Кислород

Кислород О₂ (латинское название Oxygenium), химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 8, атомная масса 15,9994. При нормальных условиях кислород – газ без цвета, запаха и вкуса. Трудно назвать другой элемент, который играл бы на нашей планете такую важную роль, как кислород.

Распространение в природе. Кислород – самый распространённый 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. Земная кора до глубины 10-15 км почти на 50 % ее веса состоит из кислорода. Песок содержит 53 % кислорода, в глине его - 56%, в человеческом организме - 65 %

Кислород стоит на первом месте и по числу образуемых им минералов (1364); среди минералов, содержащих кислород, преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и др.), кварц, окислы 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 кислорода в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счёт биологического окисления различных веществ с помощью кислорода.

Кислород имеет три устойчивых изотопа: ¹⁶О, ¹⁷O и ¹⁸O, 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 лёгкого из них ¹⁶O связано с тем, что ядро атома ¹⁶O состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории атомного ядра, обладают особой устойчивостью.

В обычных условиях молекула кислорода двухатомна (O₂); в электрическом разряде образуется также трёхатомная молекула O₃ – озон; при высоких давлениях обнаружены в небольших количествах молекулы O₄.

В жизни человека и животных озон играет важную роль, о которой многие и не подозревают. Озон спасает... от слепоты! А она неизбежно бы поражала животные организмы вскоре после рождения, если бы в атмосфере отсутствовал озон, общее содержание которого соответствует слою газа вокруг земного шара толщиною всего лишь... в три миллиметра.

Дело в том, что из общей массы лучей, посылаемых Солнцем на Землю, озон поглощает главным образом ультрафиолетовые, которые чрезвычайно вредны для сетчатой оболочки глаза. В обычных условиях оставшиеся ультрафиолетовые лучи поглощаются целиком хрусталиком, однако помощь хрусталика стала бы недостаточной, если бы количество ультрафиолетовых лучей увеличилось. Это было бы неизбежным при уменьшении содержания озона в воздухе, не говоря уже об его исчезновении.

Однако и увеличение количества озона грозит опасностью не менее страшной, чем первая. Ультрафиолетовые лучи, необходимые для образования витамина Д, важнейшего из витаминов при формировании организма, целиком поглощаясь озоном, не достигали бы Земли, и образования витамина не происходило бы. Отсутствие этого витамина привело бы к вымиранию животных и человека.

Так в озоне выявляется ярчайший пример единства противоположностей, переход количества в качество, зависимость от условий проявления, когда в одной причине одновременно сосредоточены неизмеримая польза и огромнейший вред.

Физические свойства. Кислород – бесцветный газ, сгущающийся при –182,9 °C и нормальном давлении в подвижную, прозрачную голубоватую жидкость, притягивающуюся магнитом, тяжелее воды (плотность 1,124). При комнатной температуре она легко испаряется. Жидкий кислород при –218,7 °C затвердевает, образуя синие кристаллы. Плотность газообразного кислорода (при 0 °C и нормальном давлении) 1,42897 г/л. По отношению к воздуху – 1,11.

Критическая температура кислорода довольно низка t_крит = –118,84 °C, т. е. ниже, чем у Cl₂, CO₂, SO₂ и некоторых других газов; p_крит = 49,71 кгс/см². Диэлектрическая проницаемость газообразного кислорода 1,000547 (0 °C), жидкого 1,491. Вязкость
189 мпуаз (0 °C).

Кислород мало растворим в воде: при 20 °C и 1 кгс/см² в 1 м³ воды растворяется 0,031 м³, а при 0 °C – 0,049 м³ кислорода.

Один литр жидкого кислорода весит 1,14 кг. Испаряясь при атмосферном давлении и температуре +20 °C, 1 л жидкого кислорода дает 860 л газообразного кислорода.

Химические свойства. Кислород образует химические соединения со всеми элементами, кроме лёгких 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 кислородом с другими веществами – реакции окисления экзотермичны, т. е. сопровождаются выделением энергии. С водородом при обычных температурах кислород реагирует крайне медленно, выше 550 °C эта реакция идёт с взрывом: 2Н₂+O₂=2H₂O. 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 N₂ эндотермична и становится заметной лишь выше 1200 °C или в электрическом разряде: N₂+O₂=2NO. Кислород активно окисляет почти все металлы, особенно легко – щелочные и щёлочноземельные. 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 лишённым 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.

