Кисень (від лат. Oxygenium) - хімічний елемент у Періодичній системі елементів, який має позначку О і протонне число 8. Кисень - основний компонент повітря, яким ми всі дихаємо. Джерелом кисню для атмосфери є процеси фотосинтезу. Дві третини кисню виробляють наземні рослини (тропічні ліси є значним джерелом), а решта третини - морськими рослинами (переважно морськими водоростями). Молекулярний кисень O2 вперше з’явився на Землі у більших кількостях під час палеопротерозою (2500 - 1600 млн років тому) в результаті метаболізму анаеробних організмів. Слово кисень походить від двох слів з грецької: οξυς (oxys) (кислота, різка) та γεινομαι (geinomai) (нерест).
Характеристики:
При стандартній температурі та тиску кисень виникає як двовалентна молекула O2, в якій два атоми кисню з’єднані між собою. Атом кисню має шість електронів у зовнішньому шарі, тому він знаходиться у групі VI.A та у 2-му періоді таблиці Менделєєва. Кисень - безбарвний газ. У рідкому і твердому стані він має світло-блакитний колір. Він мало розчинний у воді. Цей факт має велике значення для життя водних організмів, оскільки дозволяє їм дихати. Кисень - дуже реактивний елемент. Реакції синтезу кисню найчастіше екзотермічні.
Основна властивість кисню полягає в тому, що він діє як сильний окислювач. За винятком галогенів, рідкісних газів та деяких благородних металів, кисень безпосередньо поєднується з усіма елементами. Зазвичай для початку згаданих реакцій потрібна більш висока температура, але тоді вже виділеної теплоти реакції достатньо, щоб вони протікали спонтанно. Якщо екзотермічні реакції речовин з киснем супроводжуються розвитком світла, їх називають горінням. Щоб речовина загорілася, її потрібно нагріти до температури займання, яка змінюється в залежності від речовини. Піддаючись теплу, випаровується речовина реагує з киснем, виділяючи таку велику теплоту реакції, що тверді компоненти газів, що згоряють, нагріваються і запалюються. Потім додаткові кількості речовини випаровуються променевим теплом, спалюються тощо, поки речовина не згорить.
Кисень як діоксиген (двовалентна молекула O2) найпоширеніший на Землі.
- в атмосфері кисневий газ становить 21 об.%. Океанська вода, яка займає 2/3 земної поверхні, складається з 86% ваги кисню.
- в земній корі Кисень є основним елементом, він присутній майже у всіх гірських породах. Його вміст оцінюється в 46 - 50% за вагою. У глибоких шарах земного тіла вміст кисню зменшується, і передбачається, що він присутній у земному ядрі лише в слідах.
-
в просторі вміст кисню значно нижчий. На 1000 атомів водню припадає лише один атом кисню.
На додаток до звичайних двоатомних молекул O2, кисень також зустрічається у вигляді триатомної молекули, такої як озон O3. У звичайних умовах це високореактивний газ блакитного кольору та характерного запаху з надзвичайно сильним окислювальним ефектом. При -112 ° C він конденсується до рідкого темно-синього озону, а при -193 ° C утворюється червоно-фіолетовий твердий озон. Отримати озон порівняно легко за допомогою тихого електричного розряду в атмосфері чистого кисню. Це створює суміш кисню та озону, де вміст О3 зазвичай досягає 10%. Чистий озон можна отримати шляхом фракційної перегонки цієї газової суміші.
У медицині його використовують для стерилізації інструментів. Ефекти відносно популярної сьогодні озонотерапії, яка, на думку її прихильників, повинна призвести до регенерації клітин і тканин, є дещо спірною. Противники цього методу вказують на можливі ризики подібних процедур омолодження через високу реакційну здатність та токсичність озону.
Бактерицидна дія озону використовується для дезінфекції питної води замість раніше часто використовуваного дезінфікуючого засобу з газом хлору або гіпохлоритом.
Сильний окислювальний ефект озону дуже часто використовується у паперовій промисловості для відбілювання целюлози для виробництва паперу.
- Кисень необхідний для дихання, тому він також знайшов застосування в медицині для операцій та травматичних станів для підтримки дихання пацієнта. Суміші кисню з інертними газами дайвери використовують для полегшення кесонної хвороби при зануренні на велику глибину. Висотні альпіністи при необхідності також вдаються до дихання чистим киснем, а пілоти-винищувачі оснащені сумішшю стиснених газів, основним компонентом яких є кисень.
- Спалюючи суміш кисню та водню, можна досягти температури понад 3000 ° С. Тому киснево-водневе полум'я використовується для різання сталі та розплавлення металів з високою температурою плавлення, наприклад платинові метали.
- Основною вимогою у виробництві сталі є видалення вуглецю із заліза. Так звані Метод виробництва Бессемера заснований на впорскуванні чистого кисню в розплавлене залізо в конвертері. При високих температурах розплаву присутній графітовий вуглець окислюється до газоподібних оксидів, які витікають із розплаву.
- Незважаючи на ризик, рідкий кисень все ще часто служить паливом ракетних двигунів для запусків космічних кораблів.
Підготовка кисню (для інтересів)
Інструменти:
фракційна колба, лійка-роздільник, підставка, тримач із затискачем, скляний піддон, конічні банки, металева чаша з піском, ложка згоряння, плоскогубці, захисний щит.
Хімікати:
перекис водню H2O2 (w = 15%), насичений розчин перманганату калію KMnO4, сірчана кислота (w = 10%), магнієва стрічка або порошок магнію, алюмінієва фольга або алюмінієвий порошок, червоний фосфор або сірчаний порошок, деревне вугілля.
Підхід:
а) З фракційної колби та ділильної лійки зберіть пристрій для вироблення газу (див. малюнок). Додайте в колбу приблизно 100 см 3 насиченого розчину KMnO4 і додайте 5 см 3 розчину сірчаної кислоти. Перекис водню додають по краплях із ділильної лійки. Витікаючий газ збирається під водою в конічних колбах. Закрийте заповнені газом колби пробкою і використовуйте для наступних експериментів.
б) Для експерименту ми будемо використовувати наповнені киснем колби, які з міркувань безпеки розмістимо на піску в металевих мисках. Поступово вставляйте в окремі колби плоскогубці із запаленою магнієвою стрічкою (або палаючою ложкою з палаючим порошком магнію), палаючою алюмінієвою фольгою, палаючою ложкою з палаючим фосфором або сіркою або вугіллям.
В результаті реакції металів і неметалів з киснем утворюються відповідні оксиди. Деякі реакції супроводжуються розвитком тепла і світла. Тому ми працюємо із захисним екраном. Після охолодження до колб додають близько 20 см 3 води, струшують і визначають кислотно-лужну реакцію окремих розчинів.
Перманганат калію є сильним окислювачем, який відновлюється до іонів марганцю в кислому середовищі розчину перекису водню. Кисень, зв’язаний у перекисі водню, окислюється до елементарного кисню.
Кисень при більш високих температурах реагує з металами та неметалами, утворюючи оксиди.
а) Ми реєструємо триваючу хімічну реакцію за хімічним рівнянням:
б) Реакції елементів з киснем виражаються хімічними рівняннями: