Процессы горения и дыхания издавна привлекали внимание ученых. Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь "активная" его часть поддерживает горение, обнаружены в китайских рукописях 8 века. Много позже Леонардо да Винчи (1452-1519) рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. Окончательное открытие двух главных составных частей воздуха - азота и Кислорода, сделавшее эпоху в науке, произошло только в конце 18 века. Кислород получили почти одновременно К. Шееле (1769-70) путем прокаливания селитр (KNO 3 , NaNO 3), двуокиси марганца МnО 2 и других веществ и Дж. Пристли (1774) при нагревании сурика Рb 3 О 4 и оксида ртути HgO. В 1772 году Д. Резерфорд открыл азот. В 1775 году А. Лавуазье, произведя количественный анализ воздуха, нашел, что он "состоит из двух (газов) различного и, так сказать, противоположного характера", то есть из Кислорода и азота. На основе широких экспериментальных исследований Лавуазье правильно объяснил горение и дыхание как процессы взаимодействия веществ с Кислородом. Поскольку Кислород входит в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, то есть "образующий кислоты" (от греч. oxys - кислый и gennao - рождаю; отсюда и русское название "кислород").

Распространение Кислорода в природе. Кислород - самый распространенный химический элемент на Земле. Связанный Кислород составляет около 6 / 7 массы водной оболочки Земли - гидросферы (85,82% по массе), почти половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где Кислород находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после азота.

Кислород стоит на первом месте и по числу образуемых им минералов (1364); среди минералов, содержащих Кислород, преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и другие), кварц, оксиды железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах в среднем около 70% Кислорода; он входит в состав большинства важнейших органических соединений (белков, жиров, углеводов и т. д.) и в состав неорганических соединений скелета. Исключительно велика роль свободного Кислород в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счет биологического окисления различных веществ с помощью Кислорода.

Вся масса свободного Кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана, выделяющих Кислород в процессе фотосинтеза. На земной поверхности, где протекает фотосинтез и господствует свободный Кислород, формируются резко окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных вод, в илах морей и озер, в болотах, где свободный Кислород отсутствует, формируется восстановительная среда. Окислительно-восстановительные процессы с участием Кислорода определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений полезных ископаемых - угля, нефти, серы, руд железа, меди и т. д.. Изменения в круговороте Кислорода вносит и хозяйственная деятельность человека. В некоторых промышленных странах при сгорании топлива расходуется Кислорода больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Всего же на сжигание топлива в мире ежегодно потребляется около 9·10 9 т Кислорода.

Изотопы, атом и молекула Кислорода. Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16 О, 17 О и 18 О, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759%, 0,037% и 0,204% от общего числа атомов Кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее легкого из них 16 О связано с тем, что ядро атома 16 О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории атомного ядра, обладают особой устойчивостью.

В соответствии с положением Кислорода в периодической системе элементов Менделеева электроны атома Кислорода располагаются на двух оболочках: 2 - на внутренней и 6 - на внешней (конфигурация 1s 2 2s 2 2p 4). Поскольку внешняя оболочка атома Кислорода не заполнена, а потенциал ионизации и сродство к электрону составляют соответственно 13,61 и 1,46 эв, атом Кислорода в химических соединениях обычно приобретает электроны и имеет отрицательный эффективный заряд. Напротив, крайне редки соединения, в которых электроны отрываются (точнее оттягиваются) от атома Кислород (таковы, например, F 2 O, F 2 О 3). Раньше, исходя единственно из положения Кислорода в периодической системе, атому Кислорода в оксидах и в большинстве других соединений приписывали отрицательный заряд (-2). Однако, как показывают экспериментальные данные, ион О 2- не существует ни в свободном состоянии, ни в соединениях, и отрицательный эффективный заряд атома Кислорода практически никогда существенно не превышает единицы.

В обычных условиях молекула Кислорода двухатомна (О 2); в тихом электрическом разряде образуется также трехатомная молекула О 3 - озон; при высоких давлениях обнаружены в небольших количествах молекулы О 4 . Электронное строение О 2 представляет большой теоретический интерес. В основном состоянии молекула О 2 имеет два неспаренных электрона; для нее неприменима "обычная" классическая структурная формула О=О с двумя двухэлектронными связями. Исчерпывающее объяснение этого факта дано в рамках теории молекулярных орбиталей. Энергия ионизации молекулы Кислорода (О 2 - е → О 2 +) составляет 12,2 эв, а сродство к электрону (О 2 + е → О 2 -) - 0,94 эв. Диссоциация молекулярного Кислорода на атомы при обычной температуре ничтожно мала, она становится заметной лишь при 1500°С; при 5000°С молекулы Кислорода почти полностью диссоциированы на атомы.

