§ 13. Кислород

РАСПРОСТРАНЁННОСТЬ КИСЛОРОДА НА ЗЕМЛЕ И АЛЛОТРОПИЯ

Без кислорода невозможны два фундаментальных процесса, определяющих само существование человеческой цивилизации: горение (подарившее человечеству тепло и энергию, о чём повествует древний миф о Прометее) и дыхание (биологическая основа жизни на нашей планете).

Кислород — самый распространённый химический элемент на Земле. В связанном состоянии он входит в состав всех геосфер планеты:

• В литосфере (твёрдой земной коре) на долю атомов кислорода приходится почти половина её массы — около 49%;
• В гидросфере кислород вместе с водородом образует молекулы воды (H₂O), составляя 88,9% её массы;
• В атмосфере кислород присутствует уже в свободном состоянии в виде простого вещества, занимая ровно 21% объёма воздуха.

Для элемента кислорода характерно явление аллотропии — способность одного химического элемента образовывать несколько различных простых веществ (аллотропных модификаций), различающихся числом атомов в молекуле или строением кристаллической решётки. Кислород образует две модификации:

1. Обычный двухатомный кислород (O₂): газ без цвета, вкуса и запаха, поддерживающий дыхание и горение;
2. Трёхатомный озон (O₃): газ с резким характерным запахом («запах грозы»). Озон образуется в природе под действием молний или ультрафиолетового излучения Солнца (3O₂ → 2O₃). В стратосфере на высоте 20–25 км озон формирует защитный «озоновый экран», поглощающий губительное для живых клеток ультрафиолетовое излучение. В технике озон применяют для экологически чистого обеззараживания питьевой воды.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА

При стандартных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. Он немного тяжелее воздуха (молярная масса O₂ равна 32 г/моль, а средняя масса воздуха — 29 г/моль) и слабо растворим в воде (в 100 л воды при комнатной температуре растворяется всего около 3 л кислорода, чего, однако, вполне достаточно для дыхания рыб и водных организмов). При охлаждении до -183 °C кислород сжижается в подвижную светло-голубую жидкость, которая притягивается магнитом.

Получение кислорода в промышленности:

В заводских масштабах химические реакции не используют — сырьём служит бесплатный атмосферный воздух. Кислород получают физическим методом фракционной перегонки (ректификации) жидкого воздуха:

• Воздух глубоко охлаждают и сжимают под высоким давлением, превращая в жидкость;
• Затем жидкий воздух начинают медленно нагревать. Азот имеет более низкую температуру кипения (-196 °C) и испаряется первым, а жидкий кислород (температура кипения -183 °C) остаётся в аппарате.

Получение кислорода в лаборатории:

В лабораторных условиях кислород получают реакциями разложения термически нестабильных сложных кислородсодержащих соединений:

1. Разложение перманганата калия (марганцовки) при нагревании:

2KMnO₄ =(t)=> K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

1. Каталитическое разложение раствора пероксида водорода (перекиси):

При комнатной температуре реакция идёт крайне медленно, но при добавлении чёрного порошка оксида марганца(IV) MnO₂ в качестве катализатора раствор мгновенно бурно вскипает с выделением чистого кислорода:

2H₂O₂ =(MnO₂)=> 2H₂O + O₂↑

СОБИРАНИЕ И РАСПОЗНАВАНИЕ КИСЛОРОДА

В школьной лаборатории для сбора чистого кислорода используют два проверенных метода:

• Метод вытеснения воздуха: газоотводную трубку опускают на дно сухого стакана или пробирки, установленной дном вниз. Поскольку кислород тяжелее воздуха, он плавно опускается на дно сосуда, вытесняя более лёгкий воздух наружу через горлышко.
• Метод вытеснения воды: пробирку, заполненную водой, переворачивают вверх дном в сосуд с водой и подводят трубку снизу. Пузырьки кислорода собираются под дном пробирки, выталкивая воду вниз. Этот метод осуществим благодаря очень низкой растворимости кислорода в воде.

Качественная реакция (распознавание): чтобы доказать наличие чистого кислорода в колбе, в неё вносят тлеющую лучинку (деревянную щепку с еле тлеющим угольком). В атмосфере кислорода лучинка мгновенно вспыхивает ярким пламенем.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА: ОКИСЛЕНИЕ И ГОРЕНИЕ

Кислород является одним из самых активных неметаллов-окислителей (уступая по электроотрицательности только фтору) и энергично взаимодействует с большинством простых и сложных веществ.

1. Взаимодействие с металлами (кроме благородных — золота Au и платины Pt):

• Горение магниевой ленты сопровождается ослепительным белым свечением (вспышкой) с образованием белого порошка оксида магния:

2Mg + O₂ = 2MgO

• Раскалённый железный порошок или тонкая стальная пружинка в колбе с чистым кислородом вспыхивает и горит с разбрасыванием ослепительных искр (подобно бенгальскому огню), образуя железную окалину:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (смешанный оксид FeO · Fe₂O₃)

2. Взаимодействие с неметаллами:

• Сера горит на воздухе тусклым пламенем, а в чистом кислороде вспыхивает красивым васильково-синим огнём с выделением бесцветного сернистого газа с резким удушливым запахом:

S + O₂ = SO₂↑

• Фосфор горит ослепительно ярким пламенем, заполняя сосуд плотным белым дымом оксида фосфора(V):

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

• Уголь раскаляется докрасна и сгорает без пламени и дыма, образуя углекислый газ:

C + O₂ = CO₂↑

3. Взаимодействие со сложными веществами:

Кислород окисляет сложные водородсодержащие и органические соединения до высших оксидов. Главный компонент природного газа — метан CH₄ — сгорает в кислороде с выделением огромного количества полезного тепла:

CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА В ПРИРОДЕ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

В живой природе кислород совершает непрерывный замкнутый планетарный круговорот:

• Расход кислорода: осуществляется в процессах дыхания всех живых существ, сжигания автомобильного и промышленного топлива, вулканической деятельности, лесных пожаров и медленного гниения органических остатков. В организме человека гемоглобин эритроцитов доставляет O₂ к клеткам, где в процессах медленного окисления пищи выделяется энергия для жизни.
• Восполнение кислорода: единственным источником свободного кислорода на Земле является биохимический процесс фотосинтеза в зелёных растениях и водорослях на свету:

6CO₂ + 6H₂O =(свет, хлорофилл)=> C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑

При этом около 80% всего кислорода планеты вырабатывают микроскопические обитатели Мирового океана — цианобактерии и фитопланктон!

Практическое применение:

• Металлургия: продувка расплавленного чугуна кислородом в конвертерах для выплавки высококачественной стали;
• Сварка и резка металлов: в кислородно-ацетиленовых горелках температура пламени превышает 3000 °C, легко разрезая толстые стальные балки;
• Космонавтика: жидкий кислород служит мощнейшим экологически чистым окислителем ракетного топлива;
• Медицина и спецслужбы: оксигенотерапия в аппаратах ИВЛ, палатах реанимации и автономные дыхательные аппараты для пожарных, водолазов и лётчиков.

Газообразный кислород транспортируют под высоким давлением (150 атмосфер) в прочных стальных баллонах голубого цвета с синей надписью «КИСЛОРОД», а жидкий кислород хранят в специальных термосах — сосудах Дьюара.