Кисень: фізичні та хімічні властивості

Статтю написано Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Познавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета, як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою

Зміст:

Історія відкриття

• У 1771 шведський хімік Карл Шееле дослідним шляхом досліджував склад повітря, і визначив, що повітря складається з двох основних газів: одним із цих газів був азот, а другим, власне кисень, правда на той час сама назва «кисень» ще не з'явилася в науці .
• У 1775 році французький вчений А. Лувазьє дав назву відкритому Шееле газу - кисень, він же оксиген в латині, саме слово "оксиген" означає "що породжує кислоти".
• За рік до офіційних «іменин кисню», в 1774 англійський хімік Прістлі шляхом розкладання ртутного оксиду вперше отримує чистий кисень. Його досліди підкріплюють відкриття Шееле. До речі, сам Шееле також намагався отримати кисень у чистому вигляді шляхом нагрівання селітри, але у нього не вийшло.
• Більш ніж через сторіччя 1898 року англійський фізик Джозеф Томпсон вперше змусив громадськість замислитися про те, що запаси кисню можуть закінчитися внаслідок інтенсивних викидів вуглекислого газу в атмосферу.
• У цьому ж році російський біолог Климент Тімірязєв, дослідник фотосинтезу, відкриває властивість рослин виділяти кисень.

Хоча рослини і виділяють кисень в атмосферу, але проблема поставлена ​​Томпсоном про можливу нестачу кисню в майбутньому залишається актуальною і в наш час, особливо у зв'язку з інтенсивною вирубкою лісів (постачальників кисню), забрудненням навколишнього середовища, спалюванням відходів та інше. ми писали у минулій статті про екологічні проблеми сучасності.

Значення у природі

Саме наявність кисню, у поєднанні з водою, призвело до того, що на нашій планеті стало можливим виникнення життя. деякі види бактерій. Кисень у верхніх шарах атмосфери утворює озонову кулю, яка захищає всіх мешканців Землі від шкідливого ультрафіолетового сонячного випромінювання

Будова молекули

Молекула кисню складається з двох атомів, хімічна формула має вигляд₂Як утворюється молекула кисню? Механізм її утворення ковалентний неполярний, тобто за рахунок усуспільнення електроном кожного атома.

Так виглядає молекула кисню, завдяки своїм характеристикам вона дуже стійка.

Фізичні властивості

• Насамперед, кисень є газом, з якого складається 21% повітря.
• Кисень не має ні кольору, ні смаку, ні запаху.
• Може розчинятися в органічних речовинах, поглинатися вугіллям та порошками металів.
• Температура кипіння кисню становить -183°С.
• Щільність кисню дорівнює 0,0014 г/см3

Хімічні властивості

Головною хімічною властивістю кисню є, звичайно, його підтримка горіння. Тобто, у вакуумі, де немає кисню, вогонь не можливий. Якщо ж у чистий кисень опустити тліючу скіпку, то вона загориться з новою силою. Горіння різних речовин це окислювально-відновний хімічний процес, у якому роль окислювача належить кисню. Окислювачі це речовини, «відбирають» електрони в речовин відновників. Відмінні окисні властивості кисню обумовлені його зовнішньою електронною оболонкою.

Валентна оболонка у кисню розташована близько до ядра і як наслідок ядро ​​притягує електрони. Також кисень займає друге місце після фтору за шкалою електронегативності Полінга, тому вступаючи в хімічні реакції з усіма іншими елементами (за винятком фтору) кисню виступає негативним окислювачем. І лише вступаючи у реакції з фтором кисень має позитивний окисний вплив.

Оскільки кисень другий окислювач за силою серед усіх хімічних елементів таблиці Менделєєва, це визначає і його хімічні властивості.

Отримання

Для отримання кисню в лабораторних умовах застосовують метод термічної обробки пероксидів або солей кислотосодержащих кислот. Під впливом високої температури вони розкладаються із виділенням чистого кисню. Також кисень можна отримати за допомогою перекису водню, навіть 3% розчин перекису під дію каталізатор миттєво розкладається, виділяючи кисень.

2KC_lO₃ = 2KC_l + 3O₂↑ - Ось так виглядає хімічна реакція отримання кисню.

Також у промисловості як ще один спосіб отримання кисню застосовують електроліз води, під час якого молекули води розкладаються, і знову таки виділяється чистий кисень.

Використання в промисловості

У промисловості кисень активно застосовується у таких сферах як:

• Металургія (при зварюванні та вирізанні металів).
• Медицина.
• Сільське господарство.
• Як ракетне паливо.
• Для очищення та знезараження води.
• Синтезу деяких хімічних сполук, включаючи вибухові речовини.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Познавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/запитання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або до Фейсбуку, з повагою автор.