Физические свойства Кислорода. Кислород бесцветный газ, сгущающийся при -182,9°С и нормальном давлении в бледно-синюю жидкость, которая при -218,7°С затвердевает, образуя синие кристаллы. Плотность газообразного Кислорода (при 0°С и нормальном давлении) 1,42897 г/л. Критическая температура Кислорода довольно низка (Т крит = -118,84°С), то есть ниже, чем у Cl 2 , СО 2 , SO 2 и некоторых других газов; Т крит = 4,97 Мн/м 2 (49,71 ат). Теплопроводность (при 0°С) 23,86·10 -3 вт/(м·К). Молярная теплоемкость (при 0°С) в дж/(моль·К) С p = 28,9, С v = 20,5, С p /С v = 1,403. Диэлектрическая проницаемость газообразного Кислорода 1,000547 (0°С), жидкого 1,491. Вязкость 189 мпуаз (0°С). Кислород мало растворим в воде: при 20°С и 1 ат в 1 м 3 воды растворяется 0,031 м 3 , а при 0°С - 0,049 м 3 Кислорода. Хорошими твердыми поглотителями Кислорода являются платиновая чернь и активный древесный уголь.

Химические свойства Кислорода. Кислород образует химические соединения со всеми элементами, кроме легких инертных газов. Будучи наиболее активным (после фтора) неметаллом, Кислород взаимодействует с большинством элементов непосредственно; исключение составляют тяжелые инертные газы, галогены, золото и платина; их соединения с Кислородом получают косвенным путем. Почти все реакции Кислорода с других веществами - реакции окисления экзотермичны, то есть сопровождаются выделением энергии. С водородом при обычных температурах Кислород реагирует крайне медленно, выше 550°С эта реакция идет со взрывом:

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О.

С серой, углеродом, азотом, фосфором Кислород взаимодействует при обычных условиях очень медленно. При повышении температуры скорость реакции возрастает и при некоторой, характерной для каждого элемента температуре воспламенения начинается горение. Реакция азота с Кислородом благодаря особой прочности молекулы N 2 эндотермична и становится заметной лишь выше 1200°С или в электрическом разряде: N 2 + О 2 = 2NO. Кислород активно окисляет почти все металлы, особенно легко - щелочные и щелочноземельные. Активность взаимодействия металла с Кислородом зависит от многих факторов - состояния поверхности металла, степени измельчения, присутствия примесей.

В процессе взаимодействия вещества с Кислородом исключительно важна роль воды. Например, даже такой активный металл, как калий, с совершенно лишенным влаги Кислородом не реагирует, но воспламеняется в Кислороде при обычной температуре в присутствии даже ничтожных количеств паров воды. Подсчитано, что в результате коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого металла.

Оксиды некоторых металлов, присоединяя Кислород, образуют перекисные соединения, содержащие 2 или более связанных между собой атомов Кислорода. Так, пероксиды Na 2 O 2 и ВаО 2 включают пероксидный ион О 2 2- , надпероксиды NaO 2 и КО 2 - ион О 2 - , а озониды NaO 3 , КО 3 , RbO 3 и CsO 3 - ион О 3 - . Кислород экзотермически взаимодействует со многими сложными веществами. Так, аммиак горит в Кислороде в отсутствии катализаторов, реакция идет по уравнению: 4NH 3 + ЗО 2 = 2N 2 + 6H 2 O. Окисление аммиака кислородом в присутствии катализатора дает NO (этот процесс используют при получении азотной кислоты). Особое значение имеет горение углеводородов (природного газа, бензина, керосина) - важнейший источник тепла в быту и промышленности, например СН 4 + 2О 2 = CO 2 + 2H 2 O. Взаимодействие углеводородов с Кислородом лежит в основе многих важнейших производственных процессов - такова, например, так называемая конверсия метана, проводимая для получения водорода: 2СН 4 + О 2 + 2Н 2 О = 2СО 2 + 6Н 2 . Многие органические соединения (углеводороды с двойной или тройной связью, альдегиды, фенолы, а также скипидар, высыхающие масла и другие) энергично присоединяют Кислород. Окисление Кислородом питательных веществ в клетках служит источником энергии живых организмов.

Получение Кислорода. Существует 3 основных способа получения Кислорода: химический, электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).

Химический способ изобретен ранее других. Кислород можно получать, например, из бертолетовой соли КClОз, которая при нагревании разлагается, выделяя О 2 в количестве 0,27 м 3 на 1 кг соли. Оксид бария ВаО при нагревании до 540°С сначала поглощает Кислород из воздуха, образуя пероксид ВаО 2 , а при последующем нагревании до 870°С ВаО 2 разлагается, выделяя чистый Кислород. Его можно получать также из KMnO 4 , Ca 2 PbO 4 , К 2 Сг 2 О 7 и других веществ при нагревании и добавлении катализаторов. Химический способ получения Кислорода малопроизводителен и дорог, промышленного значения не имеет и используется лишь в лабораторной практике.

Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения ее электропроводности добавлен раствор едкого натра NaOH. При этом вода разлагается на Кислород и водород. Кислород собирается около положительного электрода электролизера, а водород - около отрицательного. Этим способом Кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2 м 3 водорода и 1 м 3 Кислорода затрачивается 12-15 кВт·ч электроэнергии.

