Кислород — химический элемент ; он имеет символ O и атомный номер 8. Он входит в группу халькогенов в периодической таблице , высокореактивный неметалл и окислитель , который легко образует оксиды с большинством элементов, а также с другими соединениями . Кислород — самый распространенный элемент в земной коре и третий по распространенности элемент во Вселенной после водорода и гелия . При стандартной температуре и давлении два атома элемента связываются с образованием дикислорода , двухатомного газа без цвета и запаха с формулой O.
2. Двухатомный кислород в настоящее время составляет 20,95% атмосферы Земли , хотя за долгие периоды времени ситуация значительно изменилась . Кислород составляет почти половину земной коры в виде оксидов. [5]
Всем растениям , животным и грибам кислород необходим для клеточного дыхания , которое извлекает энергию за счет реакции кислорода с молекулами, полученными из пищи, и производит углекислый газ в качестве отходного продукта. У четвероногих дыхание приносит кислород в легкие, где происходит газообмен, углекислый газ диффундирует из крови, а кислород диффундирует в кровь. Система кровообращения организма транспортирует кислород к клеткам, где происходит клеточное дыхание. [6] [7]
Многие основные классы органических молекул в живых организмах содержат атомы кислорода, такие как белки , нуклеиновые кислоты , углеводы и жиры , а также основные составляющие неорганические соединения панцирей, зубов и костей животных. Большую часть массы живых организмов составляет кислород как компонент воды , основной составляющей форм жизни. Кислород постоянно пополняется в атмосфере Земли за счет фотосинтеза , который использует энергию солнечного света для производства кислорода из воды и углекислого газа. Кислород слишком химически активен, чтобы оставаться свободным элементом в воздухе без постоянного пополнения в результате фотосинтетической деятельности живых организмов. Другая форма ( аллотропная ) кислорода, озон ( O
3), сильно поглощает ультрафиолетовое UVB- излучение, а высотный озоновый слой помогает защитить биосферу от ультрафиолетового излучения . Однако озон, присутствующий на поверхности, является побочным продуктом смога и, следовательно, загрязнителем.
Кислород был выделен Майклом Сендивогием до 1604 года, но принято считать, что этот элемент был открыт независимо Карлом Вильгельмом Шееле в Уппсале в 1773 году или ранее и Джозефом Пристли в Уилтшире в 1774 году. Приоритет часто отдается Пристли, поскольку его работа была опубликована первой. Пристли, однако, называл кислород «дефлогистированным воздухом» и не признавал его химическим элементом. Название кислород было придумано в 1777 году Антуаном Лавуазье , который впервые признал кислород химическим элементом и правильно охарактеризовал роль, которую он играет в горении.
Обычное использование кислорода включает производство стали , пластмасс и текстиля , пайку, сварку и резку стали и других металлов , ракетное топливо , кислородную терапию и системы жизнеобеспечения в самолетах , подводных лодках , космических полетах и дайвинге .
Один из первых известных экспериментов по изучению связи между горением и воздухом был проведен греческим писателем-механиком II века до нашей эры Филоном Византийским . В своей работе «Пневматика» Филон заметил, что если перевернуть сосуд над горящей свечой и окружить горлышко сосуда водой, то в горлышко поднимется некоторое количество воды. [8] Филон ошибочно предположил, что часть воздуха в сосуде превратилась в классический элемент огня и, таким образом, смогла выйти через поры в стекле. Много столетий спустя Леонардо да Винчи, опираясь на работу Филона, заметил, что часть воздуха расходуется при горении и дыхании . [9]
В конце 17 века Роберт Бойль доказал, что для горения необходим воздух. Английский химик Джон Мейоу (1641–1679) усовершенствовал эту работу, показав, что для огня требуется лишь часть воздуха, которую он назвал Spiritus nitroaereus . [10] В одном эксперименте он обнаружил, что помещение мыши или зажженной свечи в закрытый контейнер над водой вызывало подъем воды и замещение одной четырнадцатой объема воздуха, прежде чем гасить испытуемых. [11] Исходя из этого, он предположил, что nitroaereus расходуется как при дыхании, так и при горении.
Мэйоу заметил, что сурьма увеличивается в весе при нагревании, и сделал вывод, что нитроэрей, должно быть, соединился с ней. [10] Он также считал, что легкие отделяют нитроаэрей от воздуха и передают его в кровь, а тепло и мышечные движения животных возникают в результате реакции нитроареуса с определенными веществами в организме. [10] Отчеты об этих и других экспериментах и идеях были опубликованы в 1668 году в его работе Tractatus duo в трактате «De respiratione». [11]
Роберт Гук , Оле Борх , Михаил Ломоносов и Пьер Байен получили кислород в экспериментах 17 и 18 веков, но никто из них не признал его химическим элементом . [12] Частично это могло быть связано с преобладанием философии горения и коррозии , называемой теорией флогистона , которая в то время была излюбленным объяснением этих процессов. [13]
Теория флогистона , основанная в 1667 году немецким алхимиком Я. Бехером и модифицированная химиком Георгом Эрнстом Сталем в 1731 году, утверждала , что все горючие материалы состоят из двух частей. Одна часть, называемая флогистоном, выделялась при сгорании содержащего его вещества, тогда как дефлогистизированная часть считалась его истинной формой, или окалиной . [9]
Считалось , что легковоспламеняющиеся материалы, оставляющие мало остатков , такие как древесина или уголь, состоят в основном из флогистона; негорючих веществ, подверженных коррозии, например железа, содержалось очень мало. Воздух не играл никакой роли в теории флогистона, и не проводилось никаких первоначальных количественных экспериментов для проверки этой идеи; вместо этого он был основан на наблюдениях за тем, что происходит, когда что-то горит: большинство обычных предметов кажутся легче и что-то теряют в процессе. [9]
Польский алхимик , философ и врач Михаил Сендивогий (Михал Сендзивой) в своей работе De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti [«Двенадцать трактатов о философском камне, взятых из источника природы и ручного опыта»] (1604 г.) описал вещество, содержащееся в воздухе, назвав его «cibus vitae» (пища жизни, [15] ), и, по мнению польского историка Романа Бугая, это вещество идентично кислороду. [16] Сендивогий во время своих экспериментов, проведенных между 1598 и 1604 годами, правильно осознал, что это вещество эквивалентно газообразному побочному продукту, выделяющемуся при термическом разложении нитрата калия . По мнению Бугая, выделение кислорода и правильное соединение этого вещества с той частью воздуха, которая необходима для жизни, дает достаточные доказательства открытия кислорода Сендивогием. [16] Однако это открытие Сендивогия часто отрицалось поколениями ученых и химиков, которые следовали за ним. [15]
Также широко распространено мнение, что кислород был впервые открыт шведским фармацевтом Карлом Вильгельмом Шееле . В 1771–1772 годах он получил газообразный кислород путем нагревания оксида ртути (HgO) и различных нитратов . [17] [18] [9] Шееле назвал газ «огненным воздухом», потому что в то время он был единственным известным агентом , поддерживающим горение. Он написал отчет об этом открытии в рукописи под названием «Трактат о воздухе и огне» , которую отправил своему издателю в 1775 году. Этот документ был опубликован в 1777 году. [19]
Тем временем 1 августа 1774 года британский священнослужитель Джозеф Пристли в ходе эксперимента сосредоточил солнечный свет на оксиде ртути, содержащемся в стеклянной трубке, в результате чего высвободился газ, который он назвал «дефлогистизированным воздухом». [18] Он отметил, что в газе свечи горели ярче, а мышь была более активной и жила дольше, вдыхая его. Вдохнув газ самому, Пристли писал: «Ощущение этого газа в моих легких существенно не отличалось от ощущения обычного воздуха , но мне казалось, что некоторое время после этого моя грудь ощущалась особенно легкой и легкой». [12] Пристли опубликовал свои открытия в 1775 году в статье под названием «Отчет о дальнейших открытиях в воздухе», которая была включена во второй том его книги под названием « Эксперименты и наблюдения над различными видами воздуха» . [9] [20] Поскольку Пристли первым опубликовал свои открытия, ему обычно отдается приоритет в открытии.
Французский химик Антуан Лоран Лавуазье позже утверждал, что открыл новое вещество независимо. Пристли посетил Лавуазье в октябре 1774 года и рассказал ему о своем эксперименте и о том, как он освободил новый газ. Шееле также отправил Лавуазье письмо 30 сентября 1774 года, в котором описывалось его открытие ранее неизвестного вещества, но Лавуазье так и не подтвердил его получение (копия письма была найдена в вещах Шееле после его смерти). [19]
Лавуазье провел первые адекватные количественные эксперименты по окислению и дал первое правильное объяснение того, как происходит горение. [18] Он использовал эти и подобные эксперименты, начатые в 1774 году, чтобы дискредитировать теорию флогистона и доказать, что вещество, открытое Пристли и Шееле, является химическим элементом .
В одном эксперименте Лавуазье заметил, что при нагревании олова и воздуха в закрытом контейнере общего увеличения веса не наблюдалось . [18] Он отметил, что воздух хлынул внутрь, когда он открыл контейнер, что указывало на то, что часть захваченного воздуха была израсходована. Он также отметил, что вес олова увеличился, и это увеличение было таким же, как и вес воздуха, который устремился обратно. Этот и другие эксперименты по горению были задокументированы в его книге Sur la горение в общем , которая была опубликована в 1777 году. [18] В этой работе он доказал, что воздух представляет собой смесь двух газов; «жизненный воздух», необходимый для горения и дыхания, и азот (греч. ἄζωτον «безжизненный»), который не поддерживал ни того, ни другого. Позже азот стал называться азотом на английском языке, хотя во французском и некоторых других европейских языках он сохранил прежнее название. [18]
Лавуазье переименовал «жизненный воздух» в кислород в 1777 году от греческих корней ὀξύς (оксис) ( кислота , буквально «острый», от вкуса кислот) и -γενής (-genēs) (производитель, буквально порождающий), поскольку он ошибочно считал что кислород входит в состав всех кислот. [21] Химики (такие как сэр Хамфри Дэви в 1812 году) в конечном итоге пришли к выводу, что Лавуазье был неправ в этом отношении, но к тому времени это имя уже слишком устоялось. [22]
Кислород вошел в английский язык, несмотря на противодействие со стороны английских ученых и тот факт, что англичанин Пристли первым выделил газ и написал о нем. Частично это связано со стихотворением, восхваляющим газ, под названием «Кислород» в популярной книге « Ботанический сад» (1791) Эразма Дарвина , дедушки Чарльза Дарвина . [19]
Первоначальная атомная гипотеза Джона Дальтона предполагала, что все элементы одноатомны и что атомы в соединениях обычно имеют простейшие атомные соотношения по отношению друг к другу. Например, Дальтон предположил, что формула воды — HO, что привело к выводу, что атомная масса кислорода в 8 раз больше, чем у водорода, вместо современного значения примерно в 16. [23] В 1805 году Жозеф Луи Гей-Люссак и Александр фон Гумбольдт показал, что вода образуется из двух объемов водорода и одного объема кислорода; а к 1811 году Амедео Авогадро пришел к правильной интерпретации состава воды, основанной на том, что сейчас называется законом Авогадро, и двухатомных элементарных молекулах в этих газах. [24] [а]
Первым коммерческим методом получения кислорода был химический, так называемый процесс Брина , включающий обратимую реакцию оксида бария . Он был изобретен в 1852 году и коммерциализирован в 1884 году, но в начале 20 века был вытеснен более новыми методами.
