КИСЛОРОД: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКОВЕ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2025

На кислород е химичен елемент, който е представен със символа О. е силно реактивен газ, което води групата 16: халогените. Това име се дължи на факта, че сярата и кислородът присъстват в почти всички минерали.

Високата му електроотрицателност обяснява голямата му алчност към електроните, което го кара да се комбинира с голям брой елементи; Така възниква широк спектър от минерални оксиди, които обогатяват земната кора. Така останалият кислород се състои и прави атмосферата дишаща.

Кислородът често е синоним на въздух и вода, но се намира и в скалите и минералите. Източник: Pxhere.

Кислородът е третият най-разпространен елемент във Вселената, зад водорода и хелия, а също така е основният компонент по маса на земната кора. Той има обемни проценти 20,8% от земната атмосфера и представлява 89% от масата на водата.

Обикновено има две алотропни форми: диатомичен кислород (O ₂), който е най-често срещаната форма в природата, и озон (O ₃), открит в стратосферата. Съществуват обаче два други (O ₄ и O ₈), които съществуват в течна или твърда фаза и под огромен натиск.

Кислородът непрекъснато се произвежда чрез процеса на фотосинтеза, осъществяван от фитопланктона и наземните растения. Веднъж произведен, той се освобождава, така че живите същества да могат да го използват, докато малка част от него се разтваря в моретата, поддържайки воден живот.

Следователно той е съществен елемент за живите същества; не само защото присъства в повечето съединения и молекули, които ги образуват, но и защото се намесва във всичките им метаболитни процеси.

Въпреки че изолацията му противоречиво се приписва на Карл Шеле и Джоузеф Притли през 1774 г., има признаци, че кислородът всъщност е изолиран за първи път през 1608 г. от Майкъл Сендивогий.

Този газ се използва в медицинската практика за подобряване на условията на живот на пациенти с дихателни затруднения. По същия начин кислородът се използва, за да позволи на хората да изпълняват функциите си в среда, където е намален или няма достъп до атмосферен кислород.

Произвежданият в търговската мрежа кислород се използва предимно в металургичната промишленост за превръщане на желязо в стомана.

история

Нитроариален дух

През 1500 г. Леонардо да Винчи въз основа на експериментите на Филон от Византия, извършени през втория век пр.н.е. В., заключи, че част от въздуха се консумира по време на горене и дишане.

През 1608 г. Корнелий Дреббъл показва, че загряването на салпере (сребърен нитрат, KNO ₃) произвежда газ. Този газ, както по-късно ще стане известно, беше кислород; но Drebble не можа да го идентифицира като нов елемент.

Тогава, през 1668 г., Джон Майоу посочи, че част от въздуха, която той нарича „Spiritus nitroaerus“, е отговорна за огъня и че той също се консумира по време на дишането и изгарянето на вещества. Majow забеляза, че веществата не изгарят в отсъствието на нитроариалния дух.

Majow извърши изгарянето на антимона и наблюдава увеличаване на теглото на антимона по време на неговото изгаряне. И така, Majow заключи, че антимонът се комбинира с нитроариалния дух.

откритие

Въпреки че не е получил признанието на научната общност, в живота или след смъртта си, вероятно Михаил Сандивогий (1604 г.) е истинският откривател на кислорода.

Сандивогий е шведски алхимик, философ и лекар, който произвежда термичното разлагане на калиев нитрат. Експериментите му го доведоха до отделянето на кислород, който той нарече „cibus vitae“: храна на живота.

Между 1771 и 1772 г. шведският химик Карл Шееле нагрява различни съединения: калиев нитрат, манганов оксид и живачен оксид. Шееле забеляза, че от тях се отделя газ, който увеличава изгарянето и който той нарича „пожарен въздух“.

Експериментите на Джоузеф Пристли

През 1774 г. английският химик Джоузеф Приест нагрява оксид на живак, използвайки дванадесет инчова лупа, която концентрира слънчевата светлина. Живакният оксид отдели газ, който кара свещта да гори много по-бързо от нормалното.