Окиси некоторых металлов, присоединяя кислород, образуют перекисные соединения, содержащие 2 или более связанных между собой атомов кислорода. Так, перекиси Na₂O₂ и ВаО₂ включают перекисный ион O₂^2–, надперекиси NaO₂ и KO₂ – ион O₂^–, а озониды NaO₃, KO₃, RbO₃ и CsO₃ – ион O₃^–. Кислород экзотермически взаимодействует со многими сложными веществами. Так, аммиак горит в кислороде в отсутствии катализаторов, реакция идёт по уравнению: 4NH₃+3O₂=2N₂+6Н₂О. Окисление аммиака кислородом в присутствии катализатора даёт 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 СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О. Взаимодействие углеводородов с кислородом лежит в основе многих важнейших производственных процессов – такова, например, так называемая конверсия метана, проводимая для получения водорода: 2СН₄+О₂+2Н₂О= 2СО₂+6Н₂. Многие органические соединения (углеводороды с двойной или тройной связью, альдегиды, фенолы, а также скипидар, высыхающие масла и др.) энергично присоединяют кислород.

Животные и растения получают необходимую для жизни энергию за счет биологического окисления различных веществ кислородом, поступающим в организм при дыхании. Окисление в живых организмах, как правило, проходит с выделением энергии.

Кислород не горит, но поддерживает горение различных веществ. При повышении температуры скорость окисления сильно возрастает и может начаться горение. Способность кислорода поддерживать и усиливать горение проявляется уже в воздухе, содержащем всего 20 % кислорода по объему, в то время как остальные 80 % объема составляют газы, не поддерживающие горение. Если вместо воздуха применять чистый кислород, то реакции окисления или горения протекают значительно интенсивнее, и температура пламени повышается.

Животные и минеральные масла, соприкасаясь с кислородом, находящимся под давлением более 30 кгс/см², мгновенно окисляются с выделением тепла. Это тепло способствует воспламенению масла или жира. Кислород усиливает процесс горения, что при определенных условиях может привести к взрыву. Кислород интенсивно поглощается пористыми веществами (древесный уголь, сажа, торф, вата, платиновая чернь, ткань одежды и др.). Для воспламенения их в присутствии кислорода достаточно небольшой искры. В замкнутом пространстве воспламенение пористых веществ, пропитанных жидким кислородом, сопровождается взрывом большой разрушительной силы. Водород с кислородом при комнатной температуре практически не реагирует, а при температуре 700-800 °C смесь этих газов взрывается. С горючими газами (водородом, метаном, ацетиленом, аммиаком и др.) кислород образует сильно взрывчатые смеси.

Получение. Существуют три основных способа получения кислорода: химический, электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).

Химический способ изобретён ранее других. Кислород можно получать, например, из бертолетовой соли KClO₃, которая при нагревании разлагается, выделяя O₂ в количестве 0,27 м³ на 1 кг соли. Окись бария BaO при нагревании до 540 °C сначала поглощает кислород из воздуха, образуя перекись BaO₂, а при последующем нагревании до 870 °C BaO₂ разлагается, выделяя чистый кислород. Его можно получать также из KMnO₄, Ca₂PbO₄, K₂Cr₂O₇ 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.

Разложение перекиси водорода, сопровождающееся образованием воды и кислорода, идет с огромным выделением тепла. Этого тепла достаточно для того, чтобы образующаяся при разложении перекиси вода превратилась в пар, нагретый до 750 °C.

Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения её электропроводности добавлен раствор едкого натра NaOH. При этом вода разлагается на кислород и водород. Кислород собирается около положительного электрода электролизёра, а водород – около отрицательного. Этим способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2 м³ водорода и 1 м³ кислорода затрачивается 12–15 кВт´ч электроэнергии.