К концу XIX века ученые поняли, что воздух можно сжижать, а его компоненты изолировать, сжимая и охлаждая. Используя каскадный метод, швейцарский химик и физик Рауль Пьер Пикте испарял жидкий диоксид серы , чтобы сжижать углекислый газ, который, в свою очередь, испарялся для охлаждения газообразного кислорода, достаточного для его сжижения. 22 декабря 1877 года он отправил телеграмму во Французскую академию наук в Париже, объявляя о своем открытии жидкого кислорода . [25] Всего два дня спустя французский физик Луи Поль Кайлете объявил о своем собственном методе сжижения молекулярного кислорода. [25] В каждом случае выделялось лишь несколько капель жидкости, и никакой значимый анализ провести не удалось. Кислород был впервые сжижен в стабильном состоянии 29 марта 1883 года польскими учеными из Ягеллонского университета Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским . [26]
В 1891 году шотландский химик Джеймс Дьюар смог получить достаточно жидкого кислорода для исследований. [27] Первый коммерчески жизнеспособный процесс производства жидкого кислорода был независимо разработан в 1895 году немецким инженером Карлом фон Линде и британским инженером Уильямом Хэмпсоном . Оба человека понижали температуру воздуха до тех пор, пока он не сжижался, а затем перегоняли составляющие газы, выпаривая их по одному и улавливая по отдельности. [28] Позже, в 1901 году, впервые была продемонстрирована ацетиленовая сварка путем сжигания смеси ацетилена и сжатого O.
2. Этот метод сварки и резки металла позже получил распространение. [28]
В 1923 году американский учёный Роберт Х. Годдард стал первым человеком, разработавшим ракетный двигатель , сжигающий жидкое топливо; двигатель использовал бензин в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя . Годдард успешно запустил небольшую ракету на жидком топливе на высоту 56 м со скоростью 97 км/ч 16 марта 1926 года в Оберне, штат Массачусетс , США. [28] [29]
В академических лабораториях кислород можно получить путем нагревания хлората калия, смешанного с небольшой долей диоксида марганца. [30]
Уровень кислорода в атмосфере во всем мире имеет тенденцию к небольшому снижению, возможно, из-за сжигания ископаемого топлива. [31]
При стандартной температуре и давлении кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса с молекулярной формулой O.
2, называемый дикислородом. [33]
В диоксиде два атома кислорода химически связаны друг с другом. Связь можно описывать по-разному, исходя из уровня теории, но разумно и просто она описывается как ковалентная двойная связь , возникающая в результате заполнения молекулярных орбиталей , образованных из атомных орбиталей отдельных атомов кислорода, заполнение которых приводит к образованию связи . порядок двух. Более конкретно, двойная связь является результатом последовательного заполнения орбиталей от низкой к высокой энергии, или Aufbau , и результирующего аннулирования вкладов 2s-электронов после последовательного заполнения низких σ и σ * орбиталей; σ перекрытие двух атомных 2p-орбиталей, лежащих вдоль оси молекулы O–O, и π-перекрытие двух пар атомных 2p-орбиталей, перпендикулярных оси молекулы O–O, а затем аннулирование вкладов оставшихся двух 2p-электронов после их частичного заполнение π * -орбиталей. [32]
Эта комбинация аннулирования и перекрытия σ и π приводит к характеру и реакционной способности двойной связи дикислорода, а также к триплетному основному электронному состоянию . Электронная конфигурация с двумя неспаренными электронами, как это происходит на дикислородных орбиталях (см. заполненные π*-орбитали на диаграмме), которые имеют одинаковую энергию, т. е. вырожденную , представляет собой конфигурацию, называемую спиновым триплетным состоянием. Следовательно, основное состояние O
2молекулу называют триплетным кислородом . [34] [b] Частично заполненные орбитали с самой высокой энергией являются разрыхляющими , и поэтому их заполнение ослабляет порядок связи с трех до двух. Из-за наличия неспаренных электронов триплетный кислород очень медленно реагирует с большинством органических молекул, имеющих спаренные электронные спины; это предотвращает самовозгорание. [35]
В тройной форме O
2Молекулы парамагнитны . То есть они придают кислороду магнитный характер, когда он находится в магнитном поле, из-за спиновых магнитных моментов неспаренных электронов в молекуле и отрицательной обменной энергии между соседними O
2молекулы. [27] Жидкий кислород настолько магнитен , что в ходе лабораторных экспериментов мост из жидкого кислорода можно удерживать под собственным весом между полюсами мощного магнита. [36] [с]
Синглетный кислород — это название, данное нескольким высокоэнергетическим разновидностям молекулярного O.
2в котором все спины электронов спарены. Он гораздо более реакционноспособен с обычными органическими молекулами, чем обычный (триплетный) молекулярный кислород. В природе синглетный кислород обычно образуется из воды в процессе фотосинтеза с использованием энергии солнечного света. [37] Он также вырабатывается в тропосфере в результате фотолиза озона коротковолновым светом [38] и иммунной системой в качестве источника активного кислорода. [39] Каротиноиды в фотосинтезирующих организмах (и, возможно, у животных) играют важную роль в поглощении энергии синглетного кислорода и преобразовании его в невозбужденное основное состояние, прежде чем он сможет нанести вред тканям. [40]
Распространенный аллотроп элементарного кислорода на Земле называется дикислород , O
2, основная часть атмосферного кислорода Земли (см. Происхождение). O 2 имеет длину связи 121 пм и энергию связи 498 кДж/моль . [41] O 2 используется сложными формами жизни, такими как животные, в клеточном дыхании . Другие аспекты О
2рассматриваются в оставшейся части этой статьи.
Трикислород ( O
3) обычно известен как озон и представляет собой очень реактивный аллотроп кислорода, повреждающий легочную ткань. [42] Озон образуется в верхних слоях атмосферы , когда O
2соединяется с атомарным кислородом, образующимся в результате расщепления O
2ультрафиолетовым ( УФ ) излучением. [21] Поскольку озон сильно поглощает ультрафиолетовую область спектра , озоновый слой верхних слоев атмосферы действует как защитный радиационный щит для планеты. [21] У поверхности Земли это загрязняющее вещество , образующееся как побочный продукт автомобильных выхлопов . [42] На низких околоземных орбитах присутствует достаточное количество атомарного кислорода, чтобы вызвать коррозию космических кораблей . [43]
Метастабильная молекула тетракислорода ( O
4) был открыт в 2001 году [44] [45] и предполагалось, что он существует в одной из шести фаз твердого кислорода . В 2006 году было доказано, что эта фаза, создаваемая давлением O
2до 20 ГПа , на самом деле представляет собой ромбоэдрический O
8 кластер . [46] Этот кластер потенциально может стать гораздо более мощным окислителем , чем любой O
2или О
3и поэтому может использоваться в ракетном топливе . [44] [45] Металлическая фаза была обнаружена в 1990 году, когда твердый кислород подвергается давлению выше 96 ГПа [47] , а в 1998 году было показано, что при очень низких температурах эта фаза становится сверхпроводящей . [48]
Кислород легче растворяется в воде, чем азот, а в пресной воде легче, чем в морской. Вода в равновесии с воздухом содержит примерно 1 молекулу растворенного О.
