Кислород является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 8 и условным обозначением O. Кислород представляет собой при нормальных условиях газ без цвета и запаха, а так же высокореактивный неметалл и окислитель.
Открытие
Явление связи воздуха и процесса горения интересовало ученых с самых ранних времен. Первые известные эксперименты в истории датируются II веком до Нашей Эры. Греческий писатель-механик Филон Византийский провел наблюдения над процессом горения и поведением воздуха с соответствующими записями. Филон в своей работе под названием «Пневматика» ошибочно предположил, что часть воздуха в сосуде перевернутом над свечой превращается в классический элемент огня. Впоследствие многие ученые пытались проводить собственные опыты на основе знаний Филона, включая самого Леонардо да Винчи, но значимого успеха удалось добиться только в XVIII веке.
Хотя еще одним интересным моментом является статья от 1604 года польского алхимика, философа и врача Михаила Сендивогия под названием De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti. В переводе на русский она означает «Двенадцать трактатов о философском камне, взятые из источника природы и ручного опыта». Статья описывает вещество названное польским ученым как «пища жизни» и по мнению польского историка Романа Бугая оно соответствует кислороду. Эта статья не имела популярности в те времена и по-этому этот факт остался неизвестным.
Сегодня общепринятым фактом является, то что открытие такого химического элемента как кислород принадлежит Карлу Вильгельму Шееле. В 1771 году шведскому фармацевту удалось получить газообразный кислород путем нагревания оксида ртути и различного рода нитратов. Шееле назвал газ «огненным воздухом», потому что в то время он был единственным известным веществом поддерживающим горение. Химик написал отчет об этом открытии в рукописи под названием «Трактат о воздухе и огне», которую отправил своему издателю в 1775 году. Этот документ был опубликован только в 1777 году, что сегодня известно как дата открытия этого химического элемента.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Газ |
| Температура плавления | — 218,79 ° С |
| Точка кипения | — 182,96 °С |
| Плотность при Н.У. | 1,429 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | — |
| Критическая точка | — 118,57 °C, 5,43 МПа |
| Мол. теплота плавления | 0,444 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 6,82 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 29,378 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 22,4 · 10³ см³*моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 8 |
| Атомная масса | 15.99 |
| Электронная конфигурация | 1s22s22p4 |
| Радиус атома | 60 пм |
| Ковалентный радиус | 73 пм |
| Степени окисления | -2, -1, 0, +1, +2 |
| Радиус иона | 152 пм |
| Электроотрицательность | 3.44 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 1313,9 кДж/моль |
| Изотопы | 15O, 16O, 17O, 18O |
Интересное:
Добыча и производство
В современности существует очень много способов получения кислорода, но в коммерческих масштабах используется только электролиз и ректификация воздуха.
Процесс получения кислорода с помощью электролиза заключается в пропускании электрического тока через воду. Этот метод является относительно редким в отличие от фракционной перегонки и ректификации, но все же применяется и составляет около 2% от общего количества производимого кислорода. Этот метод часто используется в обучающих лабораторных опытах, но главной особенностью является использование тока постоянной частоты. Если используется электрический ток переменной частоты возникает взрывоопасная смесь водорода и кислорода больше известная как гремучий газ.
Процесс ректификации воздуха, который является основополагающим коммерческого производства кислорода, заключается в следующем. Воздух сжимают до 5 — 6 бар с помощью специальных компрессоров и значительно охлаждают. Затем его освобождают от углекислого газа и атмосферной влаги, а так же других газов через специальные фильтры. Этот процесс так же иногда называется фракционной перегонкой. В ходе процесса поочередно с помощью температуры и давления вытесняют все примеси газов и остается лишь смесь кислорода и азота, где содержание кислорода оценивается в 90%.
Фактическое разделение азота и кислорода происходит путем перегонки в двух ректификционных колоннах с разным давлением. Дистилляция происходит по принципу противотока, что означает, что газ, испаренный за счет энтальпии выделяющегося конденсата, течет вверх, а сконденсированная жидкость капает вниз. Поскольку кислород имеет более высокую температуру кипения, чем азот, он легче конденсируется и собирается внизу, а азот — в верхней части колонны. В результате этого процесса так же получают такие благородные газы как ксенон и криптон.
Ежегодное мировое производство кислорода оценивается в цифру свыше 100 миллионов тонн. Добываемый кислород хранят в специализированных баллонах с регуляторами давления.
Интересное:
Применение
Применение чистого кислорода достаточно разнообразно и основными сферами являются медицина, металлургия, пищевая промышленность и системы жизнеобеспечения.
В медицине кислород используется в больших объемах для осуществления искуственного процесса дыхания. Лечение не только повышает уровень кислорода в крови пациента, но и имеет вторичный эффект, который заключается в уменьшении сопротивления кровотоку при многих типах заболеваний легких, что снижает нагрузку на сердце. Кислородная терапия используется для лечения эмфиземы, пневмонии, некоторых заболеваний сердца (застойной сердечной недостаточности), некоторых заболеваний, вызывающих повышение давления в легочной артерии, а также любых заболеваний, которые ухудшают способность организма поглощать и использовать газообразный кислород.
Кислород используется в металлургии преимущественно для производства чугуна и стали, а так же при рафинировании меди. Чистый кислород или воздух, который был принудительно обогащен кислородом, используется для достижения высоких температур, а так же для освежения сырой стали. Кроме того, его используют для удаления нежелательных примесей углерода, кремния, марганца и фосфора, которые способны окисляться и отделяться. Около 55% всего коммерческого кислорода используется для изготовления стали.
В пищевой промышленности кислород был одобрен в качестве пищевой добавки, которая имеет номенклатурный номер Е948. Она используется наряду с азотом, углекислым газом и закисью азота в качестве пропеллента (упаковочного газа). Его наиболее часто используют для упаковывания баллонов со взбитыми сливками, но не исключаются и другие изделия. Кроме того, озон используется на предприятиях по производству питьевой воды для окисления органических веществ или железа и их дезинфекции. Данная операция имеет название озонирование.
Кислород массово применяется в системах жизнеобеспечения. Эти применения включают в себя кислородные баллоны в оборудовании аэрокосмической отрасли, оборудования для дайвинга и для подъемов в горные районы. Кроме того, кислородные маски применяются в аварийных системах на подводных кораблях (батискафах) и самолетах (как гражданского, так и военного назначения).
Интересное:
Безопасность
Кислород является относительно безопасным газом, который участвует в большинстве процессов жизнедеятельности организмов на планете, но в некоторых случаях может быть и токсичным. Это происходит при повышенном парциальном давлении, что в конечном счете может приводить к судорогам и другим проблемам со здоровьем. Кислород начинает становиться токсичным при парциальном давлении свыше 50 кПа, что соответствует давлению в два раза выше нормального. С подобного рода токсичностью наиболее часто сталкиваются альпинисты и водолазы, которые поднимаются на высокие участки гор или спускаются на большие глубины морей и океанов. Длительное вдыхание кислорода с парциальным давлением более 60 кПа может привести к фиброзу легких.
Высококонцентрированные источники кислорода способствуют быстрому горению, так как этот химический элемент является окислителем. Опасность сильного пожара или даже взрыва может возникнуть при взаимодействии топлива и окислителя с помощью искры или открытого огня. По этой причине необходимо соблюдать меры пожарной безопасности.
Без кислорода не было бы привычной жизни на планете и наша планета похожа была бы на марс