГПа. Речовина у металевому стані з властивим йому металевим блиском. Якщо температура низька, можливий перехід у надпровідний стан.

Хімічні властивості

Кисень має сильні окислювальні властивості. Це неметал із максимальною активністю після фтору. З його допомогою формуються бінарні сполуки, які називаються оксидами, з усіма елементами, за винятком таких:

При хімічній взаємодії кисню та фтору формується фторид кисню. Це більшою електронегативністю фтору проти киснем.

Найпоширенішим ступенем окиснення кисню є друга. Найчастіше внаслідок хімічної взаємодії кисню з речовинами, тобто окиснення, виділяється теплова енергія. Швидкість перебігу процесу збільшується під час нагрівання. Запишемо кілька типових реакцій, які можна спостерігати за умов кімнатної температури:

\(4Li + O_ \rightarrow 2Li_O\)

\(2Sr + O_ \rightarrow 2SrO\)

Кисень має здатність окислювати такі сполуки, до складу яких входять елементи, що не мають максимального ступеня окислення:

\(2NO + O_ \rightarrow 2NO_\uparrow\)

Органічні сполуки здебільшого окислюються киснем у процесі реакції горіння:

\(2C_H_ + 15O_ \rightarrow 12CO_ + 6H_O\)

\(CH_CH_OH + 3O_ \rightarrow 2CO_ + 3H_O\)

Якщо створити певні умови, то можна реалізувати процес м'якого окислення органічної сполуки:

\(CH_CH_OH + O_ \rightarrow CH_COOH + H_O\)

Хімічну взаємодію кисню при нормальних умовах, при підвищенні температури та/або за наявності каталізаторів можливо безпосередньо з кожною з простих речовин. .Кисень вступає в реакції з галогенами, коли на речовини впливає електрика або ультрафіолетове випромінювання.

Непрямим методом реалізовано отримання оксидів золота і важких інертних речовин таких, як Xe і Rn. для яких характерний ступінь окислення кисневого атома, формально рівний −1.

Приклад реакції отримання пероксидів у процесі згоряння лужних металів у кисневому середовищі:

\(Na + O_ \rightarrow Na_O_\)

Як приклад реакції поглинання певними видами оксидів кисню можна навести наступне рівняння:

\(2BaO + O_ \rightarrow 2BaO_\)

Згідно з теоретичними знаннями про горіння, сформульованим А. Н. Бахом та К. О. Енглером, окислення протікає у два етапи Проміжним продуктом хімічної реакції є пероксидна сполука.Його виділяють, наприклад, у процесі зниження температури полум'я палаючого водню за допомогою льоду. В результаті можна спостерігати формування пероксиду водню, поряд із водою:

\(H_ + O_ \rightarrow H_ O_\)

Реакція пероксидів та кисню в умовах нагрівання та високого тиску:

\(Na_O_ + O_ \rightarrow 2NaO_\)

Процес хімічної взаємодії калію K, рубідія Rb та цезію Cs з киснем супроводжується формуванням надпероксидів:

Реакція озону та гідроксидів лужних металів:

\(3KOH + 3O_ \rightarrow 2KO_ + KOH \cdot H_O + 2O_\uparrow\)

Приклад прояву відновлювальних властивостей кисню:

\(PtF_ + O_ \rightarrow O_PtF_\)

Отримання дифториду кисню (OF_) шляхом пропускання фтору через лужний розчин у розведеному стані:

\(2F_ + 2NaOH \rightarrow 2NaF + H_O + OF_\uparrow\)

Одержання монофториду кисню, званого діоксидифторидом, із суміші фториду з киснем у тліючому розряді при температурному режимі, що дорівнює −196 °C:

\(F_ + O_ \rightarrow O_F_\)

Кисень здатний підтримувати такі процеси:

У вільній формі кисень представлений парою алотропних модифікацій, тобто \(O_\) і \(O_\) . Великими науковими діячами П'єр Кюрі та Марія Склодовська-Кюрі в 1899 році було встановлено, що у разі впливу на (O_) іонізуючого випромінювання здійснюється його перехід у (O_).

Отримання

Одним із методів синтезу кисню є перегонка рідкої повітряної суміші. Промислова технологія отримання цієї речовини зветься криогенна ректифікація. Крім того, масове виробництво кисню ґрунтується на експлуатації спеціальних установок.

Принцип дії такого обладнання полягає у використанні мембранної технології та адсорбції. Отриманий матеріал постачають у лабораторії.Як транспортувальну тару використовують сталеві балони. Речовина перебуває під тиском, значення якого становить приблизно 15 Мпа.

Далі розглянемо технологію розкладання з'єднань, до складу яких входить кисень. У процесі хімічних реакцій елемент витягують з подальшого використання. Наприклад, рівняння хімічної реакції, що супроводжується нагріванням перманганату калію (KMnO_):

\(2KMnO_ \rightarrow K_MnO_ + MnO_ + O_\uparrow\)

Одержання кисню за допомогою каталітичного розкладання пероксиду водню (H_O_) за наявності в суміші оксиду марганцю (IV):

\(2H_O_ \rightarrow [MnO_] 2H_O + O_\uparrow\)

Хімічна реакція каталітичного розкладання хлорату калію, тобто бертолетової солі (KClO_), яка супроводжується вивільненням кисню:

\(2KClO_ \rightarrow 2KCl + 3O_\uparrow\)

Вперше кисень вдалося отримати в результаті розкладання оксиду ртуті (II) (при t = 100 ° C):

\(2HgO \rightarrow [100C] 2Hg + O_\uparrow\)

Електроліз водяних розчинів відносять до лабораторних методів синтезу кисню. У процесі використовують розчини на основі води з кислотами, лугами, певними видами солей, наприклад, сульфатами та нітратами лужних металів. Запишемо як приклад рівняння хімічної реакції:

\(2H_O \rightarrow [e^-] 2H_\uparrow + O_\uparrow\)

Наступний спосіб вироблення кисню використовують на підводних човнах та орбітальних станціях. Метод полягає у хімічній взаємодії пероксиду натрію та вуглекислого газу, який є продуктом дихання людини:

\(2Na_O_ + 2CO_ \rightarrow 2Na_CO_ + O_\uparrow\)

З метою збалансування повітря до отриманого кисню додають надпероксид калію.Для того, щоб знизити вагу в деяких випадках в умовах космічного корабля використовують пероксид літію.

Знаходження у природі

Кисень характеризується максимальним поширенням у твердій оболонці нашої планети. Він займає приблизно 47% ваги земної кори. Кисень представлений різними сполуками, здебільшого силікатами. Елемент у зв'язаному стані міститься у прісній та морській воді. Його частка становить 85,82%, якщо розраховувати за масою. Понад 1,5 тисячі сполук твердої оболонки планети включають до свого складу кисень.

Розглянемо графік, що демонструє накопичення кисневих запасів у земній атмосфері залежно від часового періоду:

Кисень у вільній формі присутній в атмосфері нашої планети:

• 20,95%, якщо розраховувати за обсягом;
• 23,10 %, виходячи з маси, що відповідає приблизно 1,015 т.

Варто зазначити, що багато років тому, а саме 3,5 млрд. в епоху архею, кисень було б складно знайти в атмосферному повітрі. Поява елемента у незв'язаному вигляді у великих обсягах характерна для періоду палеопротерозою, що відповідає тимчасовому проміжку 3—2,3 млрд. років тому. Причина цього явища полягала у зміні компонентного атмосферного складу у світових масштабах. Ця історична стадія перетворення планети Земля зветься «киснева катастрофа».

Протягом першого мільярда років майже повністю відбувалося поглинання кисню такими елементами, як залізо, яке було в океанах у розчиненому вигляді. В результаті утворилися великі обсяги джеспіліту, що залягає на дні. У тимчасовий період, відзначений 3-2,7 млрд. років тому, почалося виділення кисню в атмосферні маси.З часом, зокрема, 1,7 млрд років тому, концентрація кисню в атмосферній оболонці залишало 10% від значень, характерних для сучасних.

Внаслідок високої концентрації елемента в різних станах, тобто вільному або у формі сполук, в океанічних водах і повітрі анаеробні живі організми здебільшого вимерли. З іншого боку, кисень використовується у процесах дихання на клітинному рівні. Завдяки цій властивості, аеробні організми отримали можливість збільшити вироблення АТФ порівняно з анаеробними. Отже, аеробні організми стали домінувати.

У перші часові періоди кембрія, тобто 540 млн. років тому, з погляду об'ємної частки, концентрація кисню варіювалася в межах від 15% до 30%. Після закінчення кам'яновугільного періоду, що відбувалося приблизно 300 млн. років тому, вміст елемента наблизився до максимальної позначки 35%. Цим, найімовірніше, пояснюється укрупнення комах і земноводних у аналізований період.

Переважна частка кисню на планеті є результатом життєдіяльності фітопланктону, середовищем проживання якого є води Світового океану. Приблизно 60% елемента від кількості, що споживається живими організмами, йде на реалізацію процесів гниття та розкладання. Близько 80% кисню, що виробляється лісовими масивами, необхідно, щоб рослина перероблялася.

Людство у процесі здійснення діяльності не надає сильного впливу на підвищення обсягів атмосферного кисню у вільному стані. Враховуючи актуальні значення швидкості фотосинтезу, потрібно приблизно 2 тис. років відновлення всього атмосферного кисню.Елемент є одним із складових компонентів превалюючого числа речовин органічної природи походження та присутній у кожній живій клітині.

Застосування

У промисловому секторі кисень почали використовувати масово із середини XX століття. Тригером розвитку цього напряму став турбодетандер. Винайдений в цей час пристрій призначений для того, щоб зріджувати та розділяти повітря в рідкому агрегатному стані.

У металургійній галузі кисень необхідний реалізації технології випуску сталі та обробки штейнів. Метод є конвертерним. З метою значно підвищити ефективність споживання паливних ресурсів в устаткуванні виробляють зміну повітря на киснево-повітряну суміш.

Кисень незамінний для зварювання та різання металевих заготовок, деталей та конструкцій. Газ закачують до спеціальних резервуарів, які називають балонами. Ємності мають блакитне забарвлення, що є стандартизованим маркуванням.

Елемент використовують для ракетного палива. У цьому випадку кисень відіграє роль окислювача та застосовується в рідкому агрегатному стані. Крім того, з цією ж метою використовують сполуки, збагачені киснем, у тому числі пероксид водню та азотна кислота. Якщо змішати рідкий кисень і озон, то вийде один з найбільш ефективних окислювачів для ракетного палива.

Медичний кисень зберігають та транспортують у ємностях з металу під тиском. Колір балонів блакитний. Залежно від обсягу резервуари може бути від 1,2 до 10 л. Тиск у внутрішній області таких балонів становить максимум 15 МПа. Цільове призначення газу:

• насичення сумішей для дихання в устаткуванні, призначеному для наркозу;
• надання допомоги при утрудненні дихальних процесів;
• купірування нападів бронхіальної астми;
• лікування гіпоксії у різних випадках;
• терапія при декомпресійній хворобі;
• лікувальні процедури для пацієнтів із захворюваннями травної системи;
• приготування кисневих коктейлів, що мають терапевтичний ефект.

На промислових підприємствах, що спеціалізуються на випуску харчової продукції, використовують спеціальні добавки з киснем, промарковані як E948. Крім того, в цій галузі промисловості кисень використовують як пропелент і газоподібну речовину для пакування продуктів.

У хімічній промисловості елемент грає роль реактиву-окислювача. Речовина необхідна реалізації різноманітних синтезів. Як приклад можна навести окислювальні реакції для трансформації вуглеводнів у кисневмісні сполуки у вигляді спиртів, альдегідів, кислот, а також діоксиду сірки в триоксид сірки, аміаку в оксиди азоту, що використовується для отримання азотної кислоти.

Застосування кисню у сільськогосподарському секторі:

• виробництво кисневих коктейлів;
• приріст ваги у тварин;
• насичення водних ресурсів у рибництві.