§ 13. Кислород

Химический элемент 16-й группы 2-го периода периодической системы (порядковый номер 8, атомная масса 16), самый распространённый элемент на Земле, образующий простое вещество состава $O_2$.

• В земной коре (литосфере) на его долю приходится почти половина массы (около 49%), в гидросфере (в составе молекул $H_2O$) — 88,9% по массе, в атмосфере — 21% по объёму
• Простое вещество $O_2$ — газ без цвета, запаха и вкуса, немного тяжелее воздуха ($M_r(O_2) = 32$, $M_r(возд.) = 29$), малорастворим в воде (в 100 объёмах воды при 20 °C растворяется всего около 3 объёмов кислорода)
• При температуре -183 °C и нормальном давлении сжижается в подвижную жидкость светло-голубого цвета, притягиваемую магнитом

Аллотропная модификация кислорода с молекулярной формулой $O_3$, образующаяся из двухатомного кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца или электрических разрядов: $3O_2 \xrightarrow{h\nu} 2O_3$.

• Является газом с резким характерным запахом («запах свежести после грозы»), в 1,5 раза тяжелее обычного кислорода ($M_r(O_3) = 48$)
• Образует в стратосфере озоновый экран (на высоте 20–25 км), защищающий биосферу от губительного коротковолнового солнечного ультрафиолета
• Обладает исключительной окислительной способностью и сильным бактерицидным действием, благодаря чему применяется для экологически чистого обеззараживания питьевой воды (озонирования)

Процессы выделения чистого кислорода в свободном виде в лабораторных условиях и в промышленных масштабах.

• 1. В промышленности: физический метод фракционной перегонки (ректификации) жидкого воздуха — при медленном нагревании сжиженного воздуха первым улетучивается азот ($t_{кип} = -196\ ^\circ\text{C}$), а жидкий кислород ($t_{кип} = -183\ ^\circ\text{C}$) остаётся
• 2. В лаборатории: химические реакции термического разложения кислородсодержащих солей или каталитического разложения пероксида водорода:
• Разложение перманганата калия при нагревании:

$$2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t} \text{K}_2\text{MnO}_4 + \text{MnO}_2 + \text{O}_2\uparrow$$

• Каталитическое разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца(IV):

$$2\\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow$$

Экспериментальные методики улавливания и качественной идентификации газообразного кислорода.

• 1. Метод вытеснения воздуха: газоотводную трубку опускают на дно сосуда, установленного дном вниз, так как кислород тяжелее воздуха ($\rho(\text{O}_2) > \rho(\text{возд.})$)
• 2. Метод вытеснения воды: сосуд заполняют водой и переворачивают в ванночку с водой, направляя трубку под срез горлышка (применим благодаря малой растворимости кислорода в воде)
• 3. Качественная реакция (распознавание): внесение тлеющей деревянной лучинки в сосуд с газом — в атмосфере чистого кислорода лучинка мгновенно ослепительно вспыхивает и горит ярким пламенем

Высокая окислительная способность кислорода вступать в экзотермические реакции горения и окисления с образованием оксидов.

• 1. Взаимодействие с металлами: реагирует почти со всеми металлами (кроме благородных — золота $\text{Au}$ и платины $\text{Pt}$):
• Горение магниевой ленты ослепительным пламенем:

$$2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$$

• Горение железной проволоки/порошка в кислороде с разбрасыванием искр (образуется железная окалина):

$$3\text{Fe} + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4 \quad (\text{FeO} \cdot \text{Fe}_2\text{O}_3)$$

• 2. Взаимодействие с неметаллами: протекает активно с серой, фосфором, углём:
• Горение фосфора ярким пламенем с образованием белого дыма:

$$4\text{P} + 5\text{O}_2 \rightarrow 2\text{P}_2\text{O}_5$$

• Горение серы синеватым пламенем с выделением резкого газа:

$$\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2\uparrow$$

• Горение углерода:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\uparrow$$

• 3. Взаимодействие со сложными веществами: окисление углеводородов и сернистых соединений до высших стабильных оксидов:
• Горение метана (природного газа):

$$\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\uparrow + 2\\text{H}_2\text{O}$$

Практическое использование технического и медицинского кислорода, основанное на его способности поддерживать дыхание и создавать высокие температуры при горении.

• В металлургии — для интенсификации выплавки чугуна и стали в кислородно-конвертерных процессах
• В сварочном деле — высокотемпературная кислородно-ацетиленовая резка и сварка металлов (температура факела свыше 3000 °C)
• В медицине — поддержка дыхания тяжелобольных, реанимационные палаты, кислородные подушки и палатки
• В авиации, космонавтике и подводном деле — в качестве окислителя ракетного топлива (жидкий кислород) и для заправки систем дыхания в изолирующих аппаратах

Непрерывный замкнутый планетарный биогеохимический цикл миграции и трансформации кислорода между биосферой, атмосферой, гидросферой и литосферой.

• 1. Выделение в атмосферу: осуществляется исключительно благодаря фотосинтезу зелёных растений и фитопланктона (цианобактерий) на свету:

$$6\text{CO}_2 + 6\\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{свет, хлорофилл}} \text{C}_6\\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2\uparrow$$

(При этом до 80% всего атмосферного кислорода вырабатывается микроорганизмами и водорослями Мирового океана)

• 2. Расход кислорода: процессы дыхания живых организмов, промышленное сжигание топлива, естественные лесные пожары, гниение органики и медленное выветривание/окисление минералов земной коры

Шотландский химик и физик, один из основоположников криогеники и физики сверхнизких температур, создатель первого вакуумного сосуда-термоса для длительного хранения сжиженных газов.

• В 1892 году разработал сосуд с двойными вакуумированными посеребрёнными стенками (сосуд Дьюара), решивший фундаментальную проблему теплоизоляции и длительного сохранения сжиженных газов.
• В школьном курсе химии сосуд Дьюара изучается как базовый прибор для безопасной перевозки и хранения жидкого кислорода при температуре кипения минус 183 °C без применения постоянного охлаждения.
• Внёс выдающийся вклад в изучение свойств газов при сверхнизких температурах, впервые в истории науки ожижив водород в 1898 году и получив его в твёрдом агрегатном состоянии в 1899 году.

Химический элемент кислород образует две аллотропные модификации простых веществ: кислород ($\text{O}_2$) и озон ($\text{O}_3$).

• Состав молекулы: молекула кислорода состоит из двух атомов ($\text{O}_2$, $M_r = 32$), молекула озона — из трёх атомов ($\text{O}_3$, $M_r = 48$).
• Физические свойства:
• Кислород — бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, малорастворим в воде, сжижается при -183 °C в светло-голубую жидкость.
• Озон — газ с резким характерным запахом («запах грозы»), обладающий светло-синим оттенком, растворим в воде значительно лучше кислорода (примерно в 10 раз), сжижается при -112 °C в тёмно-синюю жидкость.
• Химическая активность и физиологическое действие:
• Озон химически гораздо более активен и нестабилен, чем двухатомный кислород. Он быстро самопроизвольно разлагается с выделением атомарного кислорода ($\text{O}_3 \rightarrow \text{O}_2 + [\text{O}]$), являясь мощнейшим окислителем.
• Кислород поддерживает дыхание и необходим для жизни аэробов, а озон в высоких концентрациях ядовит, разрушает дыхательные пути, однако обладает сильнейшим обеззараживающим (бактерицидным) эффектом.

1. Значение в природе:

В верхних слоях атмосферы (стратосфере на высоте 20–25 км) под действием ультрафиолетового излучения Солнца из молекул $\text{O}_2$ образуется озоновый слой («озоновый экран»):

$$3\text{O}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\text{O}_3$$

Этот экран поглощает смертоносную для биологических макромолекул коротковолновую часть солнечного ультрафиолетового излучения, делая возможной белковую жизнь на суше.

2. Практическое применение:

Благодаря способности уничтожать микроорганизмы и бактерии без образования вредных хлорорганических соединений, озон широко применяется:

• Для дезинфекции и очистки питьевой воды на водоочистных станциях (озонирование);
• Для стерилизации воздуха, операционных залов и медицинских инструментов;
• Для очистки промышленных сточных вод и отбеливания тканей и бумаги.

1. Уравнения реакций получения кислорода в лаборатории:

• Термическое разложение кристаллического перманганата калия при нагревании:

$$2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t} \text{K}_2\text{MnO}_4 + \text{MnO}_2 + \text{O}_2\uparrow$$

• Каталитическое разложение водного раствора пероксида водорода в присутствии катализатора — оксида марганца(IV):

$$2\\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow$$

• Разложение хлората калия (бертолетовой соли) при катализе:

$$2\text{KClO}_3 \xrightarrow{\text{MnO}_2, t} 2\text{KCl} + 3\text{O}_2\uparrow$$

2. Способы собирания и распознавания:

• а) Собирание кислорода:
• Методом вытеснения воздуха: сосуд-приёмник располагают дном вниз (газоотводную трубку опускают до самого дна), так как кислород тяжелее воздуха ($M_r(\text{O}_2) = 32 > M_r(\text{возд.}) \approx 29$);
• Методом вытеснения воды: сосуд заполняют водой, переворачивают горлышком вниз в кристаллизатор с водой и подводят трубку снизу — газ собирается над водой, так как $\text{O}_2$ плохо растворим в воде.
• б) Доказывание наличия кислорода:
• В сосуд с собранным газом вносят тлеющую лучинку (деревянную щепку с угольком на конце). В атмосфере чистого кислорода лучинка мгновенно ярко вспыхивает пламенем.

