Кислородная ёмкость крови
- 1 year ago
- 0
- 0
8 |
Кислород
|
|
|
2s 2 2p 4 |
Кислоро́д ( химический символ — O , от лат. O xygenium ) — 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 — O 2 ). Систематическое название : дикислород . Жидкий кислород (при низких температурах) имеет светло-голубой цвет, а твёрдый (при низких температурах) 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 O 3 ). Систематическое название : трикислород . Часто можно почувствовать запах озона после грозы . Озон образует озоновый слой в стратосфере , который образуется там за счёт ионизации кислорода ультрафиолетом .
Официально считается , что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью большой линзы).
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 открытии 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 получил шведский химик Карл Шееле . Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота . Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга 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.
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. oxygène ), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как « порождающий кислоту », что связано с первоначальным значением его — « кислота », ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами .
Кислород — самый распространённый в земной коре элемент , на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов ) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры . Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе). Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород .
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 10 15 тонн ). Однако до появления первых фотосинтезирующих микробов 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 ( кислородной катастрофы ). Первый миллиард лет практически весь кислород поглощался растворённым в океанах железом и формировал залежи джеспилита . 3—2,7 млрд лет назад кислород начал выделяться в атмосферу и 1,7 млрд лет назад достиг 10 % от нынешнего уровня .
Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими .
С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму . К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время .
Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов .
Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере [ нет в источнике ] . При нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить весь кислород в атмосфере .
Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 % .
В 2016 году датские учёные доказали, что свободный кислород входил в состав атмосферы уже 3,8 млрд лет назад .
При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.
1 л его при нормальных условиях имеет массу 1,429 г , то есть немного тяжелее воздуха . Слабо растворяется в воде ( 4,9 мл/100 г при 0 °C, 2,09 мл/100 г при +50 °C) и спирте (2,78 мл/100 г при +25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O 2 в 1 объёме Ag при +961 °C). Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах (20—40 об %) .
Межатомное расстояние — 0,12074 нм. Является парамагнетиком . В жидком виде притягивается магнитом.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при +2000 °C — 0,03 %, при +2600 °C — 1 %, +4000 °C — 59 %, +6000 °C — 99,5 %.
Жидкий кислород кипит под давлением 101,325 кПа при температуре −182,98 °C и представляет собой бледно-голубую жидкость . Критическая температура кислорода 154,58 К (-118,57 °C), критическое давление 4,882 МПа .
Твёрдый кислород (температура плавления −218,35 °C) — синие кристаллы . Всего известно шесть кристаллических фаз кислорода.
Три фазы существуют при нормальном давлении (1 атм ):
При высоких давлениях существуют ещё три фазы:
Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения ( оксиды ) со всеми элементами, кроме гелия , неона , аргона , фтора (с фтором кислород образует фторид кислорода , так как фтор более электроотрицателен , чем кислород). Наиболее распространённая степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение ). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:
Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:
Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения :
При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях , при нагревании и/или в присутствии катализаторов ) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов ( He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn ); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета . Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже ).
Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.
В этой реакции кислород проявляет восстановительные свойства.
Кислород поддерживает процессы дыхания , горения , гниения .
В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O 2 и O 3 ( озон ). Как установили в 1899 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри , под воздействием ионизирующего излучения O 2 переходит в O 3 .
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация . Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки , работающие на основе мембранной технологии, а также использующие принцип адсорбции.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа .
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия :
Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода в присутствии оксида марганца(IV) :
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия ( бертолетовой соли ) :
Разложение оксида ртути(II) {{{1}}} было первым методом получения кислорода:
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза разбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):
На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа , выдыхаемого человеком:
Для соблюдения баланса объёмов поглощённого углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляют надпероксид калия . В космических кораблях для уменьшения веса иногда используется пероксид лития .
Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века , после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.
Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.
Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.
В качестве окислителя для применяется жидкий кислород , пероксид водорода , азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород - фтор и водород - фторид кислорода ).
Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм ) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания , для купирования приступа бронхиальной астмы , устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни . Крупные медицинские учреждения могут использовать не сжатый кислород в баллонах, а сжиженный в сосуде Дьюара большой ёмкости. Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости — . Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха. Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометру редуктора ) умножают на величину ёмкости баллона в литрах. Например, в баллоне вместимостью 2 литра манометр показывает давление кислорода 100 атм. Объём кислорода в этом случае равен 100 × 2 = 200 литров .
В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948 , как пропеллент и упаковочный газ.
В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах , например, окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения ( спирты , альдегиды , кислоты ), диоксид серы в триоксид серы , аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты . Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении , последние описанные реакции часто проводят в режиме горения .
В тепличном хозяйстве для изготовления , для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве .
Большинство живых существ ( аэробы ) дышат кислородом. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводили кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости , гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном . Радиоактивный изотоп кислорода 15 O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции .
Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода ), такие, как синглетный кислород , пероксид водорода , супероксид , озон и гидроксильный радикал , являются токсичными и реакционноспособными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс .
Длительное вдыхание чистого кислорода может иметь опасные последствия для организма. Безопасно длительно дышать при обычном давлении смесями, содержащими до 60 % кислорода, вдыхая и выдыхая через нос, поскольку зубная эмаль и верхние дыхательные пути особенно страдают от контакта с чистым кислородом . Дыхание 90 % кислородом в течение 3 суток приводит к тахикардии, рвоте, пневмонии, судорогам. При повышении давления токсическое действие кислорода ускоряется и усиливается. Молодые люди более чувствительны к токсическому действию кислорода, чем пожилые .
Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16 O связано с тем, что ядро атома 16 O состоит из 8 протонов и 8 нейтронов (дважды магическое ядро с заполненными нейтронной и протонной оболочками). А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
Также известны радиоактивные изотопы кислорода с массовыми числами от 12 O до 28 O. Все радиоактивные изотопы кислорода имеют малый период полураспада , наиболее долгоживущий из них — 15 O с периодом полураспада ~120 секунд. Наиболее краткоживущий изотоп 12 O имеет период полураспада 5,8⋅10 −22 секунд.
Из БРЭ: