Реклама на сайте (разместить):



Реклама и пожертвования позволяют нам быть независимыми!

Кислород

Материал из Викизнание
Перейти к: навигация, поиск

Элемент

Кислород

Латинское название

Oxygenium

Обозначение

16O

Изотопное название

Процентное содержание

99,75%

Порядковый номер

8

Период/группа

II/VIA

Серия

неметалл

Атомная масса

15,9994

Атомный радиус

0,66 Å

Атомный объём

14,0 см3/моль

Ковалентный радиус

0,73 Å

Электронное строение

1s22s22p4

Степени окисления

+1 +4,

+1 -1
со связью O-O

Длина связи

0,12074 нм

Потенциалы ионизации

12,077 эВ

Высший оксид

O3

Содержание в земной коре и гидросфере

55%

Содержание в массе Солнца

∼0,77 %

Изотопы

17O

Процентное содержание

0,037%

18O

Процентное содержание

0,204%

Вещество

Молекулярная формула

O2

Температура плавления

−218,9°C (54,8 K)

Теплота плавления

444 Дж/моль

Температура кипения

−183°C (90,19 K)

Теплота испарения

3,4099 кДж/моль

при 0°C

Агрегатное состояние

газ

Плотность

0,00142897 кг/м3

Цвет

бесцветный

Вкус, Запах

нет

Удельная теплоёмкость

494 Дж/(моль·K)

Теплопроводность

0,027 Вт/(моль·K)

при −184°C

Агрегатное состояние

жидкость

Плотность

1,14

при −220°C

Агрегатное состояние

твердое тело

Плотность

1,27

Кристаллическая решётка

гексагональная

или

кубическая

Период решётки

Отношение c/a решётки

Температура Дебая

155 K

Открыл

Карл Шееле в 1771 и Джозеф Пристли в 1774 (Англия)

Кислород (лат. Oxygenium, нем. Sauerstoff, франц. Oxygène, англ. Oxygen) - химический элемент, важная составная часть воздуха, минералов, воды и органики, в обычных условиях температуры и давления бесцветный газ, без вкуса и запаха, мощнейший окислитель. (история открытия кислорода - см. Воздух)


Первые сведения о кислороде стали известны в Европе из китайских древних рукописей. В начале XVI века, Леонардо да Винчи опубликовал данные, связанные с химией кислорода. Реакции присоединения кислорода описаны в научных трудах Стивена Гейлса (1731 год) и Пьера Байена (1774 год). Но, заслуживают особого внимания исследования Карл Шееле в 1771–1773 годах, о взаимодействии металлов и фосфора с кислородом. И далее, Джозеф Пристли сообщил об открытии кислорода (1774 год), как элемента, что было спустя несколько месяцев после сообщения Пьера Байена. А, в объяснении роли кислорода в процессах дыхания и горения принадлежит Антуану Лорану Лавуазье (1777 год).

Объём и распространение кислорода[править]

В виде соединений кислород распространен на земной поверхности так, как никакой другой элемент. Кислород составляет 8/9 весовых частей воды, которая, в свою очередь, занимает почти 3/4 земной поверхности. Большинство горных пород и земель состоит из соединений кислорода, причем содержание его в некоторых из них доходит до 53% (песок, кварц), вообще же можно считать содержание в них кислорода до 1/3 их веса. Организмы также богаты им: так, растения, помимо кислорода воды, содержат его до 40% в виде других соединений, а животные до 20% своего веса. Несмотря на громадное распространение на земной поверхности, несмотря на большое сродство ко всем телам (кислород соединяется прямо или косвенно со всеми элементами, за исключением фтора, с которым неизвестно соединений), Кислород остался еще в свободном состоянии и в смеси с азотом образовал атмосферный воздух. В воздухе он содержится в количестве около 1/4 по весу или около 1/5 по объему и весит примерно около 122x10 15 пудов, но это число, несмотря на свою чудовищность, ничтожно с тем количеством его, которое содержится в земной коре, хотя (по Менделееву) внутри земли содержание кислорода меньше, чем на поверхности.


Появление кислорода во Вселенной[править]

Что касается до внеземного распространения кислорода, то его еще не найдено; по новейшим периода 1890-1910 годов спектроскопическим исследованиям Петера Янсена, произведенным на вершине Монблана, на Солнце его не оказалось, следовательно, на Солнце он не находится в известной для нас форме, дающей определенный ряд спектральных линий. И, эти заключения сделаны были Янсеном, при том, что высота озонового слоя составляет от 12 до 50 км над поверхностью Земли, а высота Монблана равна 4 810 метров. На самом деле на Солнце кислорода 0,77 % от общего объема светила. И, с помощью спектроскопии это выяснили до открытия гелия. В красных гигантах кислород - основное синтезируемое топливо, а в умирающих звёздах кислорода так много, что этот объем кислорода является причиной смерти звезды. Естественно, что кислород был создан и распространился на планеты солнечной системы и на Солнце, как и химические элементы легче и тяжелее железа, в результате жизни и гибели праматери Солнца. Нахождение кислорода на других планетах - см. Воздух и Атмосфера.


Не стоит думать, что кислород был создан первичной флорой на планете Земля или других планетах, как и появление кислорода началось на планетах, первичная флора только выделила кислород из разных кислородных соединений, создав атмосферу приемлемую для дыхания и жизни. Появление кислорода во Вселенной состоялось после появления гелия, потому, что они являются топливом звёзд, как и водород. Первую новорожденную звезду во Вселенной составлял только водород, но, при термоядерном синтезе в чреве звезды создаётся гелий, из гелия – азот, а из азота – кислород, после насыщения кислородом обязательно неимоверно огромная или просто большая звезда в определенный момент взрывается, что происходит посредством обрушения внешней звёздной оболочки на ядро. Перед этим звёзды находятся в состоянии красного гиганта, и красного потому, что термоядерный синтез кислорода из азота сияет ярко красным светом, в смысле излучается большее количество красных фотонов при термоядерном горении азота, чем всех остальных фотонов разного цвета. После взрыва красного гиганта гелий, кислород и азот, как и другие химические элементы созданные термоядерным синтезом и ядерным синтезом распространились по Вселенной, чтобы могли образоваться вода, разные минералы и химические соединения при сиянии, температуре и излучении, остатков звезды, и только после образовались астероиды, кометы, планеты и прочее. Так, в связи жизнью и гибелью звёзд, когда посредством переработки химических элементов при термоядерном синтезе в недрах звёзд достигается кислородный максимум, и звёзды взрываются, кислород занимает третье место после водорода и гелия по распространению во Вселенной.

Строение атома и свойства[править]

Основной атом кислорода в ядре содержит 8 протонов и 8 нейтронов, от чего имеет обозначение 16O, так же основной атом кислорода содержит 8 электронов. Изотоп кислорода в ядре содержащий 8 протонов и 9 нейтронов, имеет обозначение 17O, и, так же атом этого изотопа кислорода содержит 8 электронов. Изотоп кислорода в ядре содержащий 8 протонов и 10 нейтронов, имеет обозначение 18O, и, атом этого изотопа кислорода содержит 8 электронов. Электронное строение атома кислорода в основном состоянии 1s22s22p4, но, кислород может находиться ещё в двух возбужденных состояниях sp2 и sp3 -гибридизации.

Тип электронного строения кислорода

Электронная конфигурация

Число гибридных орбиталей

Валентный угол

основное

1s22s22p4Кислород основное электронное строение.jpg

2

116,5°

sp2

1s2(2sp2)52p1Кислород электронное строение sp2.jpg

3

120°

sp3

1s2(2sp3)6Кислород электронное строение sp3.jpg

4

108,5°

Электронное строение, и следовательно, свойства соединений кислорода определяются характером его химических связей и типом гибридизации, влияющей на общую форму молекулы.

Гибридизованный атом кислорода в состоянии sp2 присутствует в соединениях с карбонильной группой >С=О, примером чего являются:

Соединения, содержащие атом кислорода в sp3-гибридизованном состоянии, являются:

В основном состоянии кислорода наличие двух неспаренных электронов с параллельными спинами на дважды вырожденных разрыхляющих {\pi }^{*}-орбиталях объясняет парамагнетизм кислорода. И, поскольку на связывающих орбиталях молекулы находится на 4 электрона больше, чем на разрыхляющих, то, можно считать связь между атомами в молекуле О2 – двойной. В основном электронном строении, три атома кислорода могут соединяться в молекулу озона – О3, что приводит к существенному изменению прочности связи и свойств по сравнению с молекулой – О2. Озон может получаться под действием электрического разряда на кислород, при плазменных разрядах или под действием ультрафиолетового излучения. Тогда каждый атом кислорода образует одну связь с соседним атомом за счет р-электрона. Остальные р-орбитали комбинируются с образованием одной не связывающей и одной разрыхляющей орбиталью. Диамагнитная молекула О3 изогнутая, валентный угол О-О-О равен 116.8°, расстояние между центральным и концевыми атомами равно 1,278 Å, и, это расстояние меньше длины одинарной связи (1,49 Å в Н2О) и больше длины двойной связи (1,21 Å в О2), поэтому электронное строение озона относят к четырехэлектронным трехцентровым связям. В кислой и щелочной средах озон - более сильный окислитель, чем кислород, но восстановительными свойствами озон не обладает. Помимо озона, из атомов кислорода могут образоваться малоустойчивые молекулы О4 и О-4.