В промышленных масштабах кислород получают физическим методом глубокого охлаждения и разделения воздуха (ректификацией жидкого воздуха).

• Суть технологического процесса:
• Атмосферный воздух очищают от пыли, углекислого газа и влаги, после чего подвергают многократному циклическому сжатию компрессорами под высоким давлением (до 200 атм) и глубокому охлаждению, в результате чего он переходит в жидкое агрегатное состояние.
• Полученный жидкий воздух направляют в ректификационные колонны, где осуществляют фракционную перегонку, основанную на различии температур кипения компонентов смеси:
• Азот $\text{N}_2$ имеет более низкую температуру кипения ($-196\ ^\circ\text{C}$), поэтому при осторожном нагревании жидкого воздуха он закипает и испаряется первым.
• Кислород $\text{O}_2$ имеет температуру кипения $-183\ ^\circ\text{C}$ и остаётся в жидком виде в нижней части ректификационного аппарата.
• Полученный газообразный кислород закачивают под давлением 150 атм в стальные баллоны голубого цвета с синей надписью «КИСЛОРОД», а жидкий кислород хранят и транспортируют в специальных криогенных сосудах Дьюара.

Основные сферы промышленного, научно-технического и бытового применения кислорода:

• Металлургическое производство: обогащение дутья в доменных печах при выплавке чугуна и продувка расплавленного металла в кислородных конвертерах для быстрого выжигания избыточного углерода при получении высококачественной стали.
• Газопламенная обработка металлов: сжигание ацетилена или водорода в чистом кислороде в сварочных горелках для создания узкого пламени с температурой выше 3000 °C, применяемого для резки и сварки толстолистовой стали.
• Химический синтез: окисление сырья для крупнотоннажного производства серной, азотной и уксусной кислот, метанола, оксидов и искусственных удобрений.
• Ракетно-космическая техника: использование жидкого кислорода в качестве высокоэффективного нетоксичного окислителя углеводородного и водородного ракетного топлива.
• Медицина и спасательные службы: оксигенотерапия в реанимационных отделениях и палатах интенсивной терапии, наполнение дыхательных систем в аппаратах изолированного дыхания для водолазов, пожарных, космонавтов и лётчиков высотной авиации.

Дано и уравнения химических реакций:

• а) Окисление диоксида серы:

$$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{V}_2\text{O}_5, t} 2\text{SO}_3$$

(Реакция соединения, каталитическое окисление сернистого газа до серного ангидрида).

• б) Обжиг сульфида цинка (цинковой обманки):

$$2\text{ZnS} + 3\text{O}_2 \xrightarrow{t} 2\text{ZnO} + 2\text{SO}_2\uparrow$$

(Окислительно-восстановительная реакция обжига сульфидной руды кислородом воздуха).

• в) Термическое разложение нитрата натрия (натриевой селитры):

$$2\text{NaNO}_3 \xrightarrow{t} 2\text{NaNO}_2 + \text{O}_2\uparrow$$

(Реакция разложения с выделением свободного газообразного кислорода).

• г) Горение ацетилена в кислороде:

$$2\text{C}_2\\text{H}_2 + 5\text{O}_2 \rightarrow 4\text{CO}_2\uparrow + 2\\text{H}_2\text{O}$$

(Полное окисление ненасыщенного углеводорода с выделением большого количества тепла).

1. Историческая справка и уравнение реакции:

В 1774 году английский химик Джозеф Пристли сфокусировал солнечные лучи с помощью большой двояковыпуклой линзы на оксиде ртути(II) $\text{HgO}$, находящемся под колоколом, и открыл неизвестный газ, поддерживающий горение и дыхание:

$$2\text{HgO} \xrightarrow{t} 2\text{Hg} + \text{O}_2\uparrow$$

2. Тип реакции по тепловому эффекту:

Данная реакция протекает только при непрерывном подводе тепловой энергии (сильном нагревании свыше 450 °C) и сопровождается поглощением тепла из окружающей среды. Следовательно, по тепловому эффекту эта реакция относится к эндотермическим реакциям ($-\!Q$).