Кислород

История

Ранние эксперименты

Один из первых известных экспериментов по определению потребности в воздухе для горения был проведен греческим Филом Византийским во 2 веке до н.э. В своей работе "Пневматика" он писал, что переворачивание сосуда над горящей свечой и помещение воды вокруг этого сосуда означало, что в него попадала вода. Фило подумал, что это потому, что воздух превратился в классический элемент огня. Это было неправильно. Спустя долгое время после этого Леонардо да Винчи правильно понял, что при горении воздух был израсходован, что заставило воду попасть в сосуд.

В конце 17 века Роберт Бойл обнаружил, что воздух необходим для горения. Английский химик Джон Мейоу добавил к этому, показав, что огню нужна только часть воздуха. Теперь мы называем это кислородом (в виде диоксида). В одном из своих экспериментов он обнаружил, что помещение свечи в закрытый контейнер заставляет воду подниматься, чтобы заменить одну четырнадцатую часть объема воздуха в контейнере, перед тем как выйти наружу. То же самое произошло, когда в коробку положили мышь. Из этого он понял, что кислород используется для дыхания и сгорания.

теория флогистона

Роберт Гук, Оле Борх, Михаил Ломоносов и Пьер Байен - все они проводили эксперименты с кислородом в 17-18 веках. Никто из них не думал, что это химический элемент. Вероятно, это было связано с идеей теории флогистона. Большинство людей считало, что именно это вызывает горение и коррозию.

J. Й. Бехер придумал его в 1667 году, а Георг Эрнст Шталь добавил к нему в 1731 году. Теория флогистона гласила, что все горючие материалы были сделаны из двух частей. Одна часть, названная флогистоном, была выдана, когда содержащее ее вещество было сожжено.

Считалось, что очень горючие материалы, которые оставляют лишь небольшое количество остатков, такие как дерево или уголь, сделаны из флогистона. Считалось, что вещи, которые корродируют, например, железо, содержат лишь небольшое количество. Воздух не был частью этой теории.

Открытие

Польский алхимик, философ и врач Михаил Сендивогиус говорил о веществе в воздухе, называя его "пищей жизни", а это вещество - кислород. В период между 1598 и 1604 годами Сендивогиус обнаружил, что это вещество является таким же, как и то, что производится во время термического разложения нитрата калия. Некоторые считают, что это было открытие кислорода, в то время как другие не согласны с этим.

Также часто говорят, что кислород впервые был открыт шведским фармацевтом Карлом Вильгельмом Шееле. Кислород он производил путем нагревания окиси ртути и некоторых нитратов в 1771 году. Шеле назвал газ, который он производил, "огненным воздухом", потому что это был единственный газ, который позволял горение. Он опубликовал свое открытие в 1777 году.

1 августа 1774 года эксперимент, проведенный британским священником Джозефом Пристли, сфокусировал солнечный свет на окиси ртути в стеклянной трубке. Это сделал газ, который он назвал "дефлогированным воздухом". Он также обнаружил, что свечи в газе горели ярче, а мыши жили дольше, дыша им. Когда он дышал газом, он сказал (упрощенно): "Это было похоже на обычный воздух, но после этого мои легкие чувствовали себя легче и легче". Его результаты были опубликованы в 1775 году. Поскольку его результаты были опубликованы первыми, обычно говорят, что он первооткрыватель кислорода.

Французский химик Антуан Лавуазье позже сказал, что он открыл и это вещество. Священник посетил его в 1774 году и рассказал об эксперименте. В том же году Шеле отправил Лавуазье письмо, в котором рассказал о своем открытии.

вклад Лавуазье

Лавуазье провел первые основные эксперименты по окислению и дал первое правильное объяснение того, как работает горение. Он использовал эти и другие эксперименты, чтобы доказать, что теория флогистона ошибочна. Он также пытался доказать, что вещество, обнаруженное Пристли и Шеле, является химическим элементом.

В одном эксперименте Лавуазье обнаружил, что при нагревании олова и воздуха в закрытой емкости масса не увеличивается. Он также обнаружил, что при открытии контейнера в него врывается воздух. После этого он обнаружил, что масса олова увеличилась на столько же, сколько и воздуха, в который он устремился. Он опубликовал свои результаты в 1777 году. Он написал, что воздух состоит из двух газов. Один из них он назвал "жизненно важным воздухом" (кислородом), который необходим для горения и дыхания. Другой он назвал "азот" (азот), что в греческом языке означает "безжизненный". В некоторых языках, включая французский, это до сих пор название азота.

Лавуазье переименовал "жизненно важный воздух" в "оксиген", что в переводе с греческого означает "производитель кислот". Он назвал его так потому, что думал, что кислород содержится во всех кислотах, что было неправильно. Многие химики поняли, что Лавуазье ошибался в своем названии, но к тому времени это название стало слишком распространенным, чтобы его можно было изменить.

"Кислород" стал именем на английском языке, хотя английские ученые были против.

Поздняя история

Теория атомов Джона Далтона гласит, что все элементы имеют один атом, а атомы в соединениях обычно находятся в одиночестве. Например, он ошибочно полагал, что вода (H2O) имеет формулу только HO. В 1805 году Джозеф Луи Гей-Люссак и Александр фон Гумбольдт показали, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. К 1811 году Амедео Авогадро правильно рассчитал, из чего состоит вода, основываясь на законе Авогадро.

К концу 19 века ученые обнаружили, что воздух можно превратить в жидкость, а содержащиеся в нем соединения - выделить путем сжатия и охлаждения. Швейцарский химик и физик Рауль Пикте открыл жидкий кислород, испарив диоксид серы для превращения диоксида углерода в жидкость. Затем он также испарился для охлаждения газообразного кислорода, чтобы превратить его в жидкость. 22 декабря 1877 года он отправил телеграмму во Французскую академию наук, в которой рассказал о своем открытии.

Лавуазье в Академии Луи Эрнеста Барриаса.


воздух разложения Лавуазье

Характеристики

Свойства и молекулярная структура

При стандартной температуре и давлении кислород не имеет цвета, запаха или вкуса и является газом с химической формулой O
₂ называется диоксиген.

В качестве диоксида два атома кислорода химически связаны друг с другом. Эту связь можно назвать многими вещами, но просто ковалентной двойной связью. Диоксиген очень реактивен и может вступать в реакцию со многими другими элементами. Оксиды образуются, когда металлические элементы вступают в реакцию с диоксидом, например, оксид железа, который называется ржавчиной. На Земле много оксидных соединений.

Аллотропы

Обычный аллотроп (тип) кислорода на Земле называется диоксигеном (O2). Это вторая по величине часть атмосферы Земли после динитропа (N2). O2 имеет длину связи 121 pm и энергию связи 498 кДж/моль Благодаря своей энергии O2 используется сложными живыми организмами, такими как животные.

Озон (O3) очень быстро реагирует и повреждает легкие при вдыхании. Озон производится в верхних слоях атмосферы, когда O2 сочетается с чистым кислородом, когда O2 расщепляется под действием ультрафиолетового излучения. Озон поглощает большое количество излучения в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра, поэтому озоновый слой в верхних слоях атмосферы защищает Землю от излучения.

Тетраоксиген (О4) был обнаружен в 2001 году. Он существует только в экстремальных условиях, когда на О2 оказывается большое давление.

Физические свойства

Кислород легче растворяется из воздуха в воде, чем азот. При одинаковом количестве воздуха и воды на каждые 2 молекулы N2 приходится одна молекула О2 (соотношение 1:2). Это отличается от воздуха, где соотношение кислорода и азота составляет 1:4. О2 также легче растворяется в пресной воде, чем в морской. Кислород конденсируется при 90,20 K (-182,95°C, -297,31 °F) и замерзает при 54,36 K (-218,79°C, -361,82 °F). Как жидкий, так и твердый O2 прозрачный со светло-голубым цветом.

Кислород очень реактивен и его необходимо держать подальше от всего, что может сгореть.

Изотопы

В природе существует три стабильных изотопа кислорода. Они ^16O, ^17O и ^18O. Около 99,7% кислорода является изотопом ^16O.

Возникновение

Десять наиболее распространенных элементов в галактике Млечного Пути были оценены спектроскопически.
Z	Элемент	Массовая доля в частях на миллион
1	Водород	739,000	71 × масса кислорода (красный столбик)
2	Гелий	240,000	23 × масса кислорода (красный столбик)
8	Кислород	10,400	10400
6	Carbon	4,600	4600
10	Неон	1,340	1340

Кислород - самый распространенный элемент по массе на Земле. Это третий по распространенности элемент во Вселенной, после водорода и гелия. Около 0,9% массы Солнца - кислород. Кислород по массе составляет 49.2% земной коры в составе оксидных соединений, таких как диоксид кремния. Это также основная часть океанов Земли, составляющая 88,8% по массе. Кислородный газ является второй наиболее распространенной частью атмосферы, составляя 20,8% по массе и 23,1% по объему. Земля странна по сравнению с другими известными планетами, так как большая часть ее атмосферы состоит из газообразного кислорода. Марс имеет 0.1% O2 по объему, в то время как остальная часть планеты Солнечной системы имеет меньше.

Большое количество газообразного кислорода на Земле связано с кислородным циклом. В основном это контролируется фотосинтезом, в результате которого из углекислого газа, воды и энергии Солнца образуется газообразный кислород. Дыхание затем выводит газы кислорода из атмосферы и превращает их обратно в углекислый газ и воду. Это происходит с одинаковой скоростью, поэтому количество газообразного кислорода и углекислого газа не меняется из-за этого.

Использует

Медицинский

О2 - очень важная часть дыхания. Из-за этого он используется в медицине. Он используется для увеличения количества кислорода в крови человека, так что может происходить больше дыхания. Это может сделать их здоровыми быстрее, если они больны. Кислородная терапия используется для лечения эмфиземы, пневмонии, некоторых проблем с сердцем и любых заболеваний, которые затрудняют поступление кислорода в организм человека.

Обеспечение жизнедеятельности

Низкое давление O2 используется в космических костюмах, окружающих корпус газом. Используется чистый кислород, но при гораздо более низком давлении. Если бы давление было выше, он был бы ядовитым.

Концентратор кислорода в доме пациента с эмфиземой.

Безопасность

Кислород NFPA 704 говорит, что газ со сжатым кислородом не опасен для здоровья и не является легковоспламеняющимся.

Токсичность

При высоком давлении кислородный газ (O2) может быть опасен для животных, в том числе для человека. Он может вызвать судороги и другие проблемы со здоровьем. Токсичность кислорода обычно начинает проявляться при давлении более 50 килопаскалей (кПа), равном примерно 50% кислорода в воздухе при стандартном давлении (воздух на Земле содержит около 20% кислорода).

Раньше недоношенных детей помещали в коробки с воздухом с высоким содержанием O2. Это прекратилось, когда некоторые младенцы ослепли от кислорода.

Дыхание чистого O2 в космических костюмах не вызывает повреждений, так как используется более низкое давление.

Горение и другие опасности

Концентрированное количество чистого O2 может привести к быстрому возгоранию. Когда концентрированный кислород и топливо находятся вблизи друг от друга, небольшое возгорание может привести к огромному пожару. Все члены экипажа "Аполлона-1" погибли от пожара из-за концентрированного кислорода, который использовался в воздухе капсулы.

Если жидкий кислород пролить на органические соединения, такие как дерево, он может взорваться.