Кислород, аллотропия, нахождение в природе и способы получения, химические свойства

     Слово кислород ( именовался в начале  XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М.В.Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово « кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. Oxgene), предложенного А.Лавуазье, который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его – «кислота», ранее подразумевавшим окислы, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

                                                                                                                Джозеф Присли

      То, что кислород невидим, безвкусен,  лишен запаха, газообразен при  обычных условиях, надолго задержало  его открытие.

      Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со  свойствами, которые, как мы теперь  знаем, присущи кислороду.

      Изобретатель подводной лодки  К. Дреббель еще в начале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить.

       Кислород открыли почти одновременно  два выдающихся химика второй  половины XVIII в. – швед Карл  Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.

      И все-таки главная фигура в  истории открытия кислорода –  не Шееле и не Пристли. Они открыли новый газ – и только. Открыли кислород – и до конца дней своих остались ревностными защитниками теории флогистона! Теории – некогда полезной, но к концу XVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки».

     Позже  Фридрих Энгельс напишет об  этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках.  Элемент, которому суждено было  революционизировать химию, пропадал  в их руках бесследно... Собственно  открывшим кислород, поэтому остается  Лавуазье, а не те двое, которые  только описали кислород, даже  не догадываясь, что они описывают».

     Великий  французский химик Антуан Лоран  Лавуазье (тогда еще очень молодой)  узнал о кислороде от самого  Пристли. Спустя два месяца  после открытия «дефлогистонированного воздуха» Пристли приехал в Париж и подробно рассказал о том, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцовая окалины) новый «воздух» выделяется.

     До  встречи с Пристли Лавуазье  не знал, что в горении и  дыхании принимает участие только  часть воздуха. Теперь он по-новому  поставил начатые двумя годами  раньше исследования горения.  Для них характерен скрупулезный  количественный подход: все, что  можно, взвешивалось или как-либо  иначе измерялось.

    Лавуазье  наблюдал образование красных  чешуек «ртутной окалины» и  уменьшение объема воздуха при  нагревании ртути в запаянной  реторте. В другой реторте,  применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем  опыте 2,7 г «ртутной окалины» и получил 2,5 г ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его «жизненным газом». Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне – «огненной материи», якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала.

     Кислородная  теория горения пришла на смену  теории флогистона. За два века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье не только  не была опровергнута, но еще  более укрепилась.     

     Это  не значит, конечно, что об элементе  №8 современной науке известно  абсолютно все.

     Кислород – элемент главной подгруппы VI  группы, второго периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначатся символом О (лат.Oxygenium). Кислород – химически активный неметалл, является самым легким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) при нормальных условиях – газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула ), в связи с чем его также называют дикислород. 1 литр кислорода весит 1,429 гр. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворим в воде ( 4,9 мл/100г при 0⁰С, 2,09 мл/100г при 50⁰С) и спирте (2,78 мл/100г при 25⁰С). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма О₂ в 1объёме Ag при 961⁰С). Является парамагнетиком.

  При нагревании  газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000⁰С – 0,03%, при 2600⁰С – 1%, 4000⁰С – 59%, 6000⁰С – 99,5%.

Жидкий кислород (темп. кипения -182,98⁰С) это бледно-голубя жидкость, а твердый (темп. плавления -218,78⁰С) представляет собой кристаллы светло-синего цвета. Известны шесть кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

      α-О₂ – существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии;

      β-О₂ – существует в интервале температур от 23,65 до 46,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку;

      γ-О₂ – существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию.

  Ещё три  фазы образуются при высоких  давлениях:

      δ-О₂ – интервал температур 20-240 К и давление 6-8 Гпа, оранжевые кристаллы;

      ε-О₂ – давление от 10 и до 96 Гпа, цвет кристаллов от темно-красного до черного, моноклинная сингония;

      ζ-О₂ – давление более 96 Гпа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние.

       Любой природный атом кислорода содержит 8 протонов в ядре, но число нейтронов может быть равно 8,9 или 10. Наиболее распространенный из трех изотопов кислорода ( 99,76%) – это ¹⁶₈ О ( 8 протонов и 8 нейтронов). Содержание другого изотопа, ¹⁸₈О (8 протонов и 10 нейтронов), составляет всего 0,2%. Этот изотоп используется как метка или для идентификации некоторых молекула, а также для проведения биохимических и медико-химических исследований (метод изучения не радиоактивных следов). Третий нерадиоактивный изотоп кислорода ¹⁷₈ О (0,04%) содержит 9 нейтронов и имеет массовое число 17. После того как в 1961 масса изотопа углерода¹²₆ С была принята Международной комиссией за стандартную массу, средневзвешенная атомная масса кислорода, принятую для смеси трех природных изотопов кислорода равной 16,000. Физики за стандартную единицу атомной массы принимали массовое число изотопа ¹⁶₈О, поэтому по физической шкале средняя масса кислорода составляет 16,0044.

                Как большинство других элементов, у атомов которых для достройки внешней оболочки из 8 электронов не хватает 1-2 электронов, кислород образует двухатомную молекулу. В этом процессе выделяется много энергии (~490 кДж/моль) и соответственно столько же энергии необходимо затратить для обратного процесса диссоциации молекулы на атомы. Прочность связи О-О настолько высока, что при 2300^о С только 1% молекул кислорода диссоциирует на атомы.(Примечательно, что при образовании молекулы озона N₂ прочность связи   N-N еще выше, ~ 710 кДж/моль.)

    В  электронной структуре молекулы  кислорода не реализуется, как  можно было ожидать, распределение  электронов октетом вокруг каждого  атома, а имеются не спаренные  электроны, и кислород проявляет свойства, типичные для такого строения (например, взаимодействует с магнитным полем, являясь парамагнетиком).

            Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, Озон (CAS-номер: 10028-15-6) при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из  трёх атомов кислорода (формула ).

    Аллотропия (от греч. Аllos – другой и tropos – образ, способ) – существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам – так называемых аллотропических модификаций или аллотропических форм.

    Аллотропные  видоизменения есть у большинства  химических элементов. Как было  сказано выше кислород может  существовать в виде двух аллотропных  видоизменений: кислород и озон .

    При  сравнении  физических свойств  кислорода и озона целесообразно  вспомнить, что это газообразные  вещества, различающиеся по плотности  (озон в 1,5 раза тяжелее кислорода), температурам плавления и кипения.  Озон лучше растворяется в  воде.

    Кислород  в нормальных условиях – газ, без цвета и запаха, озон – газ голубого цвета с характерным резким запахом.

     Есть  отличия и в химических свойствах.

 Озон химически  активней кислорода. Активность  озона объясняется тем, что  при его разложении образуется  молекула кислорода и атомарный  кислород, который активно реагирует  с другими веществами. Например, озон легко реагирует с серебром, тогда как кислород не соединяется  с ним даже при нагревании:

6Ag + O₃ = 3Ag₂O

   Но в  тоже время и озон и кислород реагируют с активными металлами, например с калием К.

   Получение   озона происходит по следующему  уравнению:

3O₂ = 2O₃ – Q

    Реакция  идет с поглощением энергии  при прохождении электрического  разряда через кислород, например  во время грозы, при сверкании  молнии. Обратная реакция происходит  при обычных условиях, так как  озон – неустойчивое вещество.

   Применение  озона обусловлено его исключительными  окислительными свойствами. Озон  используется для озонирования питьевой воды, что значительно эффективнее, чем хлорирование, для обезвреживания промышленных сточных вод; отбеливания тканей, минеральных масел; как дезинфицирующее средство в медицине; как окислитель ракетного топлива.

     Озон  ядовит для человека, животных  и растений. Небольшие концентрации  озона в воздухе создают ощущение  свежести, но вдыхание воздуха  даже с совсем малой концентрацией  озона вызывает раздражение дыхательных  путей, кашель, рвоту, головокружение, усталость. 

     Однако  озон может быть не только  вредным, но и полезным. Роль  озона в сохранении жизни на  Земле. Озоновый слой играет  значительную роль в сохранении  жизни нашей планете, задерживая наиболее губительное для человека, животных и растений часть ультрафиолетовой радиации Солнца, вместе с углекислым газом (СО₂) , поглощает инфракрасное излучение Земли и тем самым предотвращает ее охлаждение. Так озоновый слой обеспечивает сохранение жизни на Земле.

    В природе озон разрушается под действием газов, выбрасываемых в атмосферу, например фреонов, в процессе техногенной деятельности человека.

          Кислород же самый распространённый  элемент на нашей планете. Он  входит в состав воды (89,9%), а  ведь она покрывает 2/3 поверхности  земного шара, образуя его водную  оболочку гидросферу. Кислород вторая  по количеству и первая по  значению для жизни составная  часть воздушной оболочки Земли  атмосферы, где на его долю  приходится 21% (по объему) и 23,15% (по  массе). Он входит в состав многочисленных  минералов твердой оболочки земной  коры литосферы: из каждых 100 атомов  земной коры на долю кислорода  приходится 58 атомов.