Кисень: фізичні та хімічні властивості

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». 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

• В 1771 році шведський хімік Карл Шееле дослідним шляхом досліджував склад повітря, та визначив, що повітря складається з двох газів: одним з 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. Лувазье дав назву відкритого Шееле газу – кисень, він же оксиген в латині, саме слово «оксиген» означає «той, що породжує кислоти».
• За рік до офіційних «іменин кисню», в 1774 році 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 в 1898 році англійський фізик Джозеф Томпсон вперше змусив громадськість задуматися, 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 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 інтенсивним вирубуванням лісів (постачальників кисню), забрудненням навколишнього середовища, спалюванням відходів тощо. Більше про це ми писали в попередній статті про екологічні проблеми сучасності.

Значення в природі

Саме наявність кисню, в поєднанні з водою призвела до того, що на нашій планеті стало можливим виникнення життя. Як ми відзначили вище, основними постачальниками цього унікального газу є різні рослини, в тому числі найбільша кількість продукованого кисню припадає на підводні водорості. Виділяють кисень і деякі види бактерій. Кисень у верхніх шарах атмосфери утворює озоновий шар, який захищає всіх жителів Землі від шкідливого ультрафіолетового сонячного випромінювання.

Будова молекули

Молекула кисню складається з двох атомів, хімічна формула має вигляд О2. Як утворюється молекула кисню? Механізм її утворення ковалентний неполярний, іншими словами за рахунок усуспільнення електронів кожного атома. Зв’язок між молекулами кисню також неполярний та ковалентний, при цьому вона подвійна, адже у кожного з атомів кисню є по два неспарених електрона на зовнішньому рівні.

Так виглядає молекула кисню, завдяки своїм характеристикам вона дуже стійка. Для багатьох хімічних реакцій з її участю потрібні спеціальні умови: нагрівання, підвищений тиск, застосування каталізаторів.

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 і порошками металів.
• Температура кипіння кисню становить -183 С.
• Щільність кисню дорівнює 0,0014 г/см3

Хімічні властивості

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

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

А так як кисень другий окислювач по силі серед усіх хімічних елементів таблиці Менделєєва, то це визначає і його хімічні властивості.

Отримання

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

2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ – ось так виглядає хімічна реакція отримання кисню.

Також в промисловості в якості ще одного способу 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 в таких сферах як:

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

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

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/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.

Ця стаття доступна англійською мовою – Oxygen.