Физические свойства[править]

Кислород является бесцветным газом без запаха и вкуса. Плотность его относительно воздуха и вес литра - см. Воздух; абсолютный коэффициент преломления при 0° и 760 мм давления - 1,000271, относительный (к воздуху=1 при 0°C) - 0,9245 (Маскар), т. е. меньше воздуха. Спектр поглощения кислорода - см. Воздух. Теплоемкость при постоянном давлении 0,2175, а при постоянном объеме 0,1550. Кислород плохой проводник тепла и электричества, но способен намагничиваться более, чем все другие газы, за исключением озона. Если магнитную силу железа обозначить через 1000000, то, по Беккерелю, для кислорода она выразится числом 377, а для воздуха - 88. При электролизе соединений кислород в виде газа всегда выделяется на положительном полюсе.


Несмотря на многие попытки кислород долгое время не могли превратить в жидкость. Фарадею не удалось его сгустить при давлении 40 атмосфер и при температуре -110°C. Попытки Андрюса и Наттерера также не увенчались успехом, хотя последний доводил давление до 1350 атм. Неудача происходила от того, что во всех этих опытах не достигалась критическая температура (см.) кислорода, т. е. та температура, выше которой газ никаким давлением не переводится в жидкое состояние. В 1877 году Кальете в Париже и Пикте в Женеве удалось, наконец, получить кислород в жидком виде, но не удалось эту жидкость уединить, чего позднее достигли Вроблевский, Ольшевский, Дьюар и др., употребляя жидкий этилен и азот, причем температура доходит до -200°C, поэтому не требуется больших давлений (см. Газы сжиженные).


Основной вопрос всех людей:

Почему небо голубое?
Свечение заряженных частиц солнечного ветра во внешней границе озонового слоя планеты Земля, снимок с орбитальной станции МКС.

И, на это долгое время не могли ответить физики, но, с появлением электричества на это нашелся ответ. Небо голубое потому, что проходящее излучение и возникающие разряды – Лидеры, которые происходят на высоте 40 км в атмосфере, возбуждают молекулы озона, и этот газ испускает фотоны на уровне 250-350 нм (голубой), что задаёт цвет верхним атмосферы. (см. излучение) Поэтому, когда смотришь на небо, его голубой цвет сияет откуда-то из глубины (высоты), как бы где-то там в небесах происходит голубое сияние, задающее небесам голубой цвет. На горной вершине в прекрасную погоду, что редко встречается, если повернуться к Солнцу спиной, можно увидеть, как это голубое свечение так ярко сияет, что кажется можно дотянуться рукой до этого небесного края, только понимаешь, что это с вершины совсем невозможно. Только при полете на МиГ-25, когда достигают по характеристикам предельной высоты (35 000 м), можно увидеть, как небо разделяется на голубое сияние и темно-багровую пропасть, и это сияние распространяется на уровне примерно 10 000 метров, а багровая пропасть – верхняя часть атмосферы, далее только лишь космос. И, можно из космоса наблюдать за атмосферным свечением, когда появляются Спрайты, что является гигантскими молниями в диаметре 300-500 километров (км), и до высоты 40-50 км, и верхняя часть этих разрядов светится красным, а нижняя синим, от газов на этих уровнях, азот – красный, кислород или в большей части озон – синий.


Голубое сияние, это образно говоря, атомы озона поглощают кванты энергии излучений, возбуждаясь испускают собственные кванты энергии, что выражается голубым цветом светового излучения, что является квантовым излучением, на основе чего устроены все лампочки, лазеры, мазеры и прочие оптические приборы и устройства, и это путают с релеевским рассеянием. На высоте от 30 000 метров вспыхивают Джеты, молнии уходящие в верхние слои атмосферы до высоты 40 км иногда и до высоты 90 км, и Джеты молнии голубого цвета, так, как задействуют озоновый слой для своего разряда. Естественно, озон не может видоизменить или остановить все виды излучения, но, в большом проценте делает это, выбрасывая лишние кванты энергии от излучений разрядами молний, но, если бы этого не происходило, до поверхности планеты доходили столь губительные излучения, которые могли бы разогреть поверхность планеты до 2000°C и даже более чем. Возможная катастрофа такого характера и планетарного масштаба показана в фильме «Знамение» (2009 год), и это не фантастика, это возможное, если будет уничтожен озоновый слой и уменьшен максимально процент кислорода в атмосфере, что произойдёт при человеческой беспечности.


Сжиженный кислород[править]

Сжиженный кислород представляет прозрачную, легкоподвижную жидкость синего цвета (Ольшевский). Критическая температура кислорода, по Вроблевскому, лежит при -119°C, а критическое давление при 50 атмосферах. Голубой цвет кислорода обусловлен электронными переходами, при которых молекулы из основного триплетного состояния возбуждаются до синглетного состояния. Эти переходы обычно в чистом газообразном кислороде и относятся к инфракрасной части спектра. Однако в конденсированной фазе один фотон может переводить в возбужденное состояние сразу две сталкивающиеся молекулы, что сопровождается поглощением энергии в видимой области спектра. Голубой цвет неба, конечно, обусловлен рэлеевским рассеянием, а не электронным поглощением молекул кислорода. В критическом состоянии плотность кислорода, по Дьюару, 0,65 (вода=1), но он, как и другие тела в этом состоянии, сильно меняет свою плотность при перемене давления и температуры, поэтому при больших давлениях многие исследователи дают ему большую плотность, до 1,1. По Ольшевскому, например, при -129,57°C, плотность 0,755, при -137,5°C, плотность 0,854, при -139,3°C, плотность 0,878 и при -181,4°C, т. е. около температуры кипения жидкого кислорода под обыкновенным давлением, плотность 1,124.

Растворимость в жидкостях и расплавленных металлах[править]

Кислород очень мало растворим в воде, но все же больше, чем азот. По Бунзену и Кариусу, объемные коэффициенты растворимости ки 5a8 слорода в воде следующие: при 0°C - 0,04114, при 4°C - 0,03717, При 10°C - 0,03250, при 15°C - 0,02989 и при 20°C - 0,02838, тогда как в спирте при этих температурах коэффициент 0,28397 не изменяется, стало быть, растворимость кислорода в спирте почти в 10 раз больше, чем в воде. Растворяясь в воде кислород образует непрочные соединения с молекулами воды О2* Н2О или О2* 2Н2О. По Бунзену, воздух, растворенный в воде при температурах по Цельсию; 1°, 15° и 23°, всегда содержит 35 частей кислорода и 65 частей азота, причем коэффициенты растворимости кислорода и азота с температурой изменяются одинаково, относясь друг к другу, как 2,023:1 [По Винклеру, вода поглощает из воздуха при 0°C - 35,1% кислорода, при 1°C - 34,8%, при 20°C - 34,3% и при 25°C - 33,7%.].


Давно известен тот факт, что чистое расплавленное серебро в мом 5a8 ент отвердевания с шумом выделяет газ, так что металл частью разбрызгивается и поверхность его становится шероховатой. Примесь меди, а также золота препятствует явлению. По Люка, это явление происходит от растворения кислорода в серебре, которое может поглотить его до 22 объемов. При охлаждении часть растворенного кислорода остается и выделяется только в пустоте при нагревании до 500°C (Дюма). Сплавленная платина также растворяет кислород, который выделяется при охлаждении (С. Клер де Вилль). По Леблану, килограмм сплавленного глёта может поглотить около 50 см3 кислорода, который выделяется при охлаждении массы. Атомный вес кислорода по отношению к водороду до сих пор не установлен точно, благодаря многим трудностям, которые встречаются при его определении (см. Вес а 5a8 томов). Более вероятное число - 15,92, если число водорода равно 1, то, в большинстве случаев к кислороду употребляют более простое - 16.

Электролиз[править]

Такой физико-химический процесс, как электролиз происходит при участии водорода и кислорода, и выражен физическими формулами Майклом Фарадеем. Без этих элементов не получилось бы сохранения энергии в аккумуляторах и процесса гальваники, когда посредством электрического тока молекулами кислорода переносятся ионы металлов от анода (–) к катоду (+), при выделении на аноде водорода, а на катоде – кислорода, как и при протекании обратного процесса зарядки аккумулятора и при отдаче энергии аккумулятором. При зарядке кислотного аккумулятора на его положительных пластинах выделяется кислород. И, кислород рекомбинируется[1] на отрицательных пластинах аккумулятора, которые отделены от положительных пластин электролитом. Диффузия кислорода от катода к аноду происходит очень медленно, поэтому в кислотных и подобных аккумуляторах рекомбинирует только очень небольшая часть выделившегося кислорода, а остальной газ выходит из аккумулятора через вентиляционные отверстия после отдачи энергии. При этом теряется вода, которую приходится периодически подливать в традиционные аккумуляторы.


Современные аккумуляторы лишены этого недостатка. Весь выделившийся в них кислород успевает попасть от положительной пластины аккумулятора к отрицательной пластине, диффундируя[2], главным образом, через газовые полости (пузырьки) внутри электролита. Диффузия[3] в газе происходит быстрее, чем диффузия в жидкости в тысячи раз. Поэтому при соблюдении условий эксплуатации, такие аккумуляторы не выделяют газы, являясь практически герметичными. Современные аккумуляторы называют гелевыми, но, они ни в коем случае не гелиевые, гелий тут совершенно ни при чем, просто подразумевается удержание пузырьков газов вязким гелеобразным электролитом, и такие аккумуляторы применяются в системах связи. Аккумуляторы гелевых типов герметичны, не выделяют газов при нормальной эксплуатации, и при повреждении корпуса из них не выливается лужица электролита.

Химические свойства[править]

Химический знак кислород выражается буквой – O, от его латинского названия Oxygenium (от греческих όζύς - кислый и γεννάω - произвожу, рождаю). Кислород в своих соединениях всегда двухвалентен, и как на типичный пример такого соединения можно указать на соединение его с водородом, которое дает воду - Н2О. Он, как сказано, соединяется со всеми элементами, за исключением фтора, и с множеством сложных тел. Соединение кислорода с другими элементами зовутся окислами или окисями (см.); они делятся на 8 форм и служат для характеристики групп в периодической системе элементов (см.). Соединение химических элементов с кислородом может совершаться быстро, с большим отделением тепла и света, как горение, или медленно, без заметного отделения тепла, как окисление. Химические элементы легко соединяющиеся с кислородом выделяют много тепла при своем соединении (тепло, выделяемое при окислении определенным количеством тела, есть величина постоянная для этого тела); и только немногие элементы, химически сходные с кислородом, трудно соединяются с ним и выделяют мало тепла или даже поглощают его. Так, например, кислород соединяется с галоидами и азотом. Для элементов, трудно соединяющихся с кислородом, обыкновенно мало одного прикосновения, им требуется еще какой-нибудь посторонний агент, как тепло, свет, электричество, сжатие или разряжение, соприкосновение с платиной или другими катализаторами, как и раздробление вещества и проч., причем соединение с чистым кислородом идет легче и с большей интенсивностью, чем в воздухе, где кислород сильно разбавлен малодеятельным азотом и прочими газами.


Соединения с кислородом[править]

Кислородные соединения, это разнообразные соединения других элементов с кислородом, которые можно разделить на двенадцать классов:

Кислород составляет 91,83% объема земной коры, или 49,13% ее веса. В разных оболочках земной коры содержание кислорода неодинаково, так среднее содержание в изверженных породах — 46,42%, основные породы содержат кислорода меньше (габбро — 45,11%), а кислые — больше (граниты — 48,53%). Вместе с тем кислород является одним из наиболее активных химических элементов, играющих главную роль в реакциях окисления в земной коре. Этим объясняется тот факт, что свыше 99,99% его атомов находятся в связанном состоянии (в виде анионов О2-) и только 0,01% — в свободном. Различное содержание кислорода в магме определяет ход кристаллизации и образование кислородных соединений.


При нормальной кристаллизации магмы первыми образуются минералы с меньшим содержанием кислорода (ортосиликаты магния и железа), а потом те, которые содержат больше кислорода. Характерным образованием магматической стадии с низким содержанием кислорода является минерал магнетит (FeFe2О4), в котором часть железа находится в закисной форме и часть в окисной. Концентрация свободного кислорода в земной коре возрастает с приближением к земной поверхности, поэтому гидротермальные растворы при своем движении повышают окислительный потенциал, и из них откладываются минералы с большим содержанием кислорода. Концентрация кислорода возрастает особенно интенсивно при смешивании гидротермальных растворов с вадозными. Вообще можно считать, что минералы при этом выделяются в соответствии с их растворимостью. Изучение парагенетических соотношений минералов показывает, что изменение концентрации кислорода определяет ход химических процессов и взаимодействие гипогенных растворов с окружающими породами. Типичным примером в этом отношении является процесс мушкетовитизации — преобразование гематита (Fe2О3) в магнетит при понижении концентрации кислорода.


Продвижении химических элементов и растворов в толщах земной коры происходит их окисление, свидетельствуют многочисленные факты, в частности закономерное увеличение в минеральных месторождениях таких богатых кислородом минералов, как сульфаты, поскольку образование комплексного аниона [SО4]2- может происходить в явно окислительной среде, и также выражено повышенное содержание окислов металлов среди сульфидных минералов, например, магнетита и даже гематита. Но, концентрация кислорода может меняться и в самой минералообразующей среде, что, обусловлено реакциями обменного разложения в связи с изменением внешних факторов. Концентрация свободного кислорода на больших глубинах неизмеримо мала по сравнению с концентрацией его в верхних частях земной коры, поэтому химические элементы, могущие образовывать соединения в виде разновалентных ионов, в глубинных условиях образуют минералы, в которых эти элементы имеют меньшую валентность. Этим объясняется, например тот факт, что обычный минерал земной поверхности пиролюзит (МnO2) с высоковалентным марганцем (Мn) при метаморфизации переходит в минералы с низковалентными формами — браунит (Mn2+Mn3+6 SiO12), манганит — МnO[OH] и гаусманит — МnМn2O4. И, малое содержание свободного кислорода также отмечает то, что в метаморфических породах, возникающих на глубине за счет экзогенных образований, никогда не бывает богатых кислородом соединений (сульфатов, фосфатов).


Большинство химических элементов не соединяется или очень медленно соединяется с кислородом при обыкновенной температуре. Способность элементов окисляться с понижением температуры вообще падает и при очень низких температурах прекращается (Пикте). Сравнительно немногие тела способны окисляться при обыкновенной температуре, как, например фосфор, многие сернистые металлы, белое индиго, пирогалловокислые щелочи и т. п., сюда же относится гниение и тление органических веществ, ржавление металлов и т. д. При нагревании, напротив, множество химических элементов легко и скоро соединяется с кислородом: железо медленно окисляется при обыкновенной температуре (ржавеет) на воздухе, а накаленное горит в чистом кислороде; почти все накаленные органические тела горят на воздухе и даже алмаз сгорает при накаливании в чистом кислороде. Температура, которая необходима для того, чтобы началось соединение с кислородом, не только различна у различных элементов, но и у одного и того же элемента, смотря по тому, как пойдет соединение - медленно или быстро; фосфор, например, медленно соединяется с кислородом уже ниже +10°, быстро же при +60°. Под влиянием света производится окисление многих органических веществ (действуют при этом главным образом лучи наиболее преломляющиеся): беление красящих веществ, зеленение гваяковой смолы и т. д. Желатина с хромпиком окисляется на свету и становится нерастворимой в теплой воде (Потвен), что и применяется в фотографии, для фотогравюры, фотолитографии и т. д. Некоторые неорганические соединения (мышьяк) окисляются на свету сильнее, чем в темноте. Электричество способствует окислению, вероятно, вследствие образования тепла или озона.


Сжатие также иногда способствует соединению с кислородом; так, дерево под обыкновенным давлением загорается в среде кислорода при +350°C, а под давлением 2,6 атм. при +252°C (Тенар). Франкланд наблюдал вспышку при медленном закачивании кислорода в аппарат Наттерера, когда газ сжат примерно на 1/25, причем железо аппарата отчасти окисляется. Вспышка тут происходила от окисления смазочного масла. Фосфор, напротив, соединяется с чистым кислородом или с кислородом воздуха при температурах тем более низких, чем меньше давление, что вероятно обуславливается более легким образованием паров. Если смесь кислорода и горючего газа находится в соприкосновении с платиной и некоторыми другими твердыми телами, то происходит соединение при более низкой температуре, чем без твердого тела, причем его температура от начавшейся реакции повышается и окисление не только поддерживается, но ускоряется и даже может иногда перейти в горение. Уже Дэви нашел, что происходит соединение, если смесь кислорода или воздуха, с одной стороны, и водорода, окиси углерода, маслородного газа, циана, спирта, эфира или терпентина - с другой, привести в соприкосновение с тонкой листовой платиной или тонкой платиновой проволокой, нагретых не до накаливания, причем платина от выделяющегося тепла сильно накаливается и может произойти горение. Эрдман указал, что платиновая проволока должна быть нагрета до 50-51°C, чтобы началось соединение кислорода с водородом. Нагретая до красного каления тонкая платиновая проволока остается накаленной в светильном газе, вследствие начавшегося окисления; такая же проволока окисляет пары древесного спирта в муравьиный альдегид и т. д. Губчатая платина и платиновая чернь производят окисление многих тел, даже на холоде, - так, губчатая платина при обыкновенной температуре, а платиновая чернь даже при -20°C производит соединение кислорода с водородом (см. Контактные явления).


