40 Кислород

Распространение в природе; Кислород — самый распространенный элемент на Земле. Содержание его в земной коре составляет 55,1 % ат. Свободный кислород находится в воздухе (»1,Ы015 т) и в природных водах (биохимическая самоочистка речной и морской воды идет с потреблением кислорода). Связанный кислород содержится в воде, силикатах, кварце и других минералах, а также в живых организмах.Воздушная оболочка Земли поглощает и нейтрализует вредное ультрафиолетовое излучение Солнца и предохраняет от перегрева земную поверхность. О свойствах жидкого "воздуха ем. ниже.Физиологическое действие. Все органические вещества — это соединения кислорода, поэтому кислород является жизненно важным элементом почти для всех живых организмов (исключение составляют анаэробные бактерии). О процессах дыхания и ассимиляции см. 14.3. Кислород поступает в кровь через легкие. В крови кислород слабо связывается с гемоглобином (хромофор красных кровяных телец) с образованием оксигемоглобина и, в таком виде подводится к клеткам. Под действием ферментов кислород окисляет приносимый также кровью виноградный сахар (глюкозу), превращая его в диоксид углерода и воду; освобождаемая при этом энергия используется для протекания различных жизненных процессов (работа мускулов, нагревание тела и т. д.).

Аллотропные модификации. В свободном виде кислород образует две-модификации: дикислород {обычный кислород) О2 и трикислород (озон) О3.Дикислород О2Строение. Строение молекулы О2, имеющей два неспаренных электрона, корректно передается только в рамках метода молекулярных орбиталей (см. разд. 6.4 и рис. 34). Традиционное изображение молекулы кислорода с двойной связью (0=0) не передает особенности ее строения и поэтому не вполне верно.

Получение. 1. Из воздуха путем фракционной конденсации и дистилляции (способ Линде); способ применяется в промышленности.

2. Нагревание кислородсодержащих веществ, а именно хлоратов в присутствии катализатора — пиролюзита МпО2 (реакция 1), нитратов (реакция 2), пёрманганатов при умеренных или при очень высоких температурах (соответственно реакции 3 и 4), пероксидов (реакция б):

2КСЮ3 = 2КС1 +ЗО2 (1)2KNO3 = 2KNO2 + O2 (2)2КМпО4 = К2Мп04 + МпО2 + О2 (3)4КМпО4 = 2К2О + 4МпО2 + ЗО2 (4)2ВаО2 = 2ВаО + О2

3. Каталитическое разложение пероксида водорода (катализатор — пирог люзит — МпО2):2Н2О2 = 2Н2О + О24. Электролиз щелочных или сульфатных растворов с применением нерастворимых (платиновых) анодов, на которых происходит разрядка гидр-оксид-ионов или окисление воды 4ОН" - 4е- = О2 + 2Н2О 2Н2О - 4е~ = О2 + 4Н+5. Взаимодействие пероксидов щелочных элементов с диоксидом углерода:2Na2O2 + 2СО2 = 2Na2CO3 + О2Эта реакция осуществляется в кислородных изолирующих приборах.

Физические свойства (см. также табл. 36). Бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха. Умеренно растворим в воде, но несколько лучше, чем азот; в растворенном воздухе содержание кислорода составляет 36 % (об.). Жидкий и твердый дикислород имеет светло-синюю окраску. На парамагнитное™ дикислорода основаны аналитические способы обнаружения и количественного определения О2.Химические свойства. При комнатной температуре относительно мало ре-акционноспособен; при высоких температурах вследствие ослабления связи кислород—кислород активность О2 возрастает.

Химическое присоединение кислорода называется окислением; оно бывает медленным и быстрым. Медленное окисление — это, например, процессы образования ржавчины на железных предметах, усвоения пищи организмом, гниения органических остатков, старения резины, отверждения масляных красок. Быстрое окисление, часто сопровождаемое появлением пламени, называется горением. В чистом (а также в жидком) кислороде вещества горят интенсивнее, чем в воздухе *, например воспламеняется тлеющая на воздухе древесная лучина. При окислении веществ кислородом образуются оксиды, напримерS+O2=SO2; 2H2S + ЗО2 = 2Н2О + 2SO2

Горение н, следовательно, быстрое окисление возможны без участия кислорода; так, водород сгорает (окисляется) в газообразном хлоре и в паре брома, при этом образуются хлоро- и бромоводород соответственно.

Обнаружение. По яркому возгоранию тлеющей лучины (при содержании кислорода более 30 %); по коричневому окрашиванию щелочного раствора пирогаллола.Применение. Кислород хранят и перевозят в стальных баллонах под избыточным давлением 15 МПа (150 атм); на вентиле баллона не должно быть жировой смазки. Кислород используют для сварки и резки металлов и в дыхательных аппаратах, как окислитель ракетных топлив и реагент во многих химико-технологических процессах. Обогащенный кислородом воздух применяется в различных металлургических методах, для газификации бурого угля под давлением и др.Жидкий воздух. Получают по способу Линде, который заключается в следующем. Воздух сжимают и выделяющуюся при этом теплоту отводят; при последующем расширении происходит охлаждение. Путем повторения такой операции е промежуточным охлаждением получают сжиженный воздух при температуре около —190 °С. Жидкий воздух имеет светло-синюю окраску. Его хранят в сосудах Дьюара, которые запрещено закрывать плотной пробкой. Интенсивность окраски жидкого воздуха при хранении увеличивается, так как более летучий бесцветный азот испаряется. Смеси жидкого воздуха с активным углем, древесной мукой и другими дисперсными материалами взрывчаты.Трикислород (озон) ОзПолучение. Озон образуется из обычного кислорода (в чистом виде или в воздухе) под действием тлеющего электрического разряда или ультрафиолетового излучения (ЗО2 ч=* 2О3). Кислород, получаемый на аноде при электролизе разбавленной серной кислоты с применением высокой плотности электрического тока, содержит значительные количества озона.Свойства. Светло-синий газ с характерным «электрическим» запахом. Взрывается при нагревании. Очень сильный окислитель, но слабее, чем атомный кислород. С серебром образует черный пероксид серебра (точная формула неизвестна); при контакте с эфиром или спиртом последние загораются.Применение. Озон используют для обеззараживания питьевой воды, в медицине как дезинфицирующее средство, для обезвреживания промышленных сточных вод.

Атмосферный озоновый слой. В стратосфере («25 км над поверхностью Землн) озон образуется под действием солнечной радиации, и хотя его количество мало (но сравнению с кислородом воздуха), озона оказывается достаточно для поглощения ультрафиолетового излучения, опасного для всех живых организмов. Таким образом, озоновый слой в стратосфере обеспечивает нормальное развитие органической жизни на Земле.

СОЕДИНЕНИЯ КИСЛОРОДА ОксидыПолучение. 1. Взаимодействие простых веществ с кислородом (окисление элементов в свободном виде), например, при их горении в атмосфере кис- -лорода или на воздухе.