Освен това Priestly тества биологичния ефект на газа. За да направи това, той постави мишка в затворен контейнер, който очакваше да оцелее за петнадесет минути; обаче, в присъствието на газа, той оцеля един час, по-дълъг, отколкото беше преценил.

Свещеник публикува резултатите си през 1774 г.; докато Шеле го прави през 1775 г. Поради тази причина откриването на кислород често се приписва на Priestly.

Кислород във въздуха

Антоан Лавоазие, френски химик (1777 г.), открива, че въздухът съдържа 20% кислород и че когато веществото гори, всъщност се комбинира с кислород.

Лавоазие заключи, че видимото наддаване на тегло, преживяно от веществата по време на горенето им, се дължи на загубата на тегло, която се случва във въздуха; тъй като кислородът се комбинира с тези вещества и следователно масите на реагентите се запазват.

Това позволи на Лавоазие да установи Закона за опазване на материята. Лавоазие предложи името на кислорода, който идва от образуването на коренови киселини "оксиди" и "гени". Така че кислородът означава "образуваща киселина".

Това име е погрешно, тъй като не всички киселини съдържат кислород; например водородни халогениди (HF, HCl, HBr и HI).

Далтън (1810 г.) назначи на водата химическата формула HO и следователно атомното тегло на кислорода е 8. Група химици, включително: Дейви (1812 г.) и Берцелиус (1814 г.) коригираха подхода на Далтън и заключиха, че правилната формула за вода е Н ₂ О и атомното тегло на кислород е 16.

Физични и химични свойства

Външен вид

Безцветен газ без мирис и без вкус; докато озонът има остра миризма. Кислородът насърчава изгарянето, но сам по себе си не е гориво.

Течен кислород. Източник: щаб-старшина Ника Глоувър, ВВС на САЩ

В течната си форма (горно изображение) е бледо син цвят, а кристалите му също са синкави; но те могат да придобият розови, оранжеви и дори червеникави тонове (както ще бъде обяснено в раздела за тяхната структура).

Атомно тегло

15,999 ф.

Атомно число (Z)

8.

Точка на топене

-218,79 ° С.

Точка на кипене

-182.962 ° С.

плътност

При нормални условия: 1429 g / L. Кислородът е газ, който е по-гъст от въздуха. В допълнение, той е лош проводник на топлина и електричество. А при неговата (течна) точка на кипене плътността е 1,141 g / mL.

Тройна точка

54.361 К и 0.1463 kPa (14.44 атм).

Критична точка

154.581 K и 5.043 MPa (49770.54 атм).

Топлина от синтез

0,444 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

6.82 kJ / mol.

Моларен калоричен капацитет

29.378 J / (mol · K).

Парно налягане

При температура 90 К има налягане на парата 986,92 атм.

Окислителни състояния

-2, -1, +1, +2. Най-важното състояние на окисляване е -2 (O ^2-).

Електроотрицателност

3,44 по скалата на Полинг

Йонизационна енергия

Първо: 1,313,9 kJ / mol.

Второ: 3,388,3 kJ / mol.

Трето: 5300,5 kJ / mol.

Магнетичен ред

Парамагнитен.

Разтворимост във вода

Разтворимостта на кислорода във вода намалява с повишаване на температурата. Например: 14,6 ml кислород / L вода се разтваря при 0 ° С и 7,6 мл кислород / л вода при 20 ° С. Разтворимостта на кислорода в питейната вода е по-висока, отколкото в морската вода.

В състояние на температура 25 ºC и при налягане от 101,3 kPa, питейната вода може да съдържа 6,04 mL кислород / L вода; докато водата на морската вода само 4,95 мл кислород / л вода.

реактивност

Кислородът е силно реактивен газ, който реагира директно с почти всички елементи при стайна температура и високи температури; с изключение на металите с по-високи редукционни потенциали от медта.

Той може да реагира и със съединения, окислявайки присъстващите в тях елементи. Това се случва, когато реагира с глюкоза, например, за да произведе вода и въглероден диоксид; или когато гори дърва или въглеводород.

Кислородът може да приема електрони чрез пълен или частичен пренос, поради което се счита за окислител.

Най-честото число или състояние на окисляване за кислорода е -2. С този номер на окисляване той се намира във вода (H ₂ O), серен диоксид (SO ₂) и въглероден диоксид (CO ₂).

Също така, в органични съединения като алдехиди, алкохоли, карбоксилни киселини; общи киселини като H ₂ SO ₄, H ₂ CO ₃, HNO ₃; и неговите производни соли: Na ₂ SO ₄, Na ₂ СО ₃ или KNO ₃. Във всички тях би могло да се предположи съществуването на O ^2- (което не е вярно за органичните съединения).

оксиди

Кислородът присъства като O ^2- в кристалните структури на металните оксиди.

От друга страна, в метални супероксиди, като калиев супероксид (КО ₂), кислород е под формата на О ₂ ^- йон. Докато в метални пероксиди, да се каже, бариев пероксид (BaO ₂), кислородни появява като йон О ₂ ^2- (Ba ²⁺ О ₂ ^2-).

Изотопи

Кислородът има три стабилни изотопа: ¹⁶ O, с 99,76% изобилие; на ¹⁷ °, с 0.04%; и ¹⁸ 0, с 0,20%. Обърнете внимание, че ¹⁶ О е най-стабилният и изобилен изотоп.

Структура и електронна конфигурация

Кислородна молекула и нейните взаимодействия

Диатомична кислородна молекула. Източник: Клаудио Пистили

Кислородът в неговото основно състояние е атом, чиято електронна конфигурация е:

2s ² 2p ⁴

Според теорията за валентната връзка (TEV) два кислородни атома са ковалентно свързани, така че и двата отделно попълват валентния си октет; освен че може да сдвои двата си уединени електрона от 2p орбиталите.

По този начин след това, на двуатомен кислород молекула, O ₂ (горен изображение), се появява, което има двойна връзка (О = О). Неговата енергийна стабилност е такава, че кислородът никога не се намира като отделни атоми в газовата фаза, а като молекули.

Защото O ₂ е хомоядрени, линеен и симетричен, като няма постоянен диполен момент; следователно, техните междумолекулни взаимодействия зависят от молекулната им маса и силите на разсейване в Лондон. Тези сили са относително слаби за кислород, което обяснява защо това е газ при земни условия.

Въпреки това, когато температурата падне или повишаване на налягането, О ₂ молекули са принудени да се обединяват; до степен, че техните взаимодействия стават значителни и позволяват образуването на течен или твърд кислород. За да се опитаме да ги разберем молекулярно, е необходимо да се съхранят на О ₂ като структурна единица.

озон

Кислородът може да възприеме други значително стабилни молекулни структури; тоест той се намира в природата (или в рамките на лабораторията) в различни алотропни форми. Озонът (изображение отдолу), например О ₃, е вторият най-известен алотроп на кислород.

Структура на резонансния хибрид, представен от сфера и пръчкообразен модел за озоновата молекула. Източник: Бен Милс чрез Wikipedia.

Отново TEV поддържа, обяснява и показва, че в O ₃ трябва да има резонансни структури, които стабилизират положителния формален заряд на кислород в центъра (червени пунктирани линии); докато оксигените в краищата на бумеранга разпределят отрицателен заряд, което прави общия заряд за озона неутрален.

По този начин връзките не са единични, но нито едната е двойна. Примерите за резонансни хибриди са много често срещани в най-много неорганични молекули или йони.

На О ₂ и О ₃, защото техните молекулни структури са различни, Същото се случва и с техните физични и химични свойства, течни фази или кристали (дори когато те се състоят от кислородни атоми). Те теоретизират, че е вероятно мащабният синтез на цикличен озон, чиято структура наподобява тази на червеникав, оксигениран триъгълник.