Многие тела не соединяются прямо при накаливании с кислородом, но соединение происходит, если присутствует другое тело, которое соединяется с кислородом. Так азот один не соединяется с ним при накаливании, но при сожжении 1 части азота с 14 частями водорода получается азотная кислота. Увеличение поверхности окисляющегося тела также способствует соединению. Железо в сплошном виде не изменяется в сухом воздухе, а во влажном ржавеет, но если взять его в мелком порошке, как оно получается после прокаливания берлинской лазури или при восстановлении водородом кислородных его соединений, то такое железо уже само собой загорается на воздухе без предварительного нагревания (образует пирофор). Фосфор, выпаренный из раствора в сероуглероде, почти моментально загорается на воздухе; то же происходит и с сернистыми щелочами, восстановленными из сернокислых солей избытком угля при возможно низкой температуре. В этих случаях, помимо увеличения поверхности окисления, может быть, играет также роль сгущение кислорода в порах раздробленного тела. Есть много простых тел, которые ни при каких условиях прямо не соединяются с кислородом, но которые можно соединить с ним косвенными путями, таковы, например, платина, золото, иридий, хлор и т. п. В этом случае данное тело соединяют с другим и с помощью двойного разложения замещают его кислород или пользуются телом, легко выделяющим кислород, который тогда действует в момент выделения (in statu nascendi). Окисление также очень облегчается, если окисляемое тело находится в состояния выделения. Часто те вещества, которые прямо не соединяются с кислородом, но образуют соединения с ним косвенным путем, легко выделяют присоединенный кислород при нагревании и могут служить для получения кислорода, а также для окисления других тел, и таким образом сами служат для непрямых окислений; таковы, например, соединения хлора, азота, платины и др. Такие вещества, богатые кислородом и служащие для окисления других тел, зовутся окислителями.


При анализе газовой смеси кислород обыкновенно поглощается раствором пирогалловой кислоты С6Н3(ОН)3 в едком кали, после того как газовая смесь была обработана KHO (см. Газовый анализ), часто пользуются также палочками фосфора. Отлично поглощает кислород, кроме того, уксуснокислая закись хрома Cr(C 2H3O2)2, причем при поглощении кислорода синий раствор делается зеленым (качественный признак). Если кислород находится в соединении с металлом, то его удаляют или просто нагреванием, или нагреванием в струе сухого хлора, причем образуется хлористый металл, а кислород выделяется в свободном виде. Такие окиси, как окись алюминия и окись хрома, которые сопротивляются действию хлора, смешивают с углем и обрабатывают хлором. В этом случае кислород выделяется в виде CO и CO2. Многие окиси можно восстановить до металла нагреванием в струе восстанавливающего газа, причем, употребляя водород, получают воду, а употребляя окись углерода - углекислоту; первая поглощается взвешенной хлоркальциевой трубкой, вторая - с помощью калиаппарата. При анализе кислородных органических соединений, кислород обыкновенно определяется из разности между весом вещества и суммой веса входящих в него C, H, N и др.

Горение в среде кислорода[править]

Углеродсодержащие вещества и углеводороды при слабом нагревании окисляются (сгорают) до CO2 и H2O. Примерами таких веществ являются топлива – древесина, нефть, спирты, каменный уголь, кокс и древесный уголь. Тепловая энергия – Q, от процесса горения используется на производство пара, а далее пар используется для получения электричества или идет на силовые установки, и также на отопление домов. Уравнения процессов горения таковы:

  • древесина (целлюлоза):


(C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O + Q


  • нефть или газ (бензин C8H18 или природный газ CH4):


2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + Q

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q


  • спирт:


C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O + Q


  • углерод (каменный или древесный уголь, кокс):


2C + O2 → 2CO + Q

2CO + O2 → 2CO2 + Q

Горению подвержены также ряд кислородсодержащих соединений C-, H-, N-, с высоким запасом энергии, причём кислород для окисления может использоваться не только из атмосферы, а и из самого химического вещества, что является свойством высокоэффективных взрывчатых веществ.

Получение кислорода[править]

Было предложено очень много способов для получения свободного кислорода. Все эти способы могут быть разделены на такие, посредством которых стремятся достигнуть цели, пользуясь химическими свойствами кислорода, и на такие, которые основаны на его физических свойствах, и могут разделены на три группы.


Химические способы получения кислорода[править]

Способы, основанные на разложении соединений кислорода с металлами, которые удерживают кислород при обыкновенной температуре и теряют его при накаливании. Так относятся окислы благородных металлов. Примером подобного разложения может служить разложение красной окиси ртути, которая при накаливании выше 230° (Мюллер) разлагается на составные части:

2HgO → 2Hg + О2

Причем ртуть конденсируется в холодных частях прибора, а кислород (в количестве 7,4% по весу взятой окиси) собирается в сосуде над водой. Эта реакция имеет только исторический интерес (см. Воздух); она обратима и могла бы служить для получения кислорода из воздуха.


Высшие степени окисления некоторых металлов, так называемые перекиси, очень удобны для получения свободного кислорода простым накаливанием, а также при действии многих кислот. Так, например, перекись марганца МnO2, встречающаяся иногда в природе в больших количествах и известная в технике под именем марганца или черного марганца (Braunstein - по-немецки), при сильном накаливании отдает 1/3 своего кислорода (12,2% веса перекиси), оставляя красную окись марганца:

6МnО2 → 2Мn3О4 + 2O2

Реакция ведется в железных или глиняных сосудах, потому что стекло размягчается при этом. Для получения литра кислорода необходимо 11,67 грамм перекиси. Природная перекись, помимо MnO2 (пиролюзита), часто содержит изменчивые количества других окислов марганца, которые также переходят в красную окись марганца, но дают соответственно меньше кислорода, чем пиролюзит; так, например, браунит Мn2О3 выделяет только 1/2 своего кислорода (3,4% веса браунита):

6Мn2О3 → 4Мn3О4 + O2

Кроме окислов марганца, в перекиси всегда содержатся еще и другие примеси, не дающие кислорода, как кварц, тяжелый шпат, углекислые кальций и барий и т. п., поэтому выход кислорода гораздо ниже теоретического, и он получается всегда с примесью углекислоты и др. газов, которые нужно удалять промыванием щелочью, но и после этого остается некоторая примесь азота. Если порошкообразную перекись марганца постепенно нагревать с крепкой серной кислотой, то, как показал Шееле, выделяется половина кислорода, содержащегося в перекиси:

2MnO2 + 2H2SO4 → 2MnSO4 + 2H2O + О2

Очистка тут также необходима, как и при получении прямо из перекиси. По патенту Горнбостеля, реакция между МnО2 и H2SO4 наступает без нагревания, если в смесь пропускать ток воздуха под давлением; тогда воздух, выходящий из аппарата, сильно обогащается кислородом. и может быть с выгодой употреблен на нагревание. Так как при получении кислорода в малых количествах из MnO2 и H2SO4 стеклянный сосуд лопается от отвердевания MnSO4, то для избежания этого Винклер предложил сплавлять перекись с кислой серно-натровой солью.


Другие перекиси относятся так же, как перекись марганца, и также служат для получения кислорода; по Робинсу (Robins), 2 частицы перекиси бария и 1 часть двухромокислого калия дают со слабой серной кислотой при обыкновенной температуре правильный ток кислорода. По Бетгеру, смесь равных частей перекисей свинца и бария с разбавленной серной кислотой выделяет при обыкновенной температуре кислород. Касснер рекомендует для той же цели смесь перекиси бария с железо- или железисто-синеродистым калием:


K6Fe2Cy12 + 2BaO2 + H2 O → Ва 2 FеСу 6 + K4 FеСу 6 + 2KНО + 3О.