Разделение воздуха является основным способом получения Кислорода в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а уже затем разделяют на составные части. Такой способ получения Кислорода называется разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (-180°С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого Кислород, основано на различии температуры кипения его компонентов [Т кип О 2 90,18 К (-182,9°С), t кип N 2 77,36 К (-195,8°С)]. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается Кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий Кислород нужной чистоты (концентрации). В СССР выпускают мелкие (на несколько литров) и самые крупные в мире кислородные воздухоразделительные установки (на 35000 м 3 /ч Кислорода). Эти установки производят технологический Кислород с концентрацией 95-98,5%, технический - с концентрацией 99,2-99,9% и более чистый, медицинский Кислород, выдавая продукцию в жидком и газообразном виде. Расход электрической энергии составляет от 0,41 до 1,6 квт·ч/м 3 .

Кислород можно получать также при разделении воздуха по методу избирательного проницания (диффузии) через перегородки-мембраны. Воздух под повышенным давлением пропускается через фторопластовые, стеклянные или пластиковые перегородки, структурная решетка которых способна пропускать молекулы одних компонентов и задерживать другие.

Газообразный Кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах и ресиверах при давлении 15 и 42 Мн/м 2 (соответственно 150 и 420 бар, или 150 и 420 ат), жидкий Кислород в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках. Для транспортировки жидкого и газообразного Кислорода используют также специальные трубопроводы. Кислородные баллоны окрашены в голубой цвет и имеют черную надпись "кислород".

Применение Кислорода. Технический Кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и других, а также в авиации, на подводных судах и прочее. Технологический Кислород применяют в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, пероксидов металлов и других химических продуктов. Жидкий Кислород применяют при взрывных работах, в реактивных двигателях и в лабораторной практике в качестве хладагента.

Заключенный в баллоны чистый Кислород используют для дыхания на больших высотах, при космических полетах, при подводном плавании и других В медицине Кислород дают для вдыхания тяжело больным, применяют для приготовления кислородных, водяных и воздушных (в кислородных палатках) ванн, для внутримышечного введения и т. п.

Кислород в металлургии широко применяется для интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха кислородом изменила химизм процессов, их теплотехнические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутье позволило сократить потери тепла с уходящими газами, значительная часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию активных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке Кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др.

Первые опыты по применению дутья, обогащенного Кислородом, в доменном производстве для выплавки передельного чугуна и ферромарганца были проведены одновременно в СССР и Германии в 1932-33. Повышенное содержание Кислорода в доменном дутье сопровождается большим сокращением расхода последнего, при этом увеличивается содержание в доменном газе оксида углерода и повышается его теплота сгорания. Обогащение дутья Кислородом позволяет повысить производительность доменной печи, а в сочетании с газообразным и жидким топливом, подаваемым в горн, приводит к снижению расхода кокса. В этом случае на каждый дополнительный процент Кислорода в дутье производительность увеличивается примерно на 2,5%, а расход кокса снижается на 1%.

Кислород в мартеновском производстве в СССР сначала использовали для интенсификации сжигания топлива (в промышленном масштабе Кислород для этой цели впервые применили на заводах "Серп и молот" и "Красное Сормово" в 1932-33). В 1933 начали вдувать Кислород непосредственно в жидкую ванну с целью окисления примесей в период доводки. С повышением интенсивности продувки расплава на 1 м 3 /т за 1 ч производительность печи возрастает на 5-10%, расход топлива сокращается на 4-5%. Однако при продувке увеличиваются потери металла. При расходе Кислорода до 10 м 3 /т за 1 ч выход стали снижается незначительно (до 1%). В мартеновском производстве Кислород находит все большее распространение. Так, если в 1965 году с применением Кислорода в мартеновских печах было выплавлено 52,1% стали, то в 1970 уже 71%.

Опыты по применению Кислорода в электросталеплавильных печах в СССР были начаты в 1946 на заводе "Электросталь". Внедрение кислородного дутья позволило увеличить производительность печей на 25-30%, снизить удельный расход электроэнергии на 20-30%, повысить качество стали, сократить расход электродов и некоторых дефицитных легирующих добавок. Особенно эффективной оказалась подача Кислорода в электропечи при производстве нержавеющих сталей с низким содержанием углерода, выплавка которых сильно затрудняется вследствие науглероживающего действия электродов. Доля электростали, получаемой в СССР с использованием Кислорода, непрерывно росла и в 1970 составила 74,6% от общего производства стали.

В ваграночной плавке обогащенное Кислородом дутье применяется главным образом для высокого перегрева чугуна, что необходимо при производстве высококачественного, в частности высоколегированного, литья (кремнистого, хромистого и т. д.). В зависимости от степени обогащения Кислородом ваграночного дутья на 30-50% снижается расход топлива, на 30-40% уменьшается содержание серы в металле, на 80-100% увеличивается производительность вагранки и существенно (до 1500°С) повышается температура выпускаемого из нее чугуна.