Тук свършват „нормалните алотропи“ на кислорода. Въпреки това, трябва да се разгледат още две: O ₄ и O ₈, намерени или предложени съответно в течен и твърд кислород.

Течен кислород

Газовият кислород е безцветен, но когато температурата спадне до -183 ºC, той се кондензира в бледосиня течност (подобно на светлосиньо). Взаимодействията между O ₂ молекули е вече такива, че дори техните електрони могат да абсорбират фотони в червената област на видимия спектър, за да отразява тяхната характеристика син цвят.

Въпреки това, той е теоретизира, че в тази течност има повече от прости O ₂ молекули, но също така и О ₄ молекула (нисш изображение). Изглежда, че озонът е бил „залепен“ от друг кислороден атом, който по някакъв начин се намесва за току-що описания положителен официален заряд.

Предложена структура на модела със сфери и пръти за молекулата на тетраоксиген. Източник: Benjah-bmm27

Проблемът е, че според изчислителни и молекулярни симулации, споменатата структура за O ₄ не е точно стабилна; обаче, те се предскаже, че те съществуват като (O ₂) ₂ единици, което е два О ₂ молекули са толкова близо, че да формират един вид неправилна рамка (О атоми не са подравнени един срещу друг).

Твърд кислород

След като температурата спадне до -218,79 ºC, кислородът кристализира в проста кубична структура (γ фаза). С понижаване на температурата, кубичният кристал претърпява фази β (ромбоедрична и -229,35 ° C) и α (моноклинична и -249,35 ° C) фаза.

Всички тези кристални фази на твърд кислород протичат при околно налягане (1 атм). Когато налягането се повиши до 9 GPa (~ 9000 атм), се появява δ фазата, чиито кристали са оранжеви. Ако налягането продължава да се увеличава до 10 GPa, се появява твърдият червен кислород или ε фаза (отново моноклинична).

В ε фаза е специално, защото налягането е толкова огромен, че О на ₂ молекули не само се подреждат като O ₄ единици, но също O ₈:

Моделна структура със сфери и пръти за окта-кислородна молекула. Източник: Benjah-bmm27

Имайте предвид, че тази O ₈ се състои от две O ₄ единици, в които нередовно рамката вече беше обяснено могат да се видят. По същия начин е валидно да се разглежда като четири _O2s, подравнени отблизо и във вертикални положения. Въпреки това, тяхната стабилност при това налягане е такова, че О ₄ и О ₈ са две допълнителни алотропия за кислород.

И накрая имаме ζ фаза, метална (при налягане по-голяма от 96 GPa), в която налягането кара електроните да се разпръснат в кристала; точно както се случва с металите.

Къде да намерите и производство

полезни изкопаеми

Кислородът е третият елемент във Вселената по маса, зад водорода и хелия. Той е най-разпространеният елемент в земната кора, представляващ около 50% от неговата маса. Установено е, предимно в комбинация с силиций под формата на силициев оксид (SiO ₂).

Кислородът се намира като част от безброй минерали, като: кварц, талк, фелдшпат, хематит, куприт, бруцит, малахит, лимонит и др. По същия начин той се намира като част от многобройни съединения като карбонати, фосфати, сулфати, нитрати и др.

Въздух

Кислородът представлява 20,8% от атмосферния въздух по обем. В тропосферата се намира предимно като диатомична кислородна молекула. Докато е в стратосферата, газообразен слой между 15 и 50 км от земната повърхност, той се намира като озон.

Озонът се произвежда от електрически разряд на О, ₂ молекула. Този алотроп с кислород абсорбира ултравиолетовата светлина от слънчевата радиация, блокирайки вредното й действие върху хората, което в крайни случаи е свързано с появата на меланоми.