Перекись водорода - Н2О2 при нагревании и под влиянием весьма многих реагентов выделяет кислород. К 3-й группе соединений, служащих для получения кислорода, относятся кислоты и соли, богатые кислородом. Они, как и перекиси, выделяют кислород прямо при нагревании или при нагревании в смеси с другими телами. При пропускании тонкой струи серной кислоты на платиновую чашку, находящуюся в сильно накаленной глиняной реторте, наполненной индифферентным веществом, происходит разложение серной кислоты по уравнению:

2H 2SO4 → 2H2O + 2SO2 + O2

Пропуская смесь газов через холодильник, сгущают воду, а пропуская через раствор щелочи - освобождают кислород от SO2. 2½ кило серной кислоты дают 250 литров кислорода. Для технических целей этот способ недостаточно дешев. В качестве исторического примера получения кислорода можно указать на получение его Пристлеем в 1772 году и потом Шееле нагреванием селитры. Теперь в лабораториях обыкновенно получают К. нагреванием бертолетовой соли - KClO3 (хлорновато-калиевая соль), потому что соль эту очень легко иметь в чистом виде, кислорода получается много и нагревание невелико, что позволяет вести разложение в стеклянном сосуде. В технике этот прием неупотребителен из-за высокой цены соли. Соль эта при нагревании плавится и тотчас начинает выделять кислород, но через некоторое время выделение прекращается, соль твердеет, несмотря на непрерывное нагревание, и только при более сильном нагревании снова начинается плавление и выделение кислорода. Это явление происходит от неполного разложения соли по уравнению:

2KСlО3 → 2KСl + 3О2

Часть освободившегося кислорода образует с KClO3 хлорно-калиевую соль KСlО4, которая уже и разлагается далее при более высокой температуре. В начале опыта нагревание должно быть медленное, иначе может произойти взрыв, особенно если соль содержит уголь или органические вещества. Если разложение соли довести до конца, то 1 кило ее дает 271 литр кислорода. Так как при разложении сплавленная соль вспучивается, пузырится, а потом, при переходе в KСlО4, отвердевает, то поэтому нагревание, а вместе с тем и выделение кислорода, бывает неравномерное и сосуд зачастую лопается; чтобы избегнуть этого, рекомендуется подмешивать к сплавленной и растертой соли в количестве около 1/4 различные вещества, которые не плавятся, хорошо проводят теплоту и не дают прочных высших соединений с кислородом, как окись железа, окись или перекись марганца, окись меди и т. п., причем температура разложения соли понижается (чистая соль разлагается около 360°, а в смеси пополам с окисью железа - при 110-120° C, с перекисью марганца - при 200-205° C) и выделение кислорода идет правильнее. Эти примеси не выделяют своего кислорода, то образуют высшие степени окисления, которые тут же разлагаются. Только совершенно чистая соль дает чистый кислород, нечистая же и в смеси с окислами обыкновенно дает кислород с примесью хлора, поэтому газ промывается для очищения щелочью. Реакция эта необратимая и экзотермическая. При нагревании хромпика в порошке (3 части) с крепкой серной кислотой (4 части) получается кислород по уравнению:


K2Cr2O7 + 4H2SO4 → K2SO4 + Cr2 (SО 4) 3 + 4H2 О + О 3 (16% К. по весу хромпика).


Безводный цинковый купорос при накаливании также разлагается с выделением кислорода:

2ZnSO4 → 2ZnO + 2SO2 + O2

Девиль и Добре получили из 100 кило купороса 6,8 метров3 кислорода, 51 кило ZnO и 22 кило SO2. Хлорная известь при нагревании разлагается по уравнению:

CaCl2O2 → CaCl2 + O2

Один кило хлорной извести дает 40-50 литров кислорода обыкновенно с примесью хлора, который удаляется или щелочью, или хлорной известью с прибавкой едкой, или пропусканием газа над известью при слабом нагревании. Разложение идет гораздо легче, если взять раствор хлорной извести (также жавелевую воду или раствор хлорноватисто-натровой соли с поваренной солью) с примесью небольшого количества (½% и меньше) окиси кобальта или азотнокислой соли, причем окись кобальта тотчас образуется. По окончании реакции окись кобальта остается без перемены, но весьма возможно, что она окисляется дальше; высшая степень окисления отдает свой кислород оставляя окись кобальта, которая снова окисляется, и т. д. Для того чтобы избежать вспенивания во время выделения кислорода, сверху наливают минерального масла. Как окись кобальта действуют (несколько слабее) окиси никеля и меди.


Для получения больших количеств кислорода, техники с давних пор стремятся брать в качестве исходного материала атмосферный воздух, где находится неисчерпаемый запас кислорода в свободном состоянии в смеси с азотом. К сожалению, неизвестно, чтобы какое-нибудь тело легко соединялось с азотом и чтобы при этом другая часть смеси - кислород - оставалась неизменной. Чтобы достичь разделения, стараются пользоваться способностью К. соединяться со многими телами при низшей температуре и выделяться при высшей. Буссенго, например, предложил переводить окись бария при темно-красном калении в токе воздуха в перекись бария, которая при более сильном нагревании отдает кислород и оставляет исходную окись бария. По-видимому, этот способ очень прост, но на практике оказалось, что после 10-12 операций окись бария совершенно теряет способность превращаться в перекись. Гондоло старался устранить этот недостаток прибавкой к окиси бария извести, магнезии и небольшого количества марганцовокислого кали, очищая воздух от углекислоты щелочью. В таком виде операцию можно повторить 130 раз. Недавно этот способ очень усовершенствован братьями Горин, особенно в отношении аппаратов. Они прежде всего готовят по возможности чистую окись бария; для этой цели сухой азотнокислый барий нагревают мало-помалу в открытых тиглях до 1000-1500°, пока содержимое тиглей не сделается твердым и пористым, тогда тигли закрывают и нагревают в продолжение 4 часов до белого каления, потом переносят их в герметически закрытое пространство и тут охлаждают без доступа воздуха.


Таким образом приготовленной окисью бария наполняют железные реторты, помещенные в общей печи. Воздух вдувается под давлением и предварительно очищается от углекислоты и воды пропусканием над едкой известью и натром. Азот, оставшийся после реакции не поглощенным, выкачивается насосом. Когда окись бария при 500-600° перейдет в перекись, при 800° выделяют кислород и выкачивают его с помощью насоса. Если диссоциацию перекиси вести при сильном разряжении, то температуру можно держать одну и ту же, причем, правда, добыча кислорода уменьшается, но зато можно в то же время увеличить число операций. В таком виде способ применен Эльканом в Берлине. Реторты расположены в печи вертикально, где они непрерывно нагреваются до температуры, необходимой для разложения, а понижение ее, необходимое для образования перекиси, достигается пропусканием избытка холодного воздуха через нагретую массу. Необходимый воздух, пройдя два маленьких сборника с едкой известью и башенку с едким натром, сжимается и пропускается в реторты. Насос автоматически, примерно через каждые 5 минут, прекращает ток воздуха и потом разряжает. Сперва собирается кислород смешанный с воздухом, пока, примерно через 1½ минуты, не произойдет перемена тока воздуха, после чего собирается чистый кислород и переводится в газовый приемник; потом через 3 минуты опять начинается нагнетание воздуха. Кислород сжимается под давлением 100 атмосфер в стальных цилиндрах без швов, в которых и поступает в продажу. Для смазки насоса обыкновенные смазочные средства не годятся, для этого употребляют только воду, которая вместе с тем и охлаждает аппарат.


Для получения кислорода из воздуха может служить также полухлористая медь CuCl. Если эту соль нагревать в струе пара и воздуха при 150-200°, то она переходит в хлорокись меди Cu2Cl2O, которая при нагревании до 400° отдает весь свой кислород и оставляет снова исходную полухлористую медь. Малле получал таким образом кислород в Париже и Кёльне в 1872 году. Полухлористая медь смешивается на 1/3 с песком и нагревается в ретортах, выложенных глиной. 100 кило полухлористой меди дают 3-3½ м3 кислорода. Реторты сильно портятся от медной соли.


Если накаливать марганцово-натровую соль, то она отдает 1/4 своего кислорода и переходит главным образом в перекись марганца и марганцовистокислый натрий. При нагревании в парах воды этой последней соли Na 2MnO4 до 450° соль разлагается до перекиси марганца и едкого натра: Na 2MnO4+H2O → MnO2 +2NaHO+О. Если остаток от реакции нагревать в токе воздуха, то наступает обратная реакция: MnO 2 +2NaHO+О → Na 2MnO4+H2 O и т. д. На этом основан способ Тиссье де Мотая, который многократно был применен для получения кислорода в больших количествах. Примерно равные веса природной перекиси и едкого натра смешиваются для пористости и для избежания плавления с 1/5 частью окиси меди. Смесь нагревается до 450° в горизонтальных чугунных ретортах емкостью в 300-400 кило, эллиптического сечения, с решеткой, делящей их на две неравные части. В реторты вдувается воздух под давлением, тщательно очищенный от углекислоты едкой известью и нагретый примерно до 300°, с таким расчетом, чтобы на 1 объем кислорода приходились 10 объемов воздуха. Через 5 минут прекращают доступ воздуха и пускают водяной пар под давлением 2/3 атмосферы. Выделяющийся газ входит в конденсатор, где пар сгущается дождем холодной воды, а кислород собирается в приемник. Ток воздуха и пара чередуется через каждые 5 минут, пока (примерно через 6 часов) не начнется заметное уменьшение выделения кислорода и не потребуется более продолжительной регенерации в течение примерно одного часа. Расход топлива при этом способе довольно велик. По Касснеру, свинцовые соли щелочных земель могут служить для получения кислорода из воздуха. Соли получаются нагреванием щелочных земель или их углекислых солей с окисью свинца в токе воздуха.