Ця стаття доступна англійською мовою Oxygen.

Хімічний склад атмосфери Землі: азот, кисень, аргон та CO2 у відсотках.

Деякі люди дивуються, дізнавшись, що кисень — найпоширеніший газ у складі атмосфери Землі. Судячи з відносних обсягів газів в атмосфері Землі, азоту насправді більш ніж утричі більше, ніж кисню.

У відсотковому відношенні від найбільшого до найменшого, хімічний склад атмосфери Землі містить азот, кисень, аргон, CO2 та слідові гази. Водяна пара теж становить значну частину складу атмосфери, але оскільки її кількість сильно варіюється географічно і в залежності від сезону, вона виключається із цієї загальної суми і розглядається окремо.

Тропосфера є нижнім шаром атмосфери, вона містить 75 відсотків маси атмосфери.

Азот (78,1%)

Азот - газ, що переважає в атмосфері землі. Його вміст 78,1%. Хоча азот є найпоширенішим газом у атмосфері Землі, він становить лише 0,005% маси земної кори.

Азот є неймовірно стабільним і вимагає багато енергії для зміни форми.

Незважаючи на те, що його обсяг у земній корі відносно невеликий, азот відіграє важливу роль у азотному циклі. В рамках цього циклу азот постійно обмінюється між атмосферою та живими організмами.

Кисень (20,9%)

Скільки кисню у атмосфері Землі? Кисень займає друге місце і становить приблизно п'яту частину всього обсягу атмосфери, якщо точніше – 20,9%. На землі є умови для процвітання життя. Кисень необхідний життя людини, оскільки наші легені вдихають кисень і використовують їх у обміні речовин.

Хоча азот є надзвичайно стабільним газом, його складно розділити та використовувати у хімічних процесах. Кисень легко бере участь у хімічних реакціях, тому що він є основним учасником усіх окисних процесів.

Таким чином, незважаючи на те, що азоту багато, нам потрібен кисень, щоб керувати хімічними реакціями, що виробляють енергію.

Аргон (0,93%)

Як інертний газ аргон не зв'язується з атмосферою і не впливає на неї. Та й у відсотковому співвідношенні до всієї земної атмосфери аргону лише 0,93%. Саме тому немає циклу аргону. Але у нас є азот і вуглець через їхню здатність зв'язуватися з іншими елементами.

Як інертний газ аргон не зв'язується з атмосферою і не впливає на неї. Та й у відсотковому співвідношенні до всієї земної атмосфери аргону лише 0,93%. Саме тому немає циклу аргону.Але у нас є азот і вуглець через їхню здатність зв'язуватися з іншими елементами.

Двоокис вуглецю (0,04%)

Вуглекислий газ (СО2) - найважливіший газ, який впливає діяльність людини. У свою чергу, вуглець, що входить до молекули СО2, є найважливішим елементом для побудови молекул, необхідних для життя живих істот.

Як видно з довгострокового вуглецевого циклу, вуглець набуває різних форм, таких як двоокис вуглецю (CO 2 ), метан (CH 4) і глюкозу (C 6 H 12 O 6).

Зараз багато говорять про парниковий ефект через велику кількість викидів СО2, але насправді загальна частка його у всьому обсязі повітря зовсім незначна, всього близько 0,04%.
З 1900 року кількість вуглекислого газу збільшилася переважно через діяльність людини. Після видобутку викопного палива люди спалюють викопне паливо.

У свою чергу, такі гази, як метан та вуглекислий газ, забруднюють атмосферу. Фактично з 1900 року кількість вуглекислого газу збільшилася майже вдвічі.

Слідові гази у земній атмосфері

Решта атмосфери належить слідовим газам. Наприклад, неон, гелій, метан. Метан і криптон є одними з основних газових домішок, що становлять невелику частину атмосфери.

Але люди також можуть виділяти деякі слідові гази. Наприклад, хлорфторвуглеці (ХФУ), що руйнують озоновий шар на північному та південному полюсі.

Коли хлор потрапляє в тропосферу і, зрештою, в стратосферу, він входить у реакцію з озоном (O3), значно виснажуючи.
Подібно до озону, водяна пара — це змінний газ.

Водяна пара

Водяна пара була видалена зі 100% загальної кількості через його регіональну мінливість. Але він може становити більшу частину атмосфери.Наприклад, він може становити 5% за обсягом у спекотних регіонах, але набагато менше у холодніших місцевостях.

Водяна пара регулює температуру повітря, оскільки вона поглинає сонячне випромінювання. Він випаровується з океанів, озер і річок із Землі. Потрапляючи в атмосферу, водяна пара конденсується, наприклад, у вигляді дощу. Він просто змінює форму із газоподібного стану на рідину.

У рамках гідрологічного циклу вода завжди перебуває у русі. І все це рухається сонячною енергією.

Основна увага приділяється тому, як зберігається вода – в атмосфері, льодовиках, океанах, рослинах та людях. Більшість випаровування відбувається у океанах. Це ефект Коріоліса, який переміщає її убік від екватора.

Яким є розподіл газів в атмосфері? Розподіл вуглекислого газу.

У північній півкулі бачимо найвищі концентрації вуглекислого газу з основних джерел викидів. Наприклад, викиди вуглецю в основному зосереджені в Північній Америці, Європі та Азії. Але газ розсіюється, знаходячи свій шлях циркуляції залежно від погодних умов та океанських течій.

Навіть сезонні коливання Землі впливають кількість вуглекислого газу атмосфері. Під час фотосинтезу навесні та влітку рослини поглинають значну кількість вуглекислого газу з атмосфери.

Коли літо перетворюється на осінь, фотосинтез починає знижуватися, оскільки вуглекислий газ накопичується у атмосферу. Цей ефект пов'язаний із метаболізмом Землі або чистою первинною продуктивністю.

Яке місце посідає кисень Землі?

Нові дані, отримані щодо ізотопних відносин у породах палеопротерозойского віку Південної Африки, вказують на те, що кисень став постійним. РІА Новини, 21.04.2021

МОСКВА, 5 квіт — РІА Новини. Нові дані, отримані щодо ізотопних відносин у породах палеопротерозойського віку Південної Африки, вказують на те, що кисень став постійним компонентом атмосфери Землі 2,22 мільярда років тому, що на 200 мільйонів років пізніше, ніж передбачали раніше. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature. Вважається, що спочатку атмосфера Землі була безкисневою, а приблизно 2,43–2,45 мільярда років тому відбулося її суттєве збагачення киснем. Дослідники зі США, Великобританії та Данії проаналізували склад морських осадових порід з Південної Африки, які відносяться за віком своєї освіти до палеопротерозою — від 2,5 до 1,6 мільярда років. За ізотопними сигнатурами сірки, заліза та вуглецю вчені змогли детально відновити картину зміни окислювально-відновних умов в океані того періоду, а звідси — і визначити рівні кисню в давній атмосфері. справді сталося близько 2,43 мільярда років тому.Але потім рівень O2 неодноразово то падав, то знову підвищувався, перш ніж приблизно 2,22 мільярда років тому він став постійним компонентом атмосфери Землі. з геологічного погляду період Земля пережила чотири заледеніння — вся планета цілком покривалася льодом та снігом на кілька мільйонів років. Вчені пояснюють це різкими змінами співвідношення атмосферних газів — кисню з одного боку, та парникових газів, таких як метан та вуглекислий газ — з іншого. Відомо, що чим вищий рівень останніх, тим сильніший парниковий ефект, з яким пов'язане потепління на планеті. Можливо, вважають дослідники, основними джерелами парникових газів були вулкани, і періоди потепління пов'язані з активними фазами вулканізму. А коли вулкани заспокоювалися, знову наставало заледеніння. "Перед початком цієї роботи ми запитали, чому відбулися чотири льодовикові події, якщо кисень уже був постійним компонентом атмосфери, — наводяться в прес-релізі Каліфорнійського університету в Ріверсайді слова одного з авторів дослідження Андрія Беккера ( Andrey Bekker) з департаменту наук про Землю та планети.— Ми виявили, що остаточне піднесення кисню насправді відбулося тільки після четвертого, останнього зледеніння ери палеопротерозою, а не до нього, і це, в нашому розумінні, і є рішенням головної загадки». Таким чином, вважають вчені, киснева революція, Якою настав тривалий період екологічної стабільності, відбулася на 200 мільйонів років пізніше, ніж вважали раніше. "Раніше ми думали, що після того, як рівень кисню піднявся, він більше ніколи не повертався до низьких рівнів, - продовжує Беккер. - Тепер ми з'ясували, що він вагався, опускаючись до дуже низького рівня, і це може мати драматичні наслідки з точки зору розуміння подій вимирання та еволюції життя". "Ми не зможемо зрозуміти причини та наслідки атмосферної оксигенації - найбільш значущого фактора, що впливає на придатність планети для життя, - якщо ми не дізнаємося, коли насправді сталося постійне насичення атмосфери киснем", - говорить перший автор статті Саймон Поултон (Simon Poulton), біогеохімік з Університету Лідса у Великобританії. Друге значуще підвищення в атмосфері сталося півтора мільярди років через, межі протерозою і кембрійського періоду, забезпечивши умови у розвиток складних форм життя.