2на каждые 2 молекулы N
2(1:2) по сравнению с атмосферным соотношением примерно 1:4. Растворимость кислорода в воде зависит от температуры и примерно в два раза больше (14,6 мг/л ) растворяется при 0 °С, чем при 20 °С (7,6 мг/л ). [12] [49] При 25 °C и давлении воздуха в 1 стандартную атмосферу (101,3 кПа ) пресная вода может растворить около 6,04 миллилитра (мл) кислорода на литр , а морская вода содержит около 4,95 мл на литр. [50] При 5 °C растворимость увеличивается до 9,0 мл (на 50% больше, чем при 25 °C) на литр пресной воды и 7,2 мл (на 45% больше) на литр морской воды.
Кислород конденсируется при 90,20 К (-182,95 ° C, -297,31 ° F) и замерзает при 54,36 К (-218,79 ° C, -361,82 ° F). [51] Как жидкий , так и твердый O
2— прозрачные вещества светлого небесно-голубого цвета, обусловленного поглощением красного цвета (в отличие от голубого цвета неба, обусловленного рэлеевским рассеянием синего света). Высокочистая жидкость О
2обычно получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха. [52] Жидкий кислород также можно конденсировать из воздуха, используя жидкий азот в качестве хладагента. [53]
Жидкий кислород является высокореактивным веществом и его необходимо отделять от горючих материалов. [53]
Спектроскопия молекулярного кислорода связана с атмосферными процессами полярного сияния и свечения неба . [54] Поглощение в континууме Герцберга и полосах Шумана-Рунге в ультрафиолете приводит к образованию атомарного кислорода, который важен в химии средней атмосферы. [55] Синглетный молекулярный кислород в возбужденном состоянии отвечает за красную хемилюминесценцию в растворе. [56]
Таблица теплофизических свойств кислорода (О 2 ) при атмосферном давлении: [57] [58]
Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов : 16 O , 17 O и 18 O , причем 16 O является наиболее распространенным (99,762% естественного содержания ). [59]
Большая часть 16 O синтезируется в конце процесса синтеза гелия в массивных звездах, но некоторая часть образуется в процессе горения неона . [60] 17 O в основном образуется в результате сжигания водорода в гелий во время цикла CNO , что делает его распространенным изотопом в зонах горения водорода звезд. [60] Большая часть 18 O образуется, когда 14 N (в изобилии образующийся в результате горения CNO) захватывает ядро 4 He , в результате чего 18 O становится обычным явлением в богатых гелием зонах развитых массивных звезд . [60]
Охарактеризовано пятнадцать радиоизотопов в диапазоне от 11 O до 28 O. [61] [62] Наиболее стабильными являются 15 O с периодом полураспада 122,24 секунды и 14 O с периодом полураспада 70,606 секунды. [59] Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 27 секунд, а у большинства из них период полураспада составляет менее 83 миллисекунд. [59] Наиболее распространенным способом распада изотопов легче 16 O является β + распад [63] [64] [65] с образованием азота, а наиболее распространенным способом распада изотопов тяжелее 18 O является бета-распад с образованием фтора. . [59]
Кислород — самый распространенный по массе химический элемент в биосфере Земли , в воздухе, на море и на суше. Кислород — третий по распространенности химический элемент во Вселенной после водорода и гелия. [67] Около 0,9% массы Солнца составляет кислород. [18] Кислород составляет 49,2% земной коры по массе [68] как часть оксидных соединений, таких как диоксид кремния, и является наиболее распространенным по массе элементом в земной коре . Это также основной компонент мирового океана (88,8% по массе). [18] Газообразный кислород является вторым наиболее распространенным компонентом атмосферы Земли , занимая 20,8% ее объема и 23,1% ее массы (около 10 15 тонн). [18] [69] [d] Земля необычна среди планет Солнечной системы тем, что имеет такую высокую концентрацию газообразного кислорода в своей атмосфере: Марс (с 0,1% O
2по объему), а у Венеры гораздо меньше. О
2окружающее эти планеты, образуется исключительно в результате воздействия ультрафиолетового излучения на кислородсодержащие молекулы, такие как углекислый газ.
Необычно высокая концентрация газообразного кислорода на Земле является результатом кислородного цикла . Этот биогеохимический цикл описывает движение кислорода внутри и между тремя основными резервуарами на Земле: атмосферой, биосферой и литосферой . Основным движущим фактором круговорота кислорода является фотосинтез , который отвечает за формирование современной атмосферы Земли. Фотосинтез выделяет кислород в атмосферу, а дыхание , распад и горение удаляют его из атмосферы. В современном равновесии производство и потребление происходят с одинаковой скоростью. [70]
Свободный кислород также встречается в растворе в водоемах мира. Повышенная растворимость O
2при более низких температурах (см. «Физические свойства») имеет важные последствия для жизни в океане, поскольку в полярных океанах поддерживается гораздо более высокая плотность жизни из-за более высокого содержания кислорода. [71] Вода, загрязненная питательными веществами для растений, такими как нитраты или фосфаты, может стимулировать рост водорослей в результате процесса, называемого эвтрофикацией , а распад этих организмов и других биоматериалов может снизить содержание O
2содержание в эвтрофных водоемах. Ученые оценивают этот аспект качества воды, измеряя биохимическую потребность воды в кислороде или количество O.