Таким образом получается буро-красная известковая соль Са2PbО4, черная баритовая и бурая стронциевая (присутствие углекислоты в воздухе не вредит, но избегают даже следов сернистого газа). Из полученной таким образом пористой массы в ретортах или пламенной печи можно добыть кислород следующим образом: нагревание прекращают, масса от этого несколько охлаждается, и пускают струю чистой углекислоты, причем наступает быстрое выделение кислорода с отделением тепла и образование окиси свинца, а также углекислой соли щелочноземельного металла: Са2PbО4 + 2СО2 → 2CaCO3 + PbO + О. При благоприятной температуре можно получать кислород почти совсем свободный от углекислоты. Остающаяся масса регенерируется в свинцовую соль кальция пропусканием при ярко-красном калении водяного пара и воздуха, освобождающаяся при этом углекислота снова служит для получения кислорода. Если свинцовую соль кальция вдуванием воздуха охладить до 100° и слабо смочить струёй пара, то при введении влажного топочного газа соль можно легко разложить на перекись свинца и углекислый кальций: Са2РbО4 + 2СО2 → РbО2 + 2СаСО3. Для нагревания этой массы требуется только слабо-красное каление, когда с перегретым паром выделяется чистый кислород из PbO2. Остающаяся масса снова перерабатывается в свинцовую соль.


Теперь перейдем к описанию способов получения кислорода, основанных на его физических свойствах. Азот и Кислород, различно растворимы в воде; 1 объем воды при 0° и 760 мм растворяют 0,02035 объема азота и 0,04114 объема кислорода. Так как газы из смеси растворяются пропорционально их парциальному давлению (см.), а воздух содержит 79 объемов азота и 21 объем кислорода, то воздух, поглощенный одним объемом воды, состоит из:

0,79 x 0,020 = 0,0158 объема азота

и

0,210 x 0,041=0,00861 объема кислорода

Если этот воздух извлечь из раствора и снова растворить в воде, то он будет состоять из 47,5% (объемных) кислорода и 52,5% азота. После трех таких операций состав воздуха будет 62,5% кислорода и 37,5% азота; после 4 операций - 75% кислорода и 25% азота и после 8 операций остается только 2,7% азота. Этот способ применен в большом виде Малле (Mallei). Аппарат состоит из ряда свинцовых сосудов, не совсем наполненных водой и соединенных друг с другом насосом. Воздух сжимается в первом сосуде под давлением 5 атмосфер. Затем производят разряжение и выделяющиеся газы сжимают во втором сосуде и т. д. При работе с 4 сосудами операция продолжается 5 минут и дает газ с содержанием 75% кислорода. Способ этот неудобен тем, что требует много воды и движущей силы. По патенту Helouis, при этом способе выгодно брать для поглощения газов 20%-й раствор глицерина в воде. Посредством аппарата, употребленного изобретателем, уже после 3-х операций можно получить газ с содержанием 75%.


Грем нашел, что кислород воздуха проникает через каучуковую пластинку в 2½ раза скорее азота (см. Воздух). Основываясь на опытах Грема, Маржис устроил прибор для обогащения воздуха кислородом (см. фиг.).



b29_163-0.jpg



Обогащение воздуха кислородом при помощи проникновения через каучук.


Шелковые мешки пропитываются раствором каучука в каком-нибудь растворителе. Один из таких мешков a, покрытый каучуковой пленкой и подпертый железными распорками, вставлен в железный цилиндр b, через дырчатое дно и крышку которого входит воздух. Мешок трубкой d соединяется с паровым инжектором f. Лишь только инжектор начинает действовать, воздух просасывается через каучуковый мешок и в f смешивается с паром, который сгущается в холодильнике h, а воздух, обогащенный кислород, по трубке k входит во второй диализатор, такой же, как первый, только цилиндр l имеет вместо дырчатого сплошные дно и крышку с двумя отверстиями для впуска и выпуска воздуха. Трубка o служит для отвода недиализированного богатого азотом воздуха в водяной бак p, где, изменяя уровень воды, можно регулировать давление в цилиндре l. Воздух, прошедший через мешок m, поступает в место паровой инжекции f, отсюда в диализатор h и т. д., как раньше. Газ, выходящий из 4-го диализатора, содержит 95% кислорода, из 3-го - 80%, из 2-го - 60% и из 1-го - 41,6%. Монтаньон и Делер предложили воспользоваться поглощающей способностью древесного угля для получения кислорода из воздуха. 100 объемов свежеприготовленного древесного угля поглощают 925 объемов кислорода и только 705 объемов азота. Если уголь смочить водой, то выделяется 350 объемов кислорода и 650 объемов азота, так что в угле еще остается 575 объемов кислорода и 55 объемов азота. Если этот воздух извлечь насосом и опыт повторить с новым количеством угля, то можно получить довольно чистый кислород.


Вышепоименованные способы не дают достаточно дешевого кислорода, поэтому его употребление в чистом виде ограничено. Им пользуются главным образом там, где требуется высокая температура, как, например, в смеси с водородом для плавления платины, для получения друммондова света и т. п. Thorne рекомендует озон для беления бумажных тканей и для очищения светильного газа, пользуются им также для старения спиртных напитков. Кислород пользуются для поддержания дыхания в закрытых рабочих помещениях, где нельзя почему-либо возобновлять воздух. Левенталь изобрел аппарат для пожарных, в котором кислород для дыхания содержится в древесном угле. При поднятиях на высокие горы и при высоких полетах на воздушном шаре сжатый кислород рекомендуется также для поддержания дыхания. В медицине Кислород употребляется при многих болезнях, как астма, сахарное мочеизнурение, и как средство против отравления хлороформом.

Криогенный способ получения кислорода[править]

Индустриальная промышленность требовала большое количество кислорода, и на заре индустриализации использовались химические способы получения кислорода, но, энергетические затраты делали кислород дорогим сырьём, с созданием электролитического способа получения кислорода затрачивалось энергии 11-13 киловатт-час (кВт⋅час) на один кубометр кислорода и два кубометра водорода, что было приемлемо до создания промышленных гигантов. Рассуждая, что воздух является неисчерпаемым источником и совершенно бесплатным сырьём для получения кислорода. Естественно, и начался поиск более дешевого способа получения кислорода, и в 1902 году бала построена первая криогенная установка для промышленного получения технического кислорода, и для криогенных установок один кубометр кислорода энергетически обходился 1,2-1,6 кВт⋅час. Современные криогенные установки осуществляют комплексное разделение воздуха для разного вида производств, производительностью от 1000 до 35000 м3/час и чистотой 99,5 - 99,8%, и энергетической затратой на один кубометр кислорода 0,4-0,8 кВт⋅час.

Применение кислорода[править]

С периода 1960—1970 годов потребление кислорода промышленностью во всех странах увеличилось в 40 раз. Основными потребителями кислорода являются:

  • Машино- и транспорто- строение.
  • Медицина.
  • Металлообработка.
  • Металлургия.
  • Нефте- и газо- добыча.
  • Нефте- и газо- переработка и химия.
  • Пищевая промышленность.
  • Стекольная промышленность.
  • Химическая промышленность.
  • Электроника и приборостроение.
  • Энергетика.

Значительные количества жидкого и газообразного кислорода, азота и аргона требуются также для выполнения всевозможных программ исследования и освоения космоса. Области применения кислорода, азота и других газов неуклонно расширяются в связи с быстрейшим развитием науки и прогресса. Только черная металлургия США потребляет каждый год несколько тысяч миллионов кубометров кислорода.

В быту[править]

Помимо процесса горения, который используется в быту, кислород является основным компонентом в батарейках, которые используются так широко в современном мире, что нет в современности ни одного бытового автономного устройства, где не найти батареек. Такой элемент электропитания был подарен обществу известными учёными Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта и Майклом Фарадеем, именно это устройство создал и усовершенствовал Вольта (вольтов столб), после чего Вольта продемонстрировал это Наполеону Бонапарту, а называется гальваническим элементом потому, что Гальвани придумал широкое применение этому устройству, но физика этого устройства остаётся за Алессандро Вольта и Майклом Фарадеем (см. электролиз).