Разделение воздуха является основным методом получения кислорода в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а затем уже разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называют 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 K (–180 °C) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород нужной чистоты (концентрации). Выпускается много видов воздухоразделительных кислородных установок: от маленьких (на несколько л/ч) до очень крупных (на 35000 м³/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/м³.

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 решётка которых способна пропускать молекулы одних компонентов и задерживать другие. Этот способ получения кислорода пока используется только в лабораториях.

Согласно ГОСТ 5583-78 газообразный технический кислород выпускается трех сортов. Влага, содержащаяся в газе и сконденсированная в баллоне, вызывает сильную коррозию металла баллона. Кроме того, наличие влаги способствует замерзанию редукторов и запорных вентилей, а также образованию зарядов статического электричества.

Применение. Технический кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации, металлургии и др., а также в авиации, на подводных судах и пр. Технологический кислород применяют в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, перекисей металлов и др. 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 подводном плавании и др.

Широкое применение находит кислород в медицине при лечении тяжелых заболеваний легких, сердца, почек, а также при некоторых отравлениях, в частности газами (окисью углерода, боевыми отравляющими веществами).

Следует заметить, что один вдох кислорода равноценен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании кислорода этот газ не только поступает в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает его силы для самого процесса дыхания.

Перевозка. Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) и ресиверах при давлении 150 кгс/см² и 420 кгс/см² (соответственно), 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 чёрную надпись «Кислород».

Баллоны транспортируют всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки опасных грузов, действующими на данном виде транспорта.

Технические требования по ГОСТ
Кислород газообразный технический сорт 1 ГОСТ 5583-78 с изм. 1, 2, 3, 4	Объемная доля кислорода не менее 99,7 % Объемная доля водяных паров не более 0,007 % Объемная доля водорода не более 0,3 %
Кислород жидкий технический ГОСТ 6331-78	Объемная доля кислорода не менее 99,7 %

Метан

Метан, болотный, или рудничный газ, CH₄, первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов; бесцветный газ без запаха (или со слабым запахом чеснока); t_кип –164,5 °C; t_пл –182,5 °C. Плотность 0,716 кг/м³ при 0 °C и 760 мм рт. ст. (по отношению к воздуху 0,554 при 20 °C).

Метан горит спокойно голубоватым, слабо светящимся пламенем при содержании до 5-6 % или выше 14-16 %. В первом случае горение газа прекращается с удалением источника воспламенения, а во втором горение не прекращается даже после удаления источника воспламенения. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Теплота сгорания 50,08 МДж/кг (11954 ккал/кг).

Метан – основной компонент природных (77–99 % по объёму), попутных нефтяных (31–90 %) и рудничного газов (34–40 %); встречается в вулканических газах; непрерывно образуется при гниении органического веществ под действием метанобразующих бактерий в условиях ограниченного доступа воздуха (болотный газ, газы полей орошения). Главным образом из метана состоит атмосфера Сатурна и Юпитера. Метан образуется при термической переработке нефти и нефтепродуктов (10–57 % по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24–34 %). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия.

Метан химически инертен. С кислородом в обычных условиях не реагирует. Ни щелочи, ни кислоты на метан не действуют. Взаимодействие метана с хлором протекает только на прямом солнечном свету или при нагревании.

С воздухом метан образует взрывоопасные смеси. Пределы взрываемости в воздухе 4,9–15,4 %. Взрывное горение распространяется со скоростью 500–700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме 10 кгс/см². Наибольшая сильная взрывчатая смесь состоит из одного объема метана и двух объемов кислорода или 9,6 объемов воздуха. Температура воспламенения метана находится в пределах от 645 до
850 °C. Горение сопровождается очень большим выделением тепла.

Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43 % соответствует 12 % O₂).

После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования.

Метан – наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод. При неполном сгорании метана получают сажу, при каталитическом окислении – формальдегид, при взаимодействии с серой – сероуглерод. Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана – важные промышленные методы получения ацетилена. Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты. Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т.н. синтез-газа или искусственный газ): CH₄ + H₂O = CO + 3H₂, применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др. Важное производное метана – нитрометан.

Метан хранится в баллонах при давлении до 150 кгс/см².

Жидкий неон начинают применять для получения низких температур.