Кислоро́д (химический символ — O, от ) — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы, VIA) второго периода периодической системы Д. И. Менделеева с атомным номером 8.
Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов.
Как простое вещество (при нормальных условиях) кислород газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов (формула O2). Систематическое название: дикислородДикислород // Большая Энциклопедия Нефти Газа. Жидкий кислород при низких температурах имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3). Систематическое название: трикислород. Часто можно почувствовать запах озона после грозы. Озон образует озоновый слой в стратосфере, который образуется за счёт ионизации кислорода ультрафиолетом.
История открытия Официально считаетсяJ. Priestley, Experiments and Observations on Different Kinds of Air, 1776.W. Ramsay, The Gases of the Atmosphere (the History of Their Discovery), Macmillan and Co, London, 1896., что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём термического разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (для нагрева вещества Пристли направлял на него солнечные лучи, сфокусированные большой линзой). Реакция разложения оксида ртути:
2HgO ->[t] 2 Hg + O2 ^.
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём наблюдении Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород также получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал образующийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что эта книга была опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела очень большое значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по изменению веса сожжённых элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Происхождение названия 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» (), предложенного А. Лавуазье (от — «кислый» и — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.
Нахождение в природе
Кислород — самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около массы земной коры. В морской и пресной воде содержание связанного кислорода по массе —
Известно более 1500 минералов, содержащих кислород.
В атмосфере концентрация свободного кислорода по объёму и по массе (всего около 1015 тонн). Однако до появления первых фотосинтезирующих микроорганизмов в архее 3,5 млрд лет назад в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (эта эпоха получила название кислородная катастрофа). Первый миллиард лет после появления фотосинтезирующих организмов практически весь образующийся кислород поглощался растворёнными в океанах соединениями железа и при этом формировались залежи джеспилита. 3—2,7 млрд лет назад кислород начал накапливаться в атмосфере и 1,7 млрд лет назад его концентрация достигла от нынешнего уровня.
Повышение концентрации растворённого кислорода в воде океанов и свободного кислорода в атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Но клеточное кислородное дыхание позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, и сделало их доминирующими организмами.
С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от до по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его концентрация достигла максимума в по объёму, такое содержание кислорода в воздухе, возможно, способствовало увеличению размеров тела насекомых и земноводных в эту эпоху.
Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов.
Деятельность человека очень слабо влияет на количество свободного кислорода в атмосфере. Если кислород в атмосфере исчезнет, то при нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить его прежнее содержание в атмосфере.
Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых организмах. По числу атомов в живых клетках его около по массовой доле — около .
В 2016 году датские учёные доказали, что свободный кислород присутствовал в атмосфере уже 3,8 млрд лет назад.
В 2024 году был обнаружен абиогенный источник свободного кислорода, так называемый «тёмный кислород», который производят железомарганцевые конкреции, найденные в глубоких слоях океана, куда не проникает свет, что исключает возможность образования в результате фотосинтеза.
Физические свойства
При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.
1 л его при нормальных условиях имеет массу , то есть немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде ( при при и спирте при Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах .
Межатомное расстояние — Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при — при — — —
Жидкий кислород кипит под давлением при температуре и представляет собой бледно-голубую жидкость. Критическая температура кислорода 154,58 К (−118,57 °C), критическое давление .
Твёрдый кислород (температура плавления — синие кристаллы. Всего известно шесть кристаллических фаз кислорода.
Три твёрдые фазы устойчивы при нормальном давлении (1 атм): -О2 — устойчива при температуре ниже это ярко-синие кристаллы моноклинной сингонии, параметры ячейки = = = = 132,53°. -O2 — устойчива в интервале температур от 23,65 до это бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую кристаллическую решётку, параметры ячейки = = 46,25°. -O2 — устойчива при температурах от 43,65 до бледно-синие кристаллы имеют кубическую кристаллическую решётку, период решётки =.
При высоких давлениях известны ещё три фазы: -O2 — устойчива в интервале температур и давление 6—8 ГПа, оранжевые кристаллы; -On — содержит молекулы O или O, устойчива при давлении от 10 и до цвет кристаллов моноклинной сингонии от тёмно-красного до чёрного; -On — устойчива при давлении более металлическое состояние имеет характерный металлический блеск, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние.
Химические свойства Сильный окислитель, самый химически активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона, аргона; наиболее характерная степень окисления кислорода в них составляет −2 (оксиды). Как правило, реакции окисления с участием кислорода протекают с выделением тепла и ускоряются при повышении температуры (см. Горение). Примеры реакций, протекающих при комнатной температуре:
4 Li + O2 -> 2 Li2O, 2 Sr + O2 -> 2 SrO.
Окисляет соединения, в которых элементы находятся не в максимальной степени окисления:
2 NO + O2 -> 2 NO2 ^.
Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:
2C6H6 + 15O2 -> 12CO2 + 6H2O, CH3CH2OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O.
При определённых условиях можно провести неполное окисление органического соединения:
CH3CH2OH + O2 -> CH3COOH + H2O.
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) почти со всеми простыми веществами, кроме благородных металлов и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолетового облучения. Косвенным путём могут быть получены оксиды благородных металлов и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех своих бинарных соединениях кислород имеет отрицательную степень окисления, кроме соединений со фтором (см. ниже #Фториды кислорода).
Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1. Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:
2 Na + O2 -> Na2O2.
Некоторые оксиды взаимодействуют с кислородом с образованием пероксидов, например:
2 BaO + O2 -> 2BaO2.
По теории горения, разработанной А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление многих веществ происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом наряду с водой, образуется пероксид водорода:
H2 + O2 -> H2O2.
В надпероксидах кислород формально имеет степень окисления −½, то есть один электрон приходится на два атома кислорода (образуется ион O). Надпероксиды получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлении и температуре, например:
Na2O2 + O2 -> 2NaO2.
Калий K, рубидий Rb и цезий Cs реагируют с кислородом сразу с образованием надпероксидов:
K + O2 -> KO2, Rb + O2 -> RbO2, Cs + O2 -> CsO2.
Существуют неорганические озониды содержащие ион O со степенью окисления кислорода, формально равной −⅓. Их получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:
3 KOH + 3 O3 -> 2 KO3 + KOH * H2O + 2 O2 ^.
В ионе диоксигенила O кислород имеет формально степень окисления +½. Его получают по реакции:
PtF6 + O2 -> O2PtF6.
В этой реакции кислород проявляет восстановительные свойства.
Фториды кислорода Дифторид кислорода, OF2, степень окисления кислорода +2, получают пропусканием фтора через разбавленный раствор щёлочи:
2 F2 + 2 NaOH -> 2 NaF + H2O + OF2 ^.
Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O2F2, нестабилен, степень окисления кислорода +1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре
F2 + O2 -> O2F2.
В тлеющем разряде в смеси фтора с кислородом при определённых давлении и температуре получают смеси высших фторидов кислорода O3F2, O4F2, O5F2 и O6F2.