Кислород в цветной металлургии получил распространение несколько позже, чем в черной. Обогащенное Кислородом дутье используется при конвертировании штейнов, в процессах шлаковозгонки, вельцевания, агломерации и при отражательной плавке медных концентратов. В свинцовом, медном и никелевом производстве кислородное дутье интенсифицировало процессы шахтной плавки, позволило снизить расход кокса на 10-20%, увеличить проплав на 15-20% и сократить количество флюсов в отдельных случаях в 2-3 раза. Обогащение Кислородом воздушного дутья до 30% при обжиге цинковых сульфидных концентратов увеличило производительность процесса на 70% и уменьшило объем отходящих газов на 30%.

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: 16 О (99,754%), 17 О (0,0374%), 18 О (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.

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 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 , 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 — 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 18 О 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 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.

Кислород (О) стоит в 1 периоде, VI группе, в главной подгруппе. р-элемент. Электронная конфигурация 1s2 2s22p4 . Число электронов на внешнем уровне – 6. Кислород может принять 2 электрона и в редких случаях отдать. Валентность кислорода 2, степень окисления -2.

Физические свойства: кислород ( О2) – бесцветный газ, без запаха и вкуса; в воде малорастворим, немного тяжелее воздуха. При -183 °C и 101,325 Па кислород сжижается, приобретая голубоватый цвет. Строение молекулы: молекула кислорода двухатомна, в обычных условиях прочная, обладает магнитными свойствами. Связь в молекуле ковалентная неполярная. Кислород имеет аллотропную модификацию – озон (О3) – более сильный окислитель, чем кислород.

Химические свойства: до завершения энергетического уровня кислороду нужно 2 электрона, которые он принимает проявляя степень окисления -2, но в соединении со фтором кислород ОF2 -2 и О2F2 -1. Благодаря химической активности кислород взаимодействует почти со всеми простыми веществами. С металлами образует оксиды и пероксиды:

Кислород не реагирует только с платиной. При повышенных и высоких температурах реагирует со многими неметаллами:

Непосредственно кислород не взаимодействует с галогенами. Кислород реагирует со многими сложными веществами:

Кислороду характерны реакции горения:

В кислороде горят многие органические вещества:

При окислении кислородом уксусного альдегида получают уксусную кислоту:

Получение: в лаборатории: 1) электролизом водного раствора щелочи: при этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород; 2) разложением бертолетовой соли при нагревании: 2КСlО3?2КСl + 3О2?; 3) очень чистый кислород получают: 2КМnO4?К2МnO4 + МnО2 + О2?.

Нахождение в природе: кислород составляет 47,2 % массы земной коры. В свободном состоянии он содержится в атмосферном воздухе – 21 %. Входит в состав многих природных минералов, огромное его количество содержится в организмах растений и животных. Природный кислород состоит из 3 изотопов: О(16), О(17), О(18).

Применение: используется в химической, металлургической промышленности, в медицине.

24. Озон и его свойства

В твердом состоянии у кислорода зафиксировано три модификации: ?-, ?– и?– модификации. Озон ( О3) – одна из аллотропных модификаций кислорода. Строение молекулы: озон имеет нелинейное строение молекулы с углом между атомами 117°. Молекула озона обладает некоторой полярностью (несмотря на атомы одного рода, образующих молекулу озона), диамагнитна, так как не имеет неспаренных электронов.

Физические свойства: озон – синий газ, имеющий характерный запах; молекулярная масса = 48, температура плавления (твердого) = 192,7 °C, температура кипения = 111,9 °C. Жидкий и твердый озон взрывчат, токсичен, хорошо растворим в воде: при 0 °C в 100 объемах воды растворяется до 49 объемов озона.

Химические свойства: озон – сильный окислитель, он окисляет все металлы, в том числе золото – Au и платину – Pt (и металлы платиновой группы). Озон воздействует на блестящую серебряную пластинку, которая мгновенно покрывается черным пероксидом серебра – Аg2О2; бумага, смоченная скипидаром, воспламеняется, сернистые соединения металлов окисляются до солей серной кислоты; многие красящие вещества обесцвечиваются; разрушает органические вещества – при этом молекула озона отщепляет один атом кислорода, и озон превращается в обыкновенный кислород. Атакже большинство неметаллов, переводит низшие оксиды в высшие, а сульфиды их металлов – в их сульфаты:

Йодид калия озон окисляет до молекулярного йода:

Но с пероксидом водорода Н2О2 озон выступает в качестве восстановителя:

В химическом отношении молекулы озона неустойчивы – озон способен самопроизвольно распадаться на молекулярный кислород:

Получение: получают озон в озонаторах путем пропускания через кислород или воздух электрические искры. Образование озона из кислорода:

Озон может образовываться при окислении влажного фосфора, смолистых веществ. Определитель озона: чтобы опознать в воздухе наличие озона, необходимо в воздух погрузить бумажку, пропитанную раствором йодида калия и крахмальным клейстером – если бумажка приобрела синюю окраску, значит, в воздухе присутствует озон. Нахождение в природе: в атмосфере озон образуется во время электрических разрядов. Применение: будучи сильным окислителем озон уничтожает различного рода бактерии, поэтому широко применяется в целях очищения воды и дезинфекции воздуха, используется как белящее средство.