Прясна и солена вода

Кислородът е основен компонент на морската и сладководната вода от езера, реки и подземни води. Кислородът е част от химическата формула на водата, съставляваща 89% от нея по маса.

От друга страна, въпреки че разтворимостта на кислорода във вода е сравнително ниска, количеството кислород, разтворен в него, е от съществено значение за водния живот, който включва много видове животни и водорасли.

Живи същества

Човекът е съставен от приблизително 60% вода и в същото време богат на кислород. Но в допълнение, кислородът е част от множество съединения, като фосфати, карбонати, карбоксилни киселини, кетони и др., Които са от съществено значение за живота.

Кислородът също присъства в полизахаридите, липидите, протеините и нуклеиновите киселини; тоест т. нар. биологични макромолекули.

Той също е част от вредните отпадъци от човешката дейност, например: въглероден оксид и диоксид, както и серен диоксид.

Биологично производство

Растенията са отговорни за обогатяването на въздуха с кислород в замяна на въглеродния диоксид, който издишваме. Източник: Pexels

Кислородът се произвежда по време на фотосинтеза, процес, при който морският фитопланктон и сухопътните растения използват светлинна енергия, за да предизвикат реакция на въглеродния диоксид с водата, създавайки глюкоза и отделяйки кислород.

Изчислено е, че повече от 55% от кислорода, произведен чрез фотосинтеза, се дължи на действието на морския фитопланктон. Следователно, той представлява основният източник на генериране на кислород на Земята и е отговорен за поддържането на живота на него.

Индустриално производство

Втечняване на въздух

Основният метод за производство на кислород в индустриална форма е този, създаден през 1895 г., независимо от Карл Пол Готфрид Фон Линде и Уилям Хамсън. Този метод продължава да се използва и днес с някои модификации.

Процесът започва с компресия на въздуха, за да кондензира водната пара и по този начин да го елиминира. След това въздухът се пресява, като се провежда чрез смес от зеолит и силикагел за елиминиране на въглероден диоксид, тежки въглеводороди и останалата вода.

Впоследствие компонентите на течния въздух се разделят чрез фракционна дестилация, като се постига разделянето на газовете, присъстващи в него, от техните различни точки на кипене. По този метод е възможно да се получи кислород с 99% чистота.

Електролиза на водата

Кислородът се произвежда чрез електролиза на силно пречистена вода и с електрическа проводимост, която не надвишава 1 µS / cm. Водата се отделя чрез електролиза на нейните компоненти. Водородът като катион се движи към катода (-); докато кислородът се движи към анода (+).

Електродите имат специална структура за събиране на газовете и впоследствие да произвеждат втечняване.

Термично разлагане

При термично разлагане на съединения като живачен оксид и салпетр (калиев нитрат) се отделя кислород, който може да бъде събран за употреба. За тази цел се използват и пероксиди.

Биологична роля

Кислородът се произвежда от фитопланктона и наземните растения чрез фотосинтеза. Той пресича белодробната стена и се поема в кръвта от хемоглобин, който го транспортира до различни органи, за да бъде използван по-късно в клетъчния метаболизъм.

В този процес кислородът се използва по време на метаболизма на въглехидрати, мастни киселини и аминокиселини, за да произведе в крайна сметка въглероден диоксид и енергия.

Дишането може да бъде очертано по следния начин:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ => CO ₂ + H ₂ O + Енергия

Глюкозата се метаболизира в набор от последователни химични процеси, включително гликолиза, цикъла на Кребс, верига за транспорт на електрон и окислително фосфорилиране. Тази серия от събития произвежда енергия, която се натрупва като АТФ (аденозин трифосфат).

ATP се използва при различни процеси в клетки, включително транспорт на йони и други вещества през плазмената мембрана; чревната абсорбция на вещества; свиването на различни мускулни клетки; метаболизма на различни молекули и т.н.

Полиморфонуклеарните левкоцити и макрофаги са фагоцитни клетки, които са в състояние да използват кислород за производството на супероксиден йон, водороден пероксид и синглетен кислород, които се използват за унищожаване на микроорганизми.