2необходимо восстановить его до нормальной концентрации. [72]
Палеоклиматологи измеряют соотношение кислорода-18 и кислорода-16 в раковинах и скелетах морских организмов, чтобы определить климат миллионы лет назад (см. цикл соотношения изотопов кислорода ). Молекулы морской воды , содержащие более легкий изотоп кислорода-16, испаряются немного быстрее, чем молекулы воды, содержащие на 12% более тяжелый изотоп кислорода-18, и это неравенство увеличивается при более низких температурах. [73] В периоды более низких глобальных температур снег и дождь из испаряемой воды, как правило, содержат больше кислорода-16, а оставшаяся морская вода, как правило, содержит больше кислорода-18. Морские организмы затем включают в свои скелеты и панцири больше кислорода-18, чем в более теплом климате. [73] Палеоклиматологи также напрямую измеряют это соотношение в молекулах воды в образцах ледяных кернов возрастом сотни тысяч лет.
Планетарные геологи измерили относительные количества изотопов кислорода в образцах с Земли , Луны , Марса и метеоритов , но долгое время не могли получить эталонные значения соотношений изотопов на Солнце , которые, как полагают, были такими же, как и у первобытных людей. Солнечная туманность . Анализ кремниевой пластины, подвергшейся воздействию солнечного ветра в космосе и доставленной разбившимся космическим кораблем «Генезис», показал, что на Солнце содержится более высокая доля кислорода-16, чем на Земле. Измерение предполагает, что неизвестный процесс истощил кислород-16 из протопланетного материала солнечного диска до слияния пылевых частиц, которые сформировали Землю. [74]
Кислород имеет две спектрофотометрические полосы поглощения с максимумами на длинах волн 687 и 760 нм . Некоторые ученые, занимающиеся дистанционным зондированием, предложили использовать измерение излучения, исходящего от растительных пологов в этих полосах, для характеристики состояния здоровья растений со спутниковой платформы. [75] Этот подход использует тот факт, что в этих полосах можно отличить отражательную способность растительности от ее флуоресценции , которая намного слабее. Измерение технически сложно из-за низкого отношения сигнал/шум и физической структуры растительности; но он был предложен как возможный метод мониторинга углеродного цикла со спутников в глобальном масштабе.
В природе свободный кислород образуется в результате расщепления воды под действием света в ходе кислородного фотосинтеза . По некоторым оценкам, зеленые водоросли и цианобактерии в морской среде обеспечивают около 70% свободного кислорода, вырабатываемого на Земле, а остальная часть вырабатывается наземными растениями. [76] Другие оценки вклада океана в атмосферный кислород выше, а некоторые оценки ниже, что позволяет предположить, что океаны производят ~ 45% атмосферного кислорода Земли каждый год. [77]
Упрощенная общая формула фотосинтеза: [78]
или просто
Фотолитическое выделение кислорода происходит в тилакоидных мембранах фотосинтезирующих организмов и требует энергии четырёх фотонов . [e] Требуется много этапов, но результатом является образование протонного градиента через тилакоидную мембрану, который используется для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) посредством фотофосфорилирования . [79 ] О
2оставшееся (после образования молекулы воды) выбрасывается в атмосферу. [ф]
Кислород используется в митохондриях для образования АТФ во время окислительного фосфорилирования . Реакция аэробного дыхания по существу обратна фотосинтезу и упрощается как
У позвоночных О
2 диффундирует через мембраны легких и в эритроциты . Гемоглобин связывает О
2, меняющий цвет от синевато-красного до ярко-красного [42] ( CO
2высвобождается из другой части гемоглобина за счет эффекта Бора ). Другие животные используют гемоцианин ( моллюски и некоторые членистоногие ) или гемеритрин ( пауки и омары ). [69] Литр крови способен растворить 200 см 3 O.
2. [69]
До открытия анаэробных многоклеточных животных считалось , что кислород необходим для всех сложных форм жизни. [81]
Активные формы кислорода , такие как ион супероксида ( O−
2) и перекись водорода ( H
2О
2), являются реактивными побочными продуктами использования кислорода в организмах. [69] Части иммунной системы высших организмов вырабатывают перекись, супероксид и синглетный кислород для уничтожения вторгающихся микробов. Активные формы кислорода также играют важную роль в сверхчувствительной реакции растений на атаку патогенов. [79] Кислород повреждает облигатно анаэробные организмы , которые были доминирующей формой ранней жизни на Земле до тех пор, пока O
2начали накапливаться в атмосфере около 2,5 миллиардов лет назад во время Великой оксигенации , примерно через миллиард лет после первого появления этих организмов. [82] [83]
Взрослый человек в состоянии покоя вдыхает от 1,8 до 2,4 грамма кислорода в минуту. [84] Это составляет более 6 миллиардов тонн кислорода, вдыхаемого человечеством в год. [г]
Парциальное давление свободного кислорода в организме живого позвоночного организма наиболее высокое в дыхательной системе и снижается по ходу любой артериальной системы , периферических тканей и венозной системы соответственно. Парциальное давление — это давление, которое имел бы кислород, если бы он один занимал весь объем. [87]
Свободного газообразного кислорода в атмосфере Земли почти не существовало до того, как появились фотосинтезирующие археи и бактерии , вероятно, около 3,5 миллиардов лет назад. Свободный кислород впервые появился в значительных количествах в палеопротерозойскую эру (между 3,0 и 2,3 миллиарда лет назад). [88] Даже если в океанах было много растворенного железа , когда кислородный фотосинтез стал более распространенным, похоже, что полосчатые железные образования были созданы аноксиенными или микроаэрофильными железоокисляющими бактериями, которые доминировали в более глубоких областях фотической зоны , в то время как мелководье покрылось производящими кислород цианобактериями. [89] Свободный кислород начал выделяться из океанов 3–2,7 миллиарда лет назад, достигнув 10% от нынешнего уровня около 1,7 миллиарда лет назад. [88] [90]
Присутствие большого количества растворенного и свободного кислорода в океанах и атмосфере, возможно, привело к вымиранию большинства современных анаэробных организмов во время Великого оксигенационного события ( кислородной катастрофы ) около 2,4 миллиарда лет назад. Клеточное дыхание с использованием O
2позволяет аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным организмам. [91] Клеточное дыхание O
2Встречается у всех эукариот , включая все сложные многоклеточные организмы, такие как растения и животные.
С начала кембрийского периода 540 миллионов лет назад атмосферный O
2уровни колебались от 15% до 30% по объему. [92] К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) атмосферный O
2уровни достигали максимум 35% по объему, [92] что, возможно, способствовало большому размеру насекомых и земноводных в это время. [93]
Изменения концентрации кислорода в атмосфере сформировали климат прошлого. Когда количество кислорода уменьшилось, плотность атмосферы упала, что, в свою очередь, увеличило испарение с поверхности, что привело к увеличению количества осадков и повышению температуры. [94]
При нынешних темпах фотосинтеза потребуется около 2000 лет, чтобы восстановить весь кислород.
2в нынешней атмосфере. [95]
Подсчитано, что кислорода на Земле хватит примерно на один миллиард лет. [96] [97]
В области астробиологии и в поисках внеземной жизни кислород играет важную роль в биосигнатуре . Тем не менее, это не может быть определенной биосигнатурой, возможно, оно вырабатывается абиотически на небесных телах с процессами и условиями (такими как своеобразная гидросфера ), которые допускают свободный кислород, [98] [99] [100] как в случае с тонкими кислородными атмосферами Европы и Ганимеда. . [101]
Сто миллионов тонн O
2ежегодно извлекаются из воздуха для промышленного использования двумя основными методами. [19] Наиболее распространенным методом является фракционная перегонка сжиженного воздуха с N
2 перегоняется в виде пара, а O
2остается в виде жидкости. [19]
Другой основной метод производства O
2пропускает поток чистого, сухого воздуха через один слой пары идентичных цеолитовых молекулярных сит, которые поглощают азот и создают газовый поток, содержащий от 90% до 93% O.
2. [19] Одновременно газообразный азот высвобождается из другого слоя цеолита, насыщенного азотом, за счет снижения рабочего давления камеры и отклонения части газообразного кислорода из производственного слоя через нее в обратном направлении потока. По истечении заданного времени цикла работа двух слоев меняется местами, что позволяет обеспечить непрерывную подачу газообразного кислорода по трубопроводу. Это известно как адсорбция при переменном давлении . Газообразный кислород все чаще получают с помощью этих некриогенных технологий (см. также соответствующую вакуумную адсорбцию ). [102]
Газообразный кислород также можно получить путем электролиза воды с образованием молекулярного кислорода и водорода. Необходимо использовать электричество постоянного тока: если используется переменный ток, газы в каждой конечности состоят из водорода и кислорода во взрывоопасном соотношении 2:1. Похожий метод - электрокаталитический O
2эволюция из оксидов и оксокислот . Также можно использовать химические катализаторы, например, в химических генераторах кислорода или кислородных свечах, которые используются как часть оборудования жизнеобеспечения на подводных лодках и до сих пор являются частью стандартного оборудования коммерческих авиалайнеров на случай аварийной разгерметизации. Другой метод разделения воздуха заключается в принудительном растворении воздуха через керамические мембраны на основе диоксида циркония под высоким давлением или электрическим током с получением почти чистого O.
2газ. [72]
Методы хранения кислорода включают кислородные баллоны под высоким давлением , криогенику и химические соединения. Из соображений экономии кислород часто перевозят наливом в жидком виде в специально изолированных цистернах, поскольку один литр сжиженного кислорода эквивалентен 840 литрам газообразного кислорода при атмосферном давлении и температуре 20 ° C (68 ° F). [19] Такие танкеры используются для заправки емкостей для хранения жидкого кислорода, которые стоят возле больниц и других учреждений, которым необходимы большие объемы чистого газообразного кислорода. Жидкий кислород пропускается через теплообменники , которые преобразуют криогенную жидкость в газ перед ее попаданием в здание. Кислород также хранится и транспортируется в баллонах меньшего размера, содержащих сжатый газ; форма, которая полезна в некоторых портативных медицинских приложениях, а также в газокислородной сварке и резке . [19]
Поглощение О
2из воздуха является основной целью дыхания , поэтому кислородные добавки используются в медицине . Лечение не только повышает уровень кислорода в крови пациента, но и имеет вторичный эффект, заключающийся в уменьшении сопротивления кровотоку при многих типах больных легких, что снижает нагрузку на сердце. Кислородная терапия используется для лечения эмфиземы , пневмонии , некоторых заболеваний сердца ( застойной сердечной недостаточности ), некоторых заболеваний, вызывающих повышение давления в легочной артерии , а также любых заболеваний , которые ухудшают способность организма поглощать и использовать газообразный кислород. [103]
Лечение достаточно гибкое, чтобы его можно было использовать в больницах, дома у пациента или, все чаще, с помощью портативных устройств. Кислородные палатки когда-то широко использовались для подачи кислорода, но с тех пор их в основном заменили кислородные маски или назальные канюли . [104]
Гипербарическая медицина (высокого давления) использует специальные кислородные камеры для повышения парциального давления O.
2вокруг пациента и, при необходимости, медицинского персонала. [105] С помощью этой терапии иногда лечат отравление угарным газом , газовую гангрену и декомпрессионную болезнь («изгибы»). [106] Увеличение О
2концентрация в легких способствует вытеснению угарного газа из гемовой группы гемоглобина . [107] [108] Газообразный кислород ядовит для анаэробных бактерий , вызывающих газовую гангрену, поэтому увеличение его парциального давления помогает их убить. [109] [110] Декомпрессионная болезнь возникает у дайверов, которые слишком быстро выполняют декомпрессию после погружения, в результате чего в крови образуются пузырьки инертного газа, в основном азота и гелия. Повышение давления О
2как можно скорее помогает растворить пузырьки обратно в кровь, чтобы эти излишки газов можно было выдохнуть естественным путем через легкие. [103] [111] [112] Введение нормобарического кислорода в максимально доступной концентрации часто используется в качестве первой помощи при любой травме, связанной с дайвингом, которая может привести к образованию пузырьков инертного газа в тканях. Эпидемиологическое обоснование его использования основано на статистическом изучении случаев, зарегистрированных в долгосрочной базе данных. [113] [114] [115]
Приложение О
2как дыхательный газ низкого давления в современных скафандрах , которые окружают тело обитателя дыхательным газом. Эти устройства используют почти чистый кислород при давлении примерно одной трети нормального, что приводит к нормальному парциальному давлению крови O.
2. Этот компромисс между более высокой концентрацией кислорода и более низким давлением необходим для сохранения гибкости костюма. [116] [117]
Аквалангисты и подводники с надводным питанием и подводники также полагаются на искусственно доставляемый O.
2. Подводные лодки, подводные аппараты и атмосферные водолазные костюмы обычно работают при нормальном атмосферном давлении. Воздух для дыхания очищается от углекислого газа путем химической экстракции, а кислород заменяется для поддержания постоянного парциального давления. Водолазы, работающие под давлением окружающей среды , дышат воздухом или газовыми смесями с фракцией кислорода, соответствующей рабочей глубине. Чистый или почти чистый O
2использование при дайвинге при давлении выше атмосферного обычно ограничивается ребризерами или декомпрессией на относительно небольших глубинах (глубина ~6 метров или меньше) [118] [119] или лечением в рекомпрессионных камерах при давлении до 2,8 бар, где острую кислородную токсичность можно контролировать без риска утопления. Более глубокое погружение требует значительного разбавления O.
2с другими газами, такими как азот или гелий, для предотвращения токсичности кислорода . [118]
Люди, которые поднимаются на горы или летают на самолетах без наддува, иногда имеют дополнительный кислород.
2запасы. [i] Коммерческие самолеты под давлением имеют аварийный запас O.
2автоматически подается пассажирам в случае разгерметизации салона. Внезапная потеря давления в кабине активирует химические генераторы кислорода над каждым сиденьем, в результате чего кислородные маски падают. Надевание маски, «чтобы начать подачу кислорода», как предписывают инструкции по безопасности в кабине, приводит к попаданию железных опилок в хлорат натрия внутри канистры. [72] Затем в результате экзотермической реакции образуется постоянный поток газообразного кислорода .
Кислород, как средство легкой эйфории , имеет историю использования в рекреационных целях в кислородных барах и в спорте . Кислородные бары — это заведения, открытые в США с конца 1990-х годов и предлагающие повышенное содержание кислорода.
2экспозиция за минимальную плату. [120] Профессиональные спортсмены, особенно в американском футболе , иногда между играми уходят за пределы поля, чтобы надеть кислородные маски для повышения производительности. Фармакологический эффект сомнительный; эффект плацебо является более вероятным объяснением. [120] Доступные исследования подтверждают повышение производительности от обогащенных кислородом смесей только в том случае, если они вдыхаются во время аэробных упражнений . [121]
Другие виды рекреационного использования, не требующие дыхания, включают пиротехнические применения, такие как пятисекундное зажигание грилей для барбекю Джорджем Гоблом . [122]
При выплавке железной руды в сталь потребляется 55% промышленно производимого кислорода. [72] В этом процессе О
2впрыскивается через фурму высокого давления в расплавленный чугун, который удаляет примеси серы и избыток углерода в виде соответствующих оксидов SO
2и CO
2. Реакции экзотермические , поэтому температура повышается до 1700° С . [72]
Еще 25% промышленного кислорода используется химической промышленностью. [72] Этилен реагирует с O
2для создания оксида этилена , который, в свою очередь, превращается в этиленгликоль ; основной загружаемый материал, используемый для производства множества продуктов, включая антифризы и полиэфирные полимеры (предшественники многих пластмасс и тканей ). [72]
Большая часть оставшихся 20% промышленного производства кислорода используется в медицинских целях, резке и сварке металлов , в качестве окислителя в ракетном топливе и при очистке воды . [72] Кислород используется при ацетиленовой сварке , сжигании ацетилена с O.
2для получения очень горячего пламени. В этом процессе металл толщиной до 60 см (24 дюйма) сначала нагревается небольшим кислородно-ацетиленовым пламенем, а затем быстро разрезается большим потоком O.
2. [123]
Степень окисления кислорода почти во всех известных соединениях кислорода равна -2. Степень окисления -1 встречается в некоторых соединениях, таких как пероксиды . [124] Очень редко встречаются соединения, содержащие кислород в других степенях окисления: -1/2 ( супероксиды ), -1/3 ( озониды ), 0 ( элементарные , гипофтористые кислоты ), +1/2 ( диоксигенил ), +1 ( дикислород дифторид ) и +2 ( дифторид кислорода ). [125]
Вода ( Н
2О ) — оксид водорода и самое известное соединение кислорода. Атомы водорода ковалентно связаны с кислородом в молекуле воды, но также обладают дополнительным притяжением (около 23,3 кДж/моль на атом водорода) к соседнему атому кислорода в отдельной молекуле. [126] Эти водородные связи между молекулами воды удерживают их примерно на 15% ближе, чем можно было бы ожидать в простой жидкости только с силами Ван-дер-Ваальса . [127] [й]
Благодаря своей электроотрицательности кислород образует химические связи почти со всеми другими элементами, образуя соответствующие оксиды . Поверхность большинства металлов, таких как алюминий и титан , окисляется в присутствии воздуха и покрывается тонкой пленкой оксида, которая пассивирует металл и замедляет дальнейшую коррозию . Многие оксиды переходных металлов представляют собой нестехиометрические соединения , содержащие немного меньше металла, чем следует из химической формулы . Например, минерал FeO ( вюстит ) записывается как , где x обычно составляет около 0,05. [128]
Кислород присутствует в атмосфере в следовых количествах в виде углекислого газа ( CO
2). Порода земной коры состоит в основном из оксидов кремния ( кремнезем SiO
2, как содержится в граните и кварце ), алюминий ( оксид алюминия Al
2О
3, в боксите и корунде ), железо ( оксид железа(III) Fe
2О
3, в гематите и ржавчине ) и карбонат кальция (в известняке ). Остальная часть земной коры также состоит из кислородных соединений, в частности различных сложных силикатов (в силикатных минералах ). Мантия Земли, имеющая гораздо большую массу, чем земная кора, в основном состоит из силикатов магния и железа.
Водорастворимые силикаты в виде Na
4SiO
4, На
2SiO
3и На
2Си
2О
5используются в качестве моющих средств и клеев . [129]
Кислород также действует как лиганд для переходных металлов, образуя дикислородные комплексы переходных металлов , которые содержат металл- O.
2. К этому классу соединений относятся гемовые белки гемоглобин и миоглобин . [130] С PtF происходит экзотическая и необычная реакция.6, который окисляет кислород с образованием O 2 + PtF 6 − , диоксигенилгексафторплатината . [131]
К наиболее важным классам органических соединений, содержащих кислород, относятся (где «R» — органическая группа): спирты (R-OH); эфиры (РОР); кетоны (R-CO-R); альдегиды (R-CO-H); карбоновые кислоты (R-СООН); сложные эфиры (R-COO-R); ангидриды кислот (R-CO-O-CO-R); и амиды ( R-CO-NR
2). Существует множество важных органических растворителей , содержащих кислород, в том числе: ацетон , метанол , этанол , изопропанол , фуран , ТГФ , диэтиловый эфир , диоксан , этилацетат , ДМФ , ДМСО , уксусная кислота и муравьиная кислота . Ацетон ( (CH
3)
2CO ) и фенол ( C
6ЧАС
5OH ) используются в качестве питательных материалов при синтезе множества различных веществ. Другими важными органическими соединениями, содержащими кислород, являются: глицерин , формальдегид , глутаровый альдегид , лимонная кислота , уксусный ангидрид и ацетамид . Эпоксиды — это простые эфиры, в которых атом кислорода входит в кольцо из трех атомов. Этот элемент также содержится почти во всех биомолекулах , которые важны для жизни (или генерируются ею).
Кислород самопроизвольно реагирует со многими органическими соединениями при комнатной температуре или ниже в процессе, называемом автоокислением . [132] Большинство органических соединений , содержащих кислород, не образуются при прямом действии O.
2. Органические соединения, важные в промышленности и торговле, полученные путем прямого окисления предшественника, включают оксид этилена и надуксусную кислоту . [129]
Стандарт NFPA 704 оценивает сжатый газообразный кислород как неопасный для здоровья, негорючий и нереакционноспособный, но являющийся окислителем. Охлажденному жидкому кислороду (LOX) присвоен рейтинг опасности для здоровья 3 (за повышенный риск гипероксии из -за конденсированных паров, а также за опасности, общие для криогенных жидкостей, такие как обморожение), а все остальные рейтинги такие же, как и для сжатого газа. [133]
Газообразный кислород ( O
2) может быть токсичным при повышенном парциальном давлении , приводя к судорогам и другим проблемам со здоровьем. [118] [k] [135] Токсичность кислорода обычно начинается при парциальном давлении более 50 килопаскалей ( кПа), что соответствует примерно 50%-ному составу кислорода при стандартном давлении или в 2,5 раза превышает нормальный уровень моря O.
2парциальное давление около 21 кПа. Это не проблема, за исключением пациентов, находящихся на аппаратах искусственной вентиляции легких , поскольку газ, подаваемый через кислородные маски в медицинских целях, обычно состоит только из 30–50% O.
2по объему (около 30 кПа при стандартном давлении). [12]
Одно время недоношенных детей помещали в инкубаторы, содержащие О
2-богатый воздух, но эта практика была прекращена после того, как некоторые младенцы ослепли из-за слишком высокого содержания кислорода. [12]
Дыхание чистое О
2в космических приложениях, например, в некоторых современных скафандрах или в ранних космических кораблях, таких как « Аполлон» , не вызывает повреждений из-за низкого общего давления. [116] [136] В случае скафандров O
2парциальное давление дыхательного газа обычно составляет около 30 кПа (в 1,4 раза больше нормы), а полученное O
2парциальное давление в артериальной крови космонавта лишь незначительно превышает нормальный уровень моря O
2частичное давление. [137]
Токсическое воздействие кислорода на легкие и центральную нервную систему может также возникнуть при глубоком подводном плавании и дайвинге с поверхности . [12] [118] Длительное вдыхание воздушной смеси с О
2парциальное давление более 60 кПа может в конечном итоге привести к необратимому легочному фиброзу . [138] Воздействие О
2парциальное давление более 160 кПа (около 1,6 атм) может привести к судорогам (обычно смертельным для дайверов). Острая кислородная токсичность (вызывающая судороги, наиболее опасный эффект для дайверов) может возникнуть при вдыхании воздушной смеси с 21% O.
2на глубине 66 м (217 футов) или более; то же самое может произойти при вдыхании 100% O
2всего на высоте 6 м (20 футов). [138] [139] [140] [141]
Высококонцентрированные источники кислорода способствуют быстрому горению. Опасность пожара и взрыва существует, когда концентрированные окислители и топливо находятся в непосредственной близости; событие воспламенения, такое как тепло или искра, необходимо для запуска горения. [35] Кислород является окислителем, а не топливом.
Концентрированный О
2позволит горению протекать быстро и энергично. [35] Стальные трубы и резервуары для хранения, используемые для хранения и транспортировки как газообразного, так и жидкого кислорода , будут выступать в качестве топлива; и поэтому разработка и производство О
2системы требуют специальной подготовки, чтобы гарантировать минимизацию источников возгорания. [35] Пожар, в результате которого погиб экипаж «Аполлона-1» во время испытаний на стартовой площадке, распространился так быстро, потому что капсула находилась под давлением чистого O.
2но при давлении чуть больше атмосферного, вместо 1/3 нормального давления , которое использовалось бы в миссии. [л] [143]
Пролитый жидкий кислород, если ему дать возможность проникнуть в органические вещества, такие как древесина , нефтехимические продукты и асфальт, может привести к непредсказуемой детонации этих материалов при последующем механическом воздействии. [35]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link)