Бериллий, магний. Распространение в природе. Физические и химические свойства. Биологическая роль. Признаки дефицита, токсичность элемента. Применение соединений в медицине и фармации

Ве- элемент главной подгруппы второй группы, второго периода периодической системы, с атомным номером 4.

В природе: Разновидности берилла считаются драгоценными камнями: аквамарин - голубой, зеленовато-голубой, голубовато-зеленый; изумруд - густо-зеленый, ярко-зеленый; гелиодор - желтый; Содержание бериллия в морской воде чрезвычайно низкое - 6·10 −7 мг/л

Бериллий - относительно твердый, но хрупкий металл серебристо-белого цвета.На воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO.

Для бериллия характерна только одна степень окисления +2. Соответствующий гидроксид амфотерен, причем как основные, так и кислотные свойства выражены слабо.

Используется для изготовления окон к рентгеновским установкам, добавляется к сплавам для увеличения твердости и электропроводности.

Био роль: Ве снижает активность иммуноглобулина. Избыток приводит к заболеванию – пневмонии.

Мg- элемент главной подгруппы второй группы, третьего периода с атомным номером 12.

В природе: Это один из самых распространённых элементов земной коры Содержание составляет 1,87 %. Большие количества магния находятся в морской воде.

Физ свойства: Магний - металл серебристо-белого цвета с гексагональной решёткой, обладает металлическим блеском. При обычных условиях поверхность магния покрыта прочной защитной плёнкой оксида магния MgO.

Хим свойства: Раскаленный магний реагирует с водой:
Mg + Н 2 О = MgO + H 2
Щелочи на магний не действуют, в кислотах он растворяется легко с выделением водорода:
Mg + 2HCl = MgCl 2 + H 2
При нагревании на воздухе магний сгорает с образованием оксида и небольшого количества нитрида. При этом выделяется большое количество теплоты и световой энергии:
2Mg + О 2 = 2MgO
3Mg + N 2 = Mg 3 N 2
Магний может гореть даже в углекислом газе:
2Mg + CO 2 = 2MgO + C

Био роль: внутриклеточный ион, активирует ферменты, учувствует в гидролиз, активирует синтез белка, учувствуют в минерализации костей.

MgO – входит в состав стоматологический паст и зубных цементов.

Биологическая роль:

Водород как отдельный элемент не обладает биологической ценностью. Для организма важны соединения, в состав которых он входит, а именно вода, белки, жиры, углеводы, витамины, биологически активные вещества (за исключением минералов) и т.д. Наибольшую ценность, конечно, представляет соединение водорода с кислородом – вода, которая фактически является средой существования всех клеток организма. Другой группой важных соединений водорода являются кислоты – их способность высвобождать ион водорода делает возможным формирование рН среды. Немаловажной функцией водорода также является его способность образовывать водородные связи, которые, например, формируют в пространстве активные формы белков и двухцепочечную структуру ДНК.

Признаки дефицита:

· обезвоживание, чувство жажды,

· снижение тургора тканей,

· сухость кожи и слизистых оболочек,

· повышение концентрации крови,

· артериальная гипотензия.

Токсичность: Водород нетоксичен. Летальная доза для человека не определена.

Применение в мед и фарм: Соединения водорода используются в химической промышленности при получении метанола, аммиака и т.д.

В медицине один из изотопов водорода (дейтерий) в качестве метки используется при исследованиях фармакокинетики лекарственных препаратов. Другой изотоп (тритий) применяется в радиоизотопной диагностике, при изучении биохимических реакций метаболизма ферментов и др.

Перекись водорода H 2 O 2 является средством дезинфекции и стерилизации.

Биологическая роль:

• участвует во многих биохимических реакциях (регулирует активность ряда ферментов - аденилатциклазы, липаз, эстераз, лактатдегидрогеназ и др.)
• участвует в образовании костной ткани, а также формировании эмали и дентина зубной ткани, проявляя выраженный противокариесный эффект за счет подавления кислотообразующих бактерий в полости рта

Признаки дефицита:

• повышение риска развития кариеса зубов
• повышение риска развития остеопороза

Токсичность: Большинство фтороорганических соединений сильно ядовиты. Некоторые неорганические соединения фтора (напр., HF) также очень токсичны. Потенциально летальная доза NaF при пероральном поступлении составляет всего 5-10 г. Однако ряд насыщенных фтороуглеродных соединений абсолютно химически и биологически нейтральны.

Токсическая доза фтора для человека: 20 мг. Летальная доза для человека: 2 г.