Рискове

Дишането на кислород при високо налягане може да причини гадене, виене на свят, мускулни спазми, загуба на зрение, припадъци и загуба на съзнание. Освен това дишането на чист кислород за дълъг период от време причинява дразнене на белите дробове, което се проявява с кашлица и задух.

Тя може да бъде и причината за образуването на белодробен оток: много сериозно състояние, което ограничава дихателната функция.

Атмосфера с висока концентрация на кислород може да бъде опасна, тъй като улеснява развитието на пожари и експлозии.

Приложения

Лекари

Кислородът се прилага при пациенти с респираторна недостатъчност; такъв е случаят с пациенти с пневмония, белодробен оток или емфизем. Те не можеха да дишат околния кислород, тъй като ще бъдат сериозно засегнати.

Пациентите със сърдечна недостатъчност с натрупване на течност в алвеолите също трябва да бъдат снабдени с кислород; както и пациенти, претърпели тежък мозъчносъдов инцидент (CVA).

Професионална нужда

Пожарникарите, които се борят с пожар в среда с недостатъчна вентилация, изискват използването на маски и кислородни бутилки, които им позволяват да изпълняват функциите си, без да излагат живота си на риск.

Подводниците са оборудвани с оборудване за производство на кислород, което позволява на моряците да останат в затворена среда и без достъп до атмосферния въздух.

Водолазите вършат работата си потопена във вода и по този начин изолирани от атмосферния въздух. Те дишат чрез кислород, изпомпван през тръби, свързани с водолазния им костюм, или използването на цилиндри, прикрепени към тялото на водолаза.

Астронавтите извършват своята дейност в среда, оборудвана с кислородни генератори, които позволяват оцеляване по време на космическото пътуване и в космическа станция.

индустриален

Повече от 50% от индустриално произвеждания кислород се изразходва при превръщането на желязото в стомана. Разтопеното желязо се инжектира със струя кислород, за да се отстранят наличната сяра и въглерод; те реагират да произвеждат съответно газовете SO ₂ и CO ₂.

Ацетиленът се използва в комбинация с кислород за рязане на метални плочи, а също и за производството на тяхната спойка. Кислородът се използва и при производството на стъкло, като увеличава изгарянето при изпичането на стъклото, за да подобри неговата прозрачност.

Атомно-абсорбционна спектрофотометрия

Комбинацията от ацетилен и кислород се използва за изгаряне на проби с различен произход в атомно-абсорбционен спектрофотометър.

По време на процедурата светлинен лъч от лампа се нанася върху пламъка, което е специфично за елемента, който се определя количествено. Пламъкът поглъща светлината от лампата, което позволява количеството да се определи количествено.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Кислород. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Ричард Ван Норден. (13 септември 2006 г.). Просто доста фаза? Плътен червен кислород: безполезен, но възхитителен. Възстановени от: nature.com
4. AzoNano. (4 декември 2006 г.). Кристална структура на твърда кислородна ефаза, определена заедно с откриването на червен кислород O8. Възстановено от: azonano.com
5. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Кислородна молекула. PubChem база данни. CID = 977. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти на кислородния елемент. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com
7. Робърт С. Брасти. (9 юли 2019 г.). Кислород: химичен елемент. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
8. Wiki Kids. (2019). Семейство кислород: свойства на VIA елементи. Възстановена от: просто.наука
9. Advameg, Inc. (2019). Кислород. Възстановени от: madehow.com
10. Lenntech BV (2019). Периодична таблица: кислород. Възстановена от: lenntech.com
11. Ню Джърси, Министерство на здравеопазването и старшите услуги. (2007 г.). Кислород: информационен лист за опасни вещества., Възстановени от: nj.gov
12. Ямел Матароло. (2015 г., 26 август). Промишлени приложения на индустриален кислород. Възстановено от: altecdust.com