Кислород

8 Азот ← Кислород → Флуор - ↑ O ↓ Сяра Периодична система
Външен вид
безцветен газ
Общи данни
Име, символ, №	Кислород, O, 8
Химическа серия	Неметал
Група, период, блок	16, 2, p
Свойства на атома
Атомна маса	15,9994 u
Атомен радиус (calc)	60 (48) pm
Ковалентен радиус	73 pm
Радиус на ван дер Ваалс	152 pm
Електронна конфигурация	2p42s2
e- на енергийно ниво	2, 6
Оксидационни с-ния (оксид)	-2,-1 (неутрален)
Кристална структура	кубична
Физични свойства
Агрегатно състояние	Газ
Плътност	1,42934 kg/m³
Температура на топене	50,35 K (-218,4 °C)
Температура на кипене	90,18 K (-182,9 °C)
Моларен обем	17,36×10-6 m³/mol
Специф. топлина на топене	0,22259 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение	3,4099 kJ/mol
Скорост на звука	317,5 m/s при 293 K
Други
Електроотрицателност	3,44 (скала на Полинг)
Специф. топлинен капацитет	920 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост	n.a. S/m
Топлопроводимост	0,02674 W/(m·K)
Йонизационен потенциал	1313,9 kJ/mol

Кислородът (на гръцки: ὀξύς (oxys) - киселина, и -γενής (-genēs) - създател, причинител) е химичен елемент с атомен номер 8 и моларна маса 15,99 u, плътност 1,43 g/l и разтворимост във вода 100:3,1. Той е безцветен газ без миризма, с температура на топене -218,4 °С и температура на кипене -182,9 °С. Означава се с буквата O. Съществува в две алотропни модификации — кислород и озон. Той е най-разпространеният на Земята елемент.

Кислородът е от изключително значение за живата природа. Елементът влиза в състава на много органични вещества и се намира във всички живи клетки. По брой на атомите в живите клетки кислородът заема около 25 %, а по маса — около 65 %. Всички основни класове структурни молекули в живите организми като протеини, въглехидрати и мазнини, съдържат кислород. Кислород съдържат и много неорганични съединения, които са съставна част от черупки, зъби и кости. Кислородът се произвежда от цианобактерии, водорасли и растения по време на фотосинтезата и участва в клетъчното дишане при сложните организми. Поддържа горенето. Кислородът е с токсични свойства за анаеробните организми, които са преобладаващи в началото на съществуването на Земята. Започва да се натрупва в атмосферата преди около 2,5 милиарда години.

Озонът спомага за защита на биосферата от ултравиолетовото лъчение посредством озоновия слой, намиращ се високо в атмосферата, но представлява замърсител в ниската атмосфера.

Свойства

Структура

При стандартни температура и налягане кислородът в безцветен газ без миризма и без вкус с молекулна формула O₂, като в молекулата му два кислородни атома са химически свързани един с друг чрез електронна конфигурация в триплетно състояние. Тази връзка е от втори ред и често се описва опростено като двойна връзка или като съчетание от една двуелектронна и две триелектронни връзки.

Триплетният кислород е основно състояние на молекулата на O₂. Електронната конфигурация на молекулата включва два несдвоени електрона, заемащи две изродени молекулни орбитали. Тези орбитали се класифицират като антисвързващи (отслабващи реда на връзката от трети на втори), така че химичната връзка в двуатомния кислород е по-слаба от тройната връзка в двуатомния азот, при която всички свързващи молекулни орбитали са запълнени, а някои антисвързващи не са.

В нормална триплетна форма молекулите на O₂ са парамагнитни - стават магнитни в присъствие на магнитно поле, заради спиновите магнитни моменти на несдвоените електрони в молекулата и отрицателната обменна енергия между съседните молекули O₂. Течният кислород се привлича от магнити до такава степен, че при лабораторни демонстрации може да се оформи мост от течен кислород, при който собственото му тегло се поддържа между полюсите на силен магнит. Парамагнетизмът на кислорода може да се използва аналитично в газови анализатори, с които се определя чистотата на кислороден газ.

Синглетният кислород е високоенергийно състояние на молекулния O₂, в което всички електронни спинове са сдвоени. Той реагира много по-лесно с обикновените органични съединения. В природата обикновено се образува от вода в процеса на фотосинтеза, използващ енергия от слънчевата светлина. Формира се и в тропосферата чрез фотолиза на озон от късовълнова светлина, както и в имунната система на организмите като източник на активен кислород. Каротеноидите във фотосинтезиращите организми, а може би също и в животните, играят важна роля за поглъщането на енергия от синглетния кислород и преобразуването му до основно състояние преди да може да причини щети на тъканите.

Алотропни форми

Най-разпространената алотропна форма на кислорода е дикислородът O₂. Той има енергия на свързване 498 kJ·mol⁻¹ и дължина на връзката 121 pm. Това е формата, използвана при сложните форми на живот, като животните, в процеса на клетъчно дишане, както и основната форма на кислорода в земната атмосфера.

Трикислородът O₃, обикновено наричан озон, е силно реактивна алотропна форма на кислорода, нанасяща поражения на тъканта на белите дробове. Озон се образува във високите слоеве на атмосферата, когато дикислород се свързва с атомен кислород, получен от разлагането на дикислород от ултравиолетовите лъчи. Тъй като озонът поглъща силно лъчи в ултравиолетовия спектър, озоновият слой в горната атмосфера действа като защитен радиационен щит за планетата. В същото време озонът в близост до земната повърхност е замърсител, образуван като страничен продукт в изгорелите газове на автомобилите.

Метастабилната молекула тетракислород O₄ е открита през 2001 година, когато се смята, че тя съществува в една от шестте фази на твърдия кислород. През 2006 година е доказано, че тази фаза, получена чрез поставяне на O₂ под налягане от 20 GPa, в действителност е триклинносингонален клъстер на O₈. Предполага се, че този клъстер може би е много по-силен оксидант от O₂ и O₃ и може да бъде използван в ракетното гориво.

През 1990 година е открита метална фаза на кислорода като твърд кислород е подложен на налягане над 96 GPa. През 1998 година е установено, че при много ниска температура тази фаза става свръхпроводима.

Физични свойства

Течен кислород в дюаров съд

Кислородът е по-разтворим във вода от азота. Водата в равновесие с въздуха съдържа приблизително 1 молекула разтворен O₂ на всеки 2 молекули N₂ в сравнение с атмосферното съотношение от приблизително 1:4. Разтворимостта на кислорода във вода зависи от температурата, като при 0 °C се разтваря към два пъти повече, отколкото при 20 °C - съответно 14,6 mg·L⁻¹ срещу 7,6 mg·L⁻¹. При температура 25 °C и налягане 1 атмосфера несолената вода съдържа около 6,04 mL кислород на литър, а морската вода - около 4,95 mL на литър.

При охлаждане до -183 °С кислородът се превръща в прозрачна синкава течност, която при -218,7 °С образува сини кристали. Плътността на газообразния кислород е 1,42897 g/l.

Кислородът кондензира при 90,20 K (−182,95 °C) и замръзва при 54,36 K (−218,79 °C). Както течният, така и твърдият O₂ са прозрачни вещества с лек небесносин оттенък, дължащ се на абсорбирането на червеното. Течен кислород с висока чистота обикновено се получава чрез фракционна дестилация на втечнен въздух. Той е силно реактивно вещество и трябва да се отделя от горими материали.

Изотопи и произход

В природата се срещат три изотопа на кислорода - ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O, като ¹⁶O е най-често срещаният (99,762%).

Основната част от ¹⁶O е синтезирана в края на процеса на тройна хелиева реакция в масивните звезди, по-малка част - при процеса на неоново горене. ¹⁷O се получава главно при изгарянето на водород до хелий при CNO-цикъла, поради което се среща често в зоните на изгаряне на водород в звездите. Повечето ¹⁸O е образуван, когато ¹⁴N, станал изобилен при CNO-горенето, улавя ядра на ⁴He, като този изотоп е изобилен в богатите на хелий зони на развитите масивни звезди.

Идентифицирани са четиринадесет радиоизотопа на кислорода, като най-стабилни между тях са ¹⁵O с период на полуразпад от 122,24 s и ¹⁴O с период на полуразпад 70,606 s. Останалите радиоизотопи имат период на полуразпат по-малък от 27 s, а повечето от тях - и по-малък от 83 ms. Най-честият начин на разпад на изотопите, по-леки от ¹⁶O е β⁺ разпадът до азот, а за изотопите, по-тежки от ¹⁸O - бета разпадът до флуор.

Наличие в природата

Десетте най-разпространени елемента в галактиката Млечен път, според спектроскопична оценка

Z	Елемент	Дял от масата, 1/1 000 000
1	Водород	739000	71 × масата на кислорода (в червено)
2	Хелий	240000	23 × масата на кислорода (в червено)
8	Кислород	10400	10400
6	Въглерод	4600	4600
10	Неон	1340	1340
26	Желязо	1090	1090
7	Азот	960	960
14	Силиций	650	650
12	Магнезий	580	580
16	Сяра	440	440

Кислородът е най-изобилният по маса химичен елемент в земната биосфера, въздух, океан и суша. Той е и третият най-изобилен елемент във Вселената, след водорода и хелия. Около 0,9% от масата на Слънцето е кислород, на него се падат и 49,2% от масата на земната кора и 88,8% от масата на Световния океан. Кислородният газ е вторият по количество компонент на земната атмосфера с 20,8% от обема и 23,1% от нейната маса. Земята е нетипична сред планетите от Слънчевата система, които имат значително по-малко кислороден газ в атмосферата си - 0,1% по обем на Марс и значително по-малко на Венера. Чистият кислород около тези планети се получава само в резултат на ултравиолетовите лъчи, разбиващи съдържащи кислород съединения, като въглероден диоксид.