Применение в мед и фарм:

Биологическая пасивность фтороуглеродных соединений в совокупности со свойствами хорошо растворять кислород и другие газы дает возможность использовать их в качестве искусственного кровезаменителя с газотранспортной функцией. На сегодняшний день существует ряд препаратов, используемых в качестве кровезаменителей и содержащих перфторуглеродные соединения.

На основе биологически нейтральных фторорганических соединений изготовляются искусственные сосуды и клапаны для сердца.

Самым радикальным и эффективным методом обеззараживания воды считается ее фторирование (до концентрации 1 мг/л). Фторирование воды приводит к снижению кариеса на 30-50 %, также при лечении кариеса применяются местные аппликации 1-2% раствором фторида натрия или фторида олова.

В медицине фторсодержащие препараты служат для лечения гипофтороза, выпускаются в виде таблеток, лечебных пленок, лаков для зубов, используются как наркотические средства и т.д.

Радиоактивные изотопы фтора применяются в медико-биологических исследованиях.

Биологическая роль:

• в связи с тем, что хлорид-ионы способны проникать через мембрану клеток, они вместе с ионами натрия и калия поддерживают осмотическое давление и регулируют водно-солевой обмен
• создают благоприятную среду в желудке для действия протеолитических ферментов желудочного сока
• благодаря наличию в мембранах клетоки митохондрий специальных хлорных каналов, хлорид ионы регулируют объем жидкости, трансэпителиальный транспорт ионов, создают и стабилизируют мембранный потенциал
• участвуют в создании и поддержании рН в клетках и биологических жидкостях организма

Признаки дефицита:

• слабость, сонливость, вялость, анорексия
• выпадение зубов и волос
• дерматиты
• алкалоз
• запоры

Токсичность: Хлор - токсичный удушливый газ, при попадании в лёгкие вызывает ожог лёгочной ткани, удушье. Раздражающее действие на дыхательные пути оказывает при концентрации в воздухе около 0,006 мг/л (т.е. в два раза выше порога восприятия запаха хлора).

Применение в мед. и фарм.:

Соединения хлора используются в приготовлении пищи (NaCl), для обеззараживания питьевой воды (хлорирование), дезинфекции, отбеливании тканей, в качестве реагента для многих химических процессов (HCl, HClO4), а также широко используются в химической и целлюлозно-бумажной промышленности при производстве органических растворителей и полимеров.

Хлор применяется для производства гербицидов, пестицидов и инсектицидов.

Хлор элемент входит в состав желудочного сока, препаратов для лечения ряда желудочно-кишечных заболеваний. В медицине широко используются бактерицидные свойства хлорсодержащих препаратов.

Биологическая роль:

• стимулирует рост и развитие организма
• регулирует рост и дифференцировку тканей
• повышает артериальное давление, а также частоту и силу сердечных сокращений
• регулирует (увеличивает) скорость протекания многих биохимических реакций
• регулирует обмен энергии, повышает температуру тела
• регулирует обмен витаминов
• повышает потребление тканями кислорода

Признаки дефицита:

• Увеличение щитовидной железы и формирование эндемического зоба.
• Нарушение выработки гормонов щитовидной железы.
• Снижение основного обмена, температуры тела.
• У детей – развитие кретинизма, отсталость в физическом и умственном развитии.

Токсичность: Токсическая доза для человека: 2-5 мг/сутки.

Летальная доза для человека: 35-350 мг.

Применение в мед. и фарм: Несмотря на активное применение йодированной соли в развитых странах, нехватка йода остается одним из наиболее распространенных минеральных дефицитов в мире. Согласно рекомендациям ВОЗ, в мире применяются 4 метода профилактики йододефицитных заболеваний: йодирование соли, хлеба, масла и прием обогащенных йодом биологически активных добавок к пище.

В медицинских целях йод используется в лекарственных препаратах, применяемых, в частности, при заболеваниях щитовидной железы.

Йод входит в состав "бытовой" настойки йода в спирте, раствора Люголя, ряда препаратов, таких как: Йокс, Йодид. Йод используют в гинекологической практике для профилактики и лечения инфекционных заболеваний как средство для местного применения.

Радиоактивный йод применяется для диагностики заболеваний щитовидной железы.

Некоторые препараты йода служат в качестве рентгеноконтрастных веществ при исследованиях сосудов и сердца, матки и фаллопиевых труб, печени и желчного пузыря.

59. Биологическая роль серы.

