Кислород

КИСЛОРОД, О (а. oxygen; и. Sauerstoff; ф. oxygene; и. oxigeno), — химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, атомный номер 8, атомная масса 15,9994. В природе состоит из трёх стабильных изотопов: ¹⁶О (99,754%), ¹⁷О (0,0374%), ¹⁸О (0,2039%). Открыт независимо шведским химиком К. В. Шееле (1770) и английским исследователем Дж. Пристли (1774). В 1775 французский химик А. Лавуазье нашёл, что воздух состоит из двух газов — кислорода и азота и дал первому название.

Свойства кислорода

Кислород — бесцветный газ без запаха и вкуса; плотность при 273,15 К и нормальном давлении 1,428 кг/м³. При 90,18 К конденсируется в бледно-голубую жидкость, при 54,36 К отвердевает. Плотность жидкого кислорода 1142 кг/м³, t плавления — 218,7°С, t кипения — 192,98°С. Теплопроводность (при 273,15 К) 23,86•10^-3 Вт/м•К. Теплоёмкость (273,15 К) Cp =28,9 Дж/моль•К; C_v=20,5 Дж/моль • К; C_p/C_v = 1,403. Критическая температура 154,31 К, давление 4,91705 МПа.

Соединение элементов с кислородом

Простые соединения кислорода: О₂ и озон О₃. Степень окисления -2, -1, а также +2 (OF₂). Образует соединения со всеми элементами. С некоторыми металлами образует пероксиды Me₂О₂, надпероксиды MeO₂, озониды MeO₃; с горючими газами — взрывчатые смеси. В 1 м³ воды при температуре 273,15 К растворяется 0,049 м³ О₂.

Кислород занимает 3-е место после водорода и гелия по распространённости во Вселенной. Самый распространённый химический элемент на Земле — 47% массы земной коры, 85,7% массы гидросферы, 23,15% массы атмосферы, 79% и 65% массы растений и животных соответственно. По объёму кислород занимает 92% объёма земной коры. Известно около 1400 минералов, содержащих кислород, главные из них кварц, полевые шпаты, слюды, глинистые минералы, карбонаты.

Содержание кислорода

Более 99,9% кислорода Земли находится в связанном состоянии. Кислород — главный фактор, регулирующий распределение элементов в планетарном масштабе. Содержание его с глубиной закономерно уменьшается. Количество кислорода в магматических породах меняется от 49% в кислых эффузивах и гранитах до 38-42% в дунитах и кимберлитах. Содержание кислорода в метаморфических породах соответствует глубинности их формирования: от 44% в эклогитах до 48% в кристаллических сланцах. Максимум кислорода в осадочных породах 49-51%. При погружении осадков происходит их дегидратация и частичное восстановление оксидного железа, сопровождающиеся уменьшением количества кислорода в породе. При подъёме горных пород из глубин в приповерхностные условия начинаются процессы их изменения с привносом воды и углекислоты и содержание кислорода повышается. Исключительную роль в геохимических процессах играет свободный кислород, значение которого определяется его высокой химической активностью, большой миграционной способностью и постоянным, относительно высоким содержанием в биосфере, где он не только расходуется, но и воспроизводится.

Свободный кислород

Полагают, что свободный кислород появился в протерозое в результате фотосинтеза. В гипергенных процессах кислород — один из основных агентов, он окисляет сероводород и низшие оксиды. Кислород определяет поведение многих элементов: повышает миграционную способность халькофилов, окисляя сульфиды до подвижных сульфатов, снижает подвижность железа и марганца, осаждая их в виде гидроксидов и обусловливая этим их разделение, и т. д. В водах океана содержание кислорода меняется: летом океан отдаёт кислород в атмосферу, зимой поглощает его. Полярные регионы обогащены кислородом. Важное геохимическое значение имеют соединения кислорода — вода и углекислота.

Первичный изотопный состав кислорода Земли отвечал изотопному составу метеоритов и ультраосновных пород (18О = 5,9-6,4%). Процессы осадконакопления привели к фракционированию изотопов между осадками и водой и обеднению тяжёлым кислородом вод океана. Кислород атмосферы обеднён ¹⁸О по сравнению с кислородом океана, принятым за стандарт. Щелочные породы, граниты, метаморфические и осадочные породы обогащаются тяжёлым кислородом. Вариации изотопного состава в земных объектах определяются в основном температурой протекания процесса. На этом основана изотопная термометрия карбонатообразования и других геохимических процессов.

Получение кислорода

Основной промышленный метод получения кислорода — разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Как побочный продукт кислород получают при электролизе воды. Разработан способ получения кислорода методом избирательной диффузии газов через молекулярные сита.

Газообразный кислород

Газообразный кислород применяется в металлургии для интенсификации доменных и сталеплавильных процессов, при выплавке цветных металлов в шахтных печах, бессемеровании штейнов и др. (свыше 60% потребляемого кислорода); как окислитель во многих химических производствах; в технике — при сварке и резке металлов; при подземной газификации угля и др.; озон — при стерилизации пищевой воды и дезинфекции помещений. Жидкий кислород используют как окислитель для ракетных топлив.