В XXI веке существует множество различных типов гальванических элементов:

  • Марганцево-цинковые,
  • Марганцево-оловянные,
  • Марганцево-магниевые,
  • Окисно-ртутно-оловянные,
  • Ртутно-цинковые,
  • Ртутно-кадмиевые,
  • Свинцово-цинковые,
  • Свинцово-кадмиевые,
  • Свинцово-хлорные,
  • Хром-цинковые,
  • И прочие инновационные батарейки.

Кроме внутреннего состава и конструкции, батарейки отличаются размерами, вольтажом[4] и ёмкостью заряда[5].

В медицине[править]

В медицине кислород используют для поддержания жизни больных и для лечения заболеваний; туберкулёза, хронической обструктивной болезни легких, синдрома Хурга-Штрауса и целого спектра хронических заболеваний легких, бронхов и гипоксии; гельминтоза, аскаридоза, колитов, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, болезней почек и нервных расстройств, атеросклероза и его предотвращения. Кислород обширно применяется и в косметической медицине.


Относительно здоровья человека, значение кислорода – убийца, ненаучно и фанатично завышено, ведь при нормальных условиях жизни кислород играет только оздоровительную и благотворную роль, но, при экстремальных условиях, когда пользуются кислородной средой без знания и без указаний врача, кислород может действительно стать и убийцей. Естественно, что самолечение при незнании основ медицины, при недостаточном врачебном надзоре, или безответственном отношении, всё с использованием кислорода только к тяжкому вреду здоровья или смерти приводит.

В промышленности[править]

Рост инновационного промышленного производства кислорода в огромных объемах обусловлен тем, что кислород широко используется в самых различных отраслях машиностроительной, металлообрабатывающей, металлургической и приборостроительной промышленности, и таких технологических процессов, как пайка, плавка, резка и сварка металлов, всевозможными современными высокотехнологичными устройствами, и даже компьютеризированными и роботизированными этими процессами с этими устройствами. Кислород используется в плазменной очистке металлов, что осуществляется с помощью кислородной плазмы. И, кислородное потребление такими пользователями, как США, Евросоюз и Китай, достигает более десяти миллионов кубометров в год.

В технике[править]

Вся автономно использующаяся техника; автомобили, самолеты, ракеты, корабли и тепловозы, генераторы и печи, основанные в движении или работе при сжигании кислорода из атмосферы. Сегодня трудно подсчитать сколько кислорода сжигает вся техника, и сколько выдаёт углекислого газа в атмосферу.

В энергетике[править]

В энергетике все тепловые станции, работающие на угле, нефти или природном газе, все промышленные генераторы для автономного снабжения энергией, используют атмосферный кислород для сжигания топлива. И, на сегодня все эти устройства энергетики вырабатывают около 80 % всей электрической энергии в планетарном масштабе, и только гидроэлектростанции и атомные электростанции вырабатывают 20 % электроэнергии, не расходуя кислорода из атмосферы, но и заполнить весь энергетический рынок энергией от гидро- и атомных электростанций – невозможно, как и альтернативными энергетическими установками, что являются ветро- или гелио- электростанциями.

Роль кислорода в биологии[править]

Кислород – основа основ жизнедеятельности всех живых организмов на Земле, и является основным биогенным элементом. Кислород находится в составе молекул всех важнейших веществ органической химии, которые отвечают за структуру и функции клеток (липиды, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты). Кислород поступает в живые организмы; растения, животных и человека, благодаря органам дыхания или посредством воды. Каждый живой организм содержит гораздо больше кислорода, чем какого-либо элемента, от 50 до 70 %. Так, организм взрослого среднестатистического человека массой 70 кг содержит 43 кг кислорода.


Роль кислорода в экономии природы громадна, как и его распространение. Без него немыслимы такие процессы огромной важности, как дыхание, пищеварение, горение и гниение. Три из процессов обуславливают жизнь со всеми ее проявлениями, третий дает нам тепло, а вместе с тем и энергию, необходимую для приготовления пищи. Помимо этих процессов, есть еще много других, которые обусловлены и известны под общим названием, как окисление кислородом.


Так же процентное содержание кислорода в атмосфере и гидросфере планеты Земля играет важную роль для живых организмов и человека. Доля кислорода в атмосфере планеты Земля в пределах 21%, содержание кислорода в гидросфере – 90%, в литосфере (земной коре) – 47%. И, повышение или понижение процента кислорода в атмосфере, гидросфере и литосфере, может благотворно или губительно сказываться на все формы жизни планеты Земля, как и на состояние атмосферы, гидросферы или плодородного слоя земли в районах и на континентах планеты.

Дыхание и горение[править]

Дыхание животных и горение схожи, как химические процессы, когда отходами являются углекислый газ, вода и теплота. Дыхание при повышенном уровне кислорода, схоже с горением в среде перенасыщенной кислородом, как и дыхание при пониженном уровне кислорода, сходе с горением в среде обедненной кислородом, как для нормального дыхания и горения необходим достаточный уровень кислорода.

Кислородное отравление[править]

Большой процент кислорода действует на звёзды, как и на человеческий организм, подобно яду общетоксического действия, что может выражаться у звёзд, живых организмов и человека, собственными симптомами и последующей неминуемой смертью. Доля кислорода в атмосфере планеты Земля не превышает 21%, потому, что именно такая его концентрация благотворна для дыхания живых организмов, и в частности человека. При вдыхании воздуха или искусственной кислородосодержащей газовой смеси в условиях повышенного давления может развиться кислородное отравление (гипероксия). Чаще всего гипероксия наблюдается в процессе применения регенеративных и кислородных аппаратов, во время процесса кислородной рекомпрессии, а также в результате превышения терапевтических доз, поступающих в лечебную барокамеру.


Отравление кислородом может привести к нарушению функций кровообращения, дыхательных органов и центральной нервной системы. Избыточное содержание кислорода в организме неизбежно приводит к преобладанию количества окисленного гемоглобина над гемоглобином восстановленным. Вследствие того, что за восстановленным гемоглобином закреплена функция транспортировки углекислого газа. Снижение количества восстановленного гемоглобина в крови обязательно закончится задержкой углекислого газа в тканях и органах – так называемым процессом гиперкапнии (отравления углекислым газом). Симптомы гиперкапнии – ярко выраженная одышка, покраснение лица, мучительная головная боль, судороги и глубокие обмороки.


Отравление кислородом неизбежно сопровождается нарушением кислородного обмена в органах и тканях. Поскольку в результате утилизации кислорода клетками некоторых тканей происходит образование некоторого количества свободных радикалов, известных своим разрушительным действием на клеточные мембраны, а при гипероксии этот процесс только усиливается. Гипероксия не имеет скрытого периода, а проявляется с повышением парциального давления кислорода в дыхательной кровеносной системе, что наблюдается почти мгновенно. Факторами, способствующими наступлению гипероксии, являются: интенсивная умственная нагрузка, перегревание, переохлаждение, присутствие нейтрального газа, погружение на глубину во время ныряния, и резкая и значительная смена высоты при полете на самолете или при прыжках с парашютом.


Гипероксия в сосудистой форме представляет самую большую опасность для здоровья человека и наступает при крайне высоких показателях кислорода в дыхательной смеси. При кислородном отравлении кровеносные сосуды резко расширяются, падает артериальное давление, возникает повышенная сонливость, усиливается потоотделение, прогрессирует бледность, подташнивает, повышается раздражительность, нарушается боковое зрение, возникают слуховые галлюцинации (посторонние звуки), ощущается покалывание в разных группах мышц и пальцах конечностей. При нарастании гипероксии наблюдаются сухость в горле, сильный отёк слизистой носа (вызывающим ощущение его заложенности), непрестанно усиливающийся кашель (сопровождающимся болевыми ощущениями за грудиной), значительное повышение температуры тела, учащающиеся судороги, обмороки, приступы глухоты и сильной рвоты. При усиливающейся гипероксии почти прекращается сердечная деятельность, происходят множественные кровоизлияния в кожные покровы, слизистые оболочки и даже в веществе головного мозга, в сердечной мышце, кишечнике, печени и лёгких. А, при резком падении давления может произойти полная остановка сердца и летальный исход.

Кислородное голодание[править]

Доля кислорода в атмосфере планеты Земля определенно не ниже 21%, потому, что именно такая его концентрация благотворна для дыхания живых организмов, и в частности человека. Кислородное голодание (гипоксия) может возникнуть как при недостаточном содержании кислорода в окружающей атмосфере, так и при нарушениях кровообращения мозга, шоковых состояниях, острой сердечно-сосудистой недостаточности, полной поперечной блокаде сердца, отравлении окисью углерода и при асфиксиях различного происхождения. При тяжелой форме острой гипоксии рано выявляются различной степени поражения нейроцитов вплоть до необратимых последствий в теле и органах.