• придает необходимую для их функционирования пространственную организацию молекулам белков за счет образования дисульфидных мостиков
• является компонентом многих ферментов, гормонов (в частности в инсулина), и серосодержащих аминокислот
• является компонентом таких активных веществ, как гистамин, витамина биотин, витаминоида липоевой кислоты и др.
• сульфгидрильные группы образуют активные центры ряда ферментов
• обеспечивает передачу энергии в клетке: атом серы принимает на свободную орбиталь один из электронов кислорода
• участвует в переносе метильных групп
• входит в состав коэнзимов, включая коэнзим А

Роль тиоловой группы: Сульфгидрильные группы (тиоловые группы,) SH-группы органических соединений. С. г. обладают высокой и разнообразной реакционной способностью: легко окисляются с образованием дисульфидов, сульфеновых, сульфиновых или сульфокислот; легко вступают в реакции алкилирования, ацилирования, тиол-дисульфидного обмена, образуют меркаптиды (при реакции с ионами тяжёлых металлов), меркаптали, меркаптолы (при реакции с альдегидами и кетонами). С. г. играют важную роль в биохимических процессах. С. г. кофермента А (См. Кофермент А), липоевой кислоты (См. Липоевая кислота) и 4 1 -фосфопантетеина участвуют в ферментативных реакциях образования и переноса ацильных остатков, связанных с метаболизмом липидов и углеводов;

Признаки дефицита:

• патологии печени, суставов, кожи
• нарушения метаболизма серосодержащих соединений

Токсичность: Чистая сера нетоксична для человека. Данные о токсичности серы, содержащейся в пищевых продуктах, отсутствуют. Летальная доза для человека не определена.

Токсичны многие соединения серы. К числу наиболее опасных соединений серы относятся сероводород, оксид серы и сернистый ангидрид.

Применение в мед. и фарм.: Для медицинских целей люди издавна использовали дезинфицирующие свойства серы, которую применяли при лечении кожных болезней, а также бактерицидное действие сернистого газа, образующегося при горении серы.

При приеме внутрь элементарная сера действует как слабительное. Порошок очищенной серы используют в качестве противоглистного средства при энтеробиозе. Соединения серы в виде сульфаниламидных препаратов (бисептол, сульфацил-натрия, сульгин и др.) обладают противомикробной активностью.

Стерильный раствор 1-2% серы в персиковом масле применяют для пирогенной терапии при лечении сифилиса.

Сера и ее неорганические соединения применяются при хронических артропатиях, при заболеваниях сердечной мышцы (кардиосклероз), при многих хронических кожных и гинекологических заболеваниях, при профессиональных отравлениях тяжелыми металлами (ртуть, свинец) - Тиосульфат натрия.

Очищенную и осажденную серу применяют наружно в мазях и присыпках при кожных заболеваниях (себорея, сикоз); при лечении себореи волосистой части головы используют селена дисульфид. Тиосульфат натрия также применяется как наружное средство при лечении больных чесоткой и некоторыми грибковыми заболеваниями кожи.

60. Биологическая роль кислорода.

Кислород входит в состав молекул множества веществ - от самых простых до сложных полимеров; наличие в организме и взаимодействие этих веществ обеспечивает существование жизни. Являясь составной частью молекулы воды, кислород участвует практически во всех биохимических процессах протекающих в организме.

Кислород незаменим, при его недостатке эффективным средством может быть только восстановление нормального снабжения организма кислородом. Даже кратковременное (несколько минут) прекращение поступления кислорода в организм может вызвать тяжелые нарушения его функций и последующую смерть.

Главной функцией молекулярного кислорода в организме является окисление различных соединений. Вместе с водородом кислород образует воду, содержание которой в организме взрослого человека в среднем составляет около 55-65%.

Кислород входит в состав белков, нуклеиновых кислот и других жизненно-необходимых компонентов организма. Кислород необходим для дыхания, окисления жиров, белков, углеводов, аминокислот, а также для многих других биохимических процессов.

Аллотропия:

Физические свойства кислорода

Газ - без цвета, вкуса и запаха; в 100V H 2 O растворяется 3V O 2 (н.у.); t°кип= -183°С; t°пл = -219°C; D по воздуху = 1,1, т.е. тяжелее воздуха.

Способы получения

1. Промышленный способ (перегонка жидкого воздуха).

2. Лабораторный способ (разложение некоторых кислородосодержащих веществ)

2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 ­ (при нагревании)

2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 ­ (при нагревании, в присутствии катализатора MnO 2)

2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 ­ (в присутствии катализатора MnO 2)

Способы собирания

Химические свойства

Взаимодействие веществ с кислородом называется окислением .

С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород - окислитель.

С неметаллами

S + O 2 → SO 2

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

С металлами

2Mg + O 2 → 2MgO

2Cu + O 2 →2CuO (при нагревании)

Кислород О имеет атомный номер 8, расположен в главной подгруппе (подгруппе а) VI группе, во втором периоде. В атомах кислорода валентные электроны размещаются на 2-м энергетическом уровне, имеющем только s — и p -орбитали. Это исключает возможность перехода атомов О в возбуждённое состояние, поэтому кислород во всех соединениях проявляет постоянную валентность, равную II. Имея высокую электроотрицательность, атомы кислорода всегда в соединениях заряжены отрицательно (с.о. = -2 или -1). Исключение – фториды OF 2 и O 2 F 2 .

Для кислорода известны степени окисления -2, -1, +1, +2

Общая характеристика элемента

Кислород – самый распространенный элемент на Земле, на его долю приходится чуть меньше половины, 49 % от общей массы земной коры. Природный кислород состоит из 3 стабильных изотопов 16 О, 17 О и 18 О (преобладает 16 О). Кислород входит в состав атмосферы (20,9 % по объему, 23,2 по массе), в состав воды и более 1400 минералов: кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, мраморов, базальтов, гематита и других минералов и горных пород. Кислород составляет 50-85% массы тканей растений и животных, т.к содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы. Общеизвестна роль кислорода для дыхания, для процессов окисления.

Кислород сравнительно мало растворим в воде – 5 объемов в 100 объемах воды. Однако, если бы весь растворенный в воде кислород перешел в атмосферу, то он занял бы огромный объем – 10 млн км 3 (н.у). Это равно примерно 1% всего кислорода в атмосфере. Образование на земле кислородной атмосферы обусловлено процессами фотосинтеза.

Открыт шведом К. Шееле (1771 – 1772 г.г) и англичанином Дж. Пристли (1774г.). Первый использовал нагревание селитры, второй – оксида ртути (+2). Название дал А.Лавуазье («оксигениум» - «рождающий кислоты»).

В свободном виде существует в двух аллотропных модификациях – «обыкновенного» кислорода О 2 и озона О 3 .

Строение молекулы озона

3О 2 = 2О 3 – 285 кДж
Озон в стратосфере образует тонкий слой, который поглощает большую часть биологически вредного ультрафиолетового излучения.
При хранении озон самопроизвольно превращается в кислород. Химически кислород О 2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.

Физические свойства кислорода

O 2 – газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. –218,7 °С, т.кип. –182,96 °С, парамагнитен.

Жидкий O 2 голубого, твердый – синего цвета. O 2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).

Получение кислорода

1. Промышленный способ — перегонка жидкого воздуха и электролиз воды:

2Н 2 О → 2Н 2 + О 2

2. В лаборатории кислород получают:
1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na 2 SO 4 и др.)

2. Термическим разложением перманганата калия KMnO 4:
2KMnO 4 = K 2 MnO4 + MnO 2 + O 2 ,

Бертолетовой соли KClO 3:
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (катализатор MnO 2)

Оксида марганца (+4) MnO 2:
4MnO 2 = 2Mn 2 O 3 + O 2 (700 o C),

3MnO 2 = 2Mn 3 O 4 + O 2 (1000 o C),

Пероксид бария BaO 2:
2BaO 2 = 2BaO + O 2

3. Разложением пероксида водорода:
2H 2 O 2 = H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)

4. Разложение нитратов:
2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2

На космических кораблях и подводных лодках кислород получают из смеси K 2 O 2 и K 2 O 4:
2K 2 O 4 + 2H 2 O = 4KOH +3O 2
4KOH + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 2H 2 O

Суммарно:
2K 2 O 4 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3О 2

Когда используют K 2 O 2 , то суммарная реакция выглядит так:
2K 2 O 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + O 2

Если смешать K 2 O 2 и K 2 O 4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного СО 2 выделится один моль О 2.

Химические свойства кислорода

Кислород поддерживает горение. Горение — б ыстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света. Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители – это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.

Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s 2 2p 4 находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.

Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет отрицательную степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду – фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором – единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.

Итак, кислород – второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств.
С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.

Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:

4Li + O 2 → 2Li 2 O,

2K + O 2 → K 2 O 2 ,

2Ca + O 2 → 2CaO,

2Na + O 2 → Na 2 O 2 ,

2K + 2O 2 → K 2 O 4

Мелкий порошок железа (так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe 2 O 3 , а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:

3 Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

2Mg + O 2 → 2MgO

2Cu + O 2 → 2CuO

С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:

S + O 2 → SO 2 ,

C + O 2 → CO 2 ,

2H 2 + O 2 → H 2 O,

4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 ,

Si + O 2 → SiO 2 , и т.д

Почти все реакции с участием кислорода O 2 экзотермичны, за редким исключением, например:

N 2 + O 2 → 2NO – Q

Эта реакция протекает при температуре выше 1200 o C или в электрическом разряде.

Кислород способен окислить сложные вещества, например:

2H 2 S + 3O 2 → 2SO 2 + 2H 2 O (избыток кислорода),

2H 2 S + O 2 → 2S + 2H 2 O (недостаток кислорода),

4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O (без катализатора),

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (в присутствии катализатора Pt),

CH 4 (метан) + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O,

4FeS 2 (пирит) + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 .

Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O 2 + , например, O 2 + — (успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).

Озон

Озон химически более активен, чем кислород O 2 . Так, озон окисляет иодид - ионы I — в растворе Kl:

O 3 + 2Kl + H 2 O = I 2 + O 2 + 2KOH

Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.

Применение кислорода O 2: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.

Применение озона О 3: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.