Необичайно високата концентрация на кислороден газ на Земята е резултат от кръговрата на кислорода. Този биогеохимичен цикъл описва движението на кислорода в и между неговите три основни резервоара на Земята - атмосферата, биосферата и литосферата. Основен задвижващ фактор на кръговрата на кислорода е фотосинтезата, на която се дължи съвременния състав на земната атмосфера. Фотосинтезата отделя кислород в атмосферата, докато дишането и разпадът го отстраняват. При съвременното равновесно състояние производството и разходът имат еднаква интензивност от около 1/2000 от общото количество атмосферен кислород за година.

Студената вода задържа повече разтворен O₂

Свободен кислород се среща и разтворен във водните басейни. По-голямата разтворимост на O₂ при ниски температури има голямо значение за живота в океаните, като полярните морета дават възможност за по-голяма плътност на живота, поради по-високото съдържание на кислород във водата. Замърсяването на водата с хранителни вещества, като нитрати или фосфати може да стимулира растежа на алги - процесът на еутрофикация - а разлагането на тези организми и други биологични материали може да намали концентрацията на O₂ в еутрофичните водни басейни. Тази страна на качеството на водата се оценява чрез количеството O₂, необходимо за възстановяване на нормалната концентрация.

Биологична роля

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

История на изследванията

Процесите на горене и дишане отдавна привличат вниманието на учените. Първото указание за това, че не целият въздух, а само „активната” негова част поддържа горенето, е открито в китайски ръкописи от VIII век. Много по-късно Леонардо да Винчи (1452-1519) разглежда въздуха като смес от два газа, липсата на единия от които прекратява горенето и дишането. Окончателното откриване на главните съставки на въздуха – азот и кислород, става през XVIII век. Кислород получават почти едновременно Карл Вилхелм Шееле (1742-1786) през 1773 г. и Джоузеф Пристли (1769-70) през 1774 г. През 1772 г. Д. Ръдърфорд открива азота. Името на химичния елемент дава Антоан Лавоазие през 1779 г.

Кислородът е един от най-често срещаните елементи в природата и най-разпространеният елемент на Земята. В твърдата част на земната кора масата на кислорода е 47,4 % (в състава на различни съединения, основно силикати). Морската и прясна вода съдържат огромно количество свързан кислород — 88,8 % (по маса). Съдържанието му в атмосферата е 21 об. % (23,12 % по маса) - трети след водорода и хелия. Той поддържа живота на планетата и прави възможно горенето. Повече от 60% от масата на човешкото тяло е от кислород.

Производство

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Употреба

Чист кислород с ниско налягане се използва и в скафандрите на космонавтите

Кислородът е от изключително важно значение за всички живи организми. Някои от неговите съединения са интегрална част от ежедневието. Най-важното му съединение е водата (H₂O). Неправилното хранене, пушенето и замърсяването на въздуха са едни от основните причини човешкото тяло да не получава достатъчно кислород. Недостигът му води до умора, нарушаване на обмяната на веществата, преждевременно стареене и риск от сърдечно-съдови заболявания.

Кислородът в смес с хелий и азот (тримикс) се използва от водолазите за дишане под вода. Кислородни апарати се използват и от алпинистите при изкачване на високи върхове в планините. През 1990-те стават популярни кислородните барове, където срещу заплащане може да се диша обогатен с кислород въздух. Първият такъв бар е открит в Лас Вегас.

Съединения

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Почти всички реакции на кислорода с другите химични съединения са реакции на екзотермични окисления, т.е. протичат с отделяне на топлина. С водорода при нормална температура кислородът не реагира, но при 550° С протича реакция с взрив.

2Н₂ + O₂ ---> 2H₂O

Кислородът взаимодейства и с въглерода.

Мерки за безопасност

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия като го разширите.

Бележки

Цитирани източници

• ((en)) Ball, Phillip. New form of oxygen found. // Nature News. 2001-09-16. Посетен на 2008-01-09.
• ((en)) Cacace, Fulvio и др. Experimental Detection of Tetraoxygen. // Angewandte Chemie International Edition 40 (21). 2001. DOI:<4062::AID-ANIE4062>3.0.CO;2-X 10.1002/1521-3773(20011105)40:21<4062::AID-ANIE4062>3.0.CO;2-X. с. 4062–4065.
• ((en)) Chieh, Chung. Bond Lengths and Energies. // University of Waterloo, 2007. Посетен на 2007-12-16.
• ((en)) Cook, Gerhard A. и др. Oxygen. // The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York, Reinhold Book Corporation, 1968.
• ((en)) Croswell, Ken. Alchemy of the Heavens. Anchor, February 1996. ISBN 0-385-47214-5.
• ((en)) Desgreniers, S. и др. Optical response of very high density solid oxygen to 132 GPa. // The Journal of Physical Chemistry 94 (3). 1990. DOI:10.1021/j100366a020. с. 1117–1122.
• ((en)) Emsley, John. Oxygen. // Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK, Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850340-7.
• ((en))  Oxygen Nuclides / Isotopes. // EnvironmentalChemistry.com, 2007. Посетен на 2007-12-17.
• ((en)) Evans, David Hudson и др. The Physiology of Fishes. CRC Press, 2006. ISBN 0-8493-2022-4.
• ((en)) Harrison, Roy M. Pollution: Causes, Effects & Control. 2nd. Cambridge, Royal Society of Chemistry, 1990. ISBN 0-85186-283-7.
• ((en)) Harvey, Hildebrande Wolfe. The Chemistry and Fertility of Sea Waters. Cambridge, Cambridge University Press, 1955.
• ((en)) Hirayama, Osamu и др. Singlet oxygen quenching ability of naturally occurring carotenoids. // Lipids 29 (2). Springer, 1994. DOI:10.1007/BF02537155. с. 149–150.
• ((en)) Jakubowski, Henry. Biochemistry Online. // Saint John's University, 2008. Посетен на 2008-01-28.
• ((en)) Krieger-Liszkay, Anja. Singlet oxygen production in photosynthesis. // Journal of Experimental Botanics 56 (411). Oxford Journals, 2004-10-13. DOI:10.1093/jxb/erh237. с. 337–346.
• ((en)) Lide, David R. Section 4, Properties of the Elements and Inorganic Compounds; Melting, boiling, and critical temperatures of the elements. // CRC Handbook of Chemistry and Physics. 84th. Boca Raton, Florida, CRC Press, 2003. ISBN 0-8493-0595-0.
• ((en))  Oxygen. // Los Alamos National Laboratory. Архив на оригинала от 2007-10-26. Посетен на 2007-12-16.
• ((en)) Lundegaard, Lars F. и др. Observation of an Шаблон:Chem molecular lattice in the phase of solid oxygen. // Nature 443 (7108). 2006. DOI:10.1038/nature05174. с. 201–204.
• ((en))  Liquid Oxygen Material Safety Data Sheet (PDF). // Matheson Tri Gas, 2007. Посетен на 2007-12-15.
• ((en)) Meyer, B.S. Nucleosynthesis and Galactic Chemical Evolution of the Isotopes of Oxygen (PDF). // September 19–21, 2005. Посетен на 2007-01-22.
• ((en))  NUDAT 13O. // nndc.bnl.gov. nndc.bnl.gov, 2009a. Посетен на 2009-07-06.
• ((en))  NUDAT 14O. // nndc.bnl.gov. nndc.bnl.gov, 2009b. Посетен на 2009-07-06.
• ((en))  NUDAT 15O. // nndc.bnl.gov. nndc.bnl.gov, 2009c. Посетен на 2009-07-06.
• ((en)) Parks, G. D. и др. Mellor's Modern Inorganic Chemistry (6th ed.). London, Longmans, Green and Co., 1939.
• ((en)) Pauling, L. The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals : an introduction to modern structural chemistry. 3rd. Ithaca, N.Y., Cornell University Press, 1960. ISBN 0-8014-0333-2.
• ((en))  Molecular Orbital Theory. // Purdue University, 2008. Архив на оригинала от May 10, 2008. Посетен на 2008-01-28.
• ((en))  Company literature of Oxygen analyzers (triplet). // Servomex, 2007. Посетен на 2007-12-15.
• ((en)) Shimizu, K. и др. Superconductivity in oxygen. // Nature 393 (6687). 1998. DOI:10.1038/31656. с. 767–769.
• ((en)) Stwertka, Albert. Guide to the Elements. Revised. Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-508083-1.
• ((en))  Air solubility in water. // The Engineering Toolbox, 2007. Посетен на 2007-12-21.
• ((en))  Overview of Cryogenic Air Separation and Liquefier Systems. // Universal Industrial Gases, Inc., 2007. Посетен на 2007-12-15.
• ((en))  Demonstration of a bridge of liquid oxygen supported against its own weight between the poles of a powerful magnet. // University of Wisconsin-Madison Chemistry Department Demonstration lab, 2007. Архив на оригинала от December 17, 2007. Посетен на 2007-12-15.
• ((en)) Wentworth, Paul и др. Evidence for Antibody-Catalyzed Ozone Formation in Bacterial Killing and Inflammation. // Science 298 (5601). 2002-12-13. DOI:10.1126/science.1077642. с. 2195–219.