При возникновении кислородной недостаточности или даже острой гипоксии, развивается возбуждение нервной системы, сменяющееся торможением и нарастающим отказом разных ее функций. Возбуждение сопровождается двигательным беспокойством, эйфорией, учащением сердцебиения и дыхания, бледностью кожного покрова, появлением холодного пота на лице и конечностях. Вслед за более или менее длительным периодом возбуждения развиваются угнетенное состояние с возникновением потемнения в глазах или «мелькания» перед глазами, головокружения, сонливости, общей заторможенности, оглушенности, с постепенным угнетением сознания. С единственными последствиями при кислородной недостаточности могут происходить обмороки, а при острой гипоксии долговременная потеря сознания или клиническая смерть.


При частой легкой гипоксии мозга могут быть, как последствия, и развиваться неврологические синдромы. По мере восстановления сознания после гипоксии, возникает состояние оглушения. Более глубокое оглушение определяется как сопор, легкие степени оглушения постепенно сменяются сомноленцией, что соответствует восстановлению функций коры головного мозга. В дальнейшем при восстановлении функций, иногда далеко не полном, долго сохраняются неврастеноподобные симптомы, характерные для постгипоксической астении. Особое значение в частых проявлениях легкой гипоксии имеет поддержание деятельности и лечение сердечно-сосудистой системы и дыхания, восстановление и поддержание водно-солевого баланса и кислотно-основного состояния.

Пищеварение и гниение[править]

Связь пищеварения с гниением основано на работе бактерий. Только одни бактерии работают при пищеварении над органикой в желудочно-кишечном такте животных и человека или в обычной природе, и пищеварению необходим кислород с пищей для лучшего и полного процесса переваривания органики. А, другие бактерии при процессе гниения органики доканчивает дело смерти, разрушая отжившие тела и превращая их главным образом в углекислоту, метан и воду, которые снова идут на дело формирования новой органики. Так, например, при неправильном приёме пищи и некачественной пищи меняется микрофлора желудка, и вместо пищеварительных бактерий размножаются гнилостные бактерии, из-за этого пищевые отравления, язвы и болезни желудка. Пищу необходимо насыщать кислородом, тщательно пережевывать пищу, не торопиться проглотить еду и после активно двигаться, а необходимо размеренно есть и отдохнуть после еды, ибо это способствует омоложению и здоровью организма. А, система фастфуда, как быстрого приёма пищи ведёт к быстрому старению, ожирению и нарушению обмена веществ, и порче состояния флоры желудка и болезням желудочно-кишечного тракта.

Экология планеты Земля[править]

Нахождение газов в атмосфере не так значительно, как процент кислорода. И, особенным является состояние озонового слоя планеты, который удерживает космические излучения на последнем рубеже, после гравитационного и магнитного полей, что напрямую связано с экологией планеты Земля. Прежде, случилась кислородная революция, это, когда первые растения начали наполнять атмосферу планеты Земля – кислородом. Позже, случались кислородные катастрофы, это, когда процент содержания кислорода на планете Земля был настолько мал, что существование любой жизни использующей кислород для дыхания было невозможно, и это называется в эволюционной биологии – массовым вымиранием. И, часто путают кислородную революцию с кислородной катастрофой, ставя их на один уровень, но это от незнания науки. Как и незнание того, что кислородная революция, это насыщение атмосферы кислородом до необходимого уровня в эволюции фауны, а кислородная катастрофа, это уменьшение процента кислорода и повышение процента парниковых газов в атмосфере.


Так, современная промышленность нуждаясь в огромных объёмах кислорода, выкачивает кислород из атмосферы в грандиозных объемах, что сродни происходящему из фантастического романа «Продавец воздуха» русского писателя Александра Беляева. И Стивен Хокинг задумавшись о возникающей проблеме на планете, даже посчитал, что кислорода хватит на пол века. Но, по моим личным расчётам и выводам при таком отношении к атмосфере, лесам, плодородной земле, как и при таком потреблении промышленностью и сжигании кислорода машинами, как и при таких бедствиях, что лесные и степные пожары, как и загрязнение атмосферы микрочастицами и сероводородом, что происходит по вине человека, кислорода для жизни земной фауны хватит только на 10 - 20 лет.


Первая возможность техногенной кислородной катастрофы была в начале индустриального века, в начале XX века, а вторая кислородная катастрофа может случиться совсем скоро, когда загрязнение атмосферы и выкачивание кислорода достигает грандиозных масштабов. Не стоит надеяться, что ничего не случиться, потому, что сегодня уже во многих городах планеты не хватает чистого воздуха и выжигается кислород бесчисленным количеством автомобилей, самолетов, промышленными и домашними устройствами и печами. Как, и потому, что никто не откажется от автомобилей, самолетов и другой техники, работающей на сжигании кислорода ради мнимой выгоды и сиюминутной прибыли. Почему, и может встать вопрос в генерации кислорода для индивидуального потребления из воды и прочих кислородсодержащих соединений, что было пророчески отражено Александром Беляевым.


Ещё одной особенностью при реакции сжигания углеводородных соединений является получение углекислого газа (CO2) и тепловой энергии (Q):

n(УГЛЕВОДОРОДА) + nO2 → nCO2 + nH2O + nQ

Что приведёт к парниковому эффекту, который может достигнуть значений, когда состояние атмосферы планеты может придти к совершенно неприемлемым для жизни, как на Венере. Естественно, и в этом не надо уповать, что всё обойдётся, нарушение содержания углекислого газа в атмосфере может прогрессировать и без влияния человека, как и при всесторонней борьбе человека за снижение углекислого газа в атмосфере, как и возвращение процентного содержания кислорода и восстановление озонового слоя.


И значимым в кислородной катастрофе является уничтожаемая человеком растительность, в виде лесов и разнотравья, когда вырубаются или сгорают лесные массивы и аннексируются территории луговых и лесных просторов под разное строительство, техническое земледелие или помойки. Так, в Индонезии при коррупционной схеме выжгли 80% лесного массива для технического земледелия, что составило выброс углекислого газа больше чем все вместе взятые индустриальные страны за это время. В России за время этого года сгорело огромное количество лесных и луговых пространств, что нанесло не только большой урон человеку, а экологии планеты, лишь потому, что не применялись методы экстренного тушения лесных пожаров, как и виновником таких пожаров являлся человек. Всё это медленно, но верно приводит состояние атмосферы к низкому содержанию кислорода и высокому углекислого газа, что неминуемо приведет к экологическому коллапсу. Ведь, не просто так Антуан Сент Экзюпери написал о принце и розе на далекой планете, когда человек должен заботиться о растениях, что залог человеческой жизни от полноценной жизнедеятельности растений, из чего следует:

Мы в ответе за тех, кто дарит нам жизнь.

А, конгломераты по добыче горючего топлива отрицают изменения климата планеты, что пандемия сжигания кислорода не отражается на атмосфере, что выбросы углекислого газа не влияют экологию и климат планеты, лишь потому, что на первом деле прибыль, и только на последнем забота о себе. США и Китай, как и прочие высоко индустриальные страны, являясь главными загрязнителями атмосферы и прожигателями кислорода, уже на себе испытывают беспечное отношение к экологии планеты. Без такого можно и прожить.


Ветровой и солнечной энергетикой, и даже атомной энергетикой не решить проблем топливно-энергетического коллапса, тут необходима альтернативная, мобильная и высокой мощности энергетика, как и высоко чистые производства, для сохранения живительного процентного состава атмосферы из составляющих её газов. Без чего не будет жизни на планете.

Интересные факты[править]

  • До 1961 гола, стандартной единицей атомной массы в химии считали атомную массу кислорода, принятую для смеси из трех природных изотопов кислорода равной 16,000.

Литература[править]

  • Основы общей химии. Некрасов Б.В. - Т.1. - М.: Химия, 1973 год.
  • Справочник по общей и неорганической химии. Лидин Р.А. - М.: Просвещение, 1997 год.

Ф. Ворожейкин. Δ .

Примечания[править]

  1. Рекомбинация — исчезновение свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.
  2. Диффундировать — соединяться, смешиваться, просачиваться, проникать, когда речь о газах и жидкостях.
  3. Диффузия — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие, процесс взаимного проникновения молекул или атомов.
  4. Вольтаж — степень напряжения электрического тока, измеряется в Вольтах.
  5. Ёмкость заряда — характеристика батарейки или аккумулятора, как мера способности отдавать электрический заряд, и выражается в Ампер/часов.
Статью можно улучшить?
✍ Редактировать 💸 Спонсировать 🔔 Подписаться 📩 Переслать 💬 Обсудить
Позвать друзей
Вам также может быть интересно: