Кислород

Химический элемент кислород имеет символ O, атомный номер 8 и атомную массу 14. При стандартных давлении и температуре, два атома кислорода связываются с образованием газа кислорода O₂.

Молекула газообразного кислорода состоит из двух атомов, связанных двойной химической связью, и имеет химическую формулу O₂. Газ кислород - это бесцветный, безвкусный газ без запаха. При наблюдении слоя кислорода большой толщины, он кажется светло-голубым. При 0°C и абсолютном давлении 1 бар (101325 Па) кислород O2 имеет плотность 1,429 кг/м³. Температура плавления кислорода составляет -218,79°C, температура кипения -182,95°C. Как твердый, так и жидкий кислород - это полупрозрачные субстанции светло-голубого цвета.

В сравнении с молекулой азота, молекула кислорода имеет размер:
- N₂ 3,16Å и O₂ 2,96Å - из данных по вязкости
- N₂ 3,14Å и O₂ 2,90Å - из данных по силам Ван-дер-Ваальса

Кислород - это высокоактивный химически неметалл, легко образующий химические соединения, в частности, оксиды, со многими другими веществами. В земной коре кислород (в химически связанном с другими элементами виде) является самым распространенным элементом, составляя более половины ее массы. Газообразный кислород содержится в земной атмосфере, составляя примерно 20,8% ее объема; уровень кислорода в атмосфере поддерживается на этом уровне благодаря фотосинтезу растений, водорослей, фитопланктона и других организмов.

Баллоны с газами, в т.ч. кислородом. Нажмите для увеличения.

В воде, кислород содержится не только как химический элемент в составе молекулы воды H₂O, но и газообразной форме в растворенном виде. Кислород имеет довольно высокую, например, по сравнению с азотом, растворимость в воде: например, при 0°C максимальная концентрация кислорода в воде может достигать 14,6 мг/л, а при более высокой температуре +20°C концентрация доходит до 7,6 мг/л (для справки: в пресной воде рыба лучше всего себя чувствует при 5 мг/л кислорода). Так как кислород, как и другие газы, лучше растворим в холодной, чем в теплой воде, то океанские воды северных и южных широт имеют более высокую среднюю плотность живых организмов на единицу объема, чем экваториальные воды.

В промышленности, кислород производится фракционной дистилляцией сжиженного воздуха, концентрацией из сжатого воздуха методом адсорбции молекул азота специальным цеолитом, а также электролитическим разложением воды на кислород и водород. Ежегодно, промышленно из воздуха извлекается около 100 миллионов тонн кислорода; электролиз воды дает на порядки меньшее количество кислорода. Для транспортировки, кислород в газообразном виде упаковывается в баллоны, обычно под давлением 200 бар; более экономичным способом является перевозка кислорода в сжиженной форме (1 литр сжиженного кислорода, вапоризуясь, дает 840 литров газа).

Порядка 55% промышленно производимого кислорода потребляется металлургической промышленностью, для переплавки железной руды в сталь: кислород подается в расплавленное железо и вступает в реакцию с содержащимися в нем примесями серы и углерода, связывая их в оксиды, соответственно, серы SO₂ и углерода CO₂, с дополнительным выделением тепла, т.к. эти реакции являются экзотермическими.

Еще 25% промышленного кислорода используется химической промышленностью для конвертации этилена C₂H₄ в этиленоксид C₂H₄O, который затем, в свою очередь, путем реакции с водой конвертируется в этиленгликоль C₂H₆O₂. Этиленгликоль является сырьем для изготовления многих веществ, в том числе антифризов и полиэфирных полимеров, из которых затем производятся многие пластики и синтетический текстиль.

Оставшиеся 20% кислорода распределены между сваркой и резкой металлов, медицинскими применениями, обработкой сточных вод и искусственным разведением рыбы, изготовлением ракетного топлива и другими применениями.

В природе, основным источником кислорода является фотосинтез, осуществляемый растениями, зелеными водорослями и цианобактериями - при этом, на долю водорослей и цианобактерий приходится около 70% всего вырабатываемого фотосинтезом кислорода. В процессе фотосинтеза, вода теряет кислород, остаток ее молекулы соединяется с углесиклым газом, с образованием глюкозы и кислорода. Энергия для процесса берется из солнечного излучения:
6CO₂ + 6H₂O + фотоны → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Другая аллотропная форма, образуемая атомами кислорода, это трехатомный газ озон O₃ - еще более высокоактивный химически окислитель, но, при этом, нестабильный и самопроизвольно разлагающийся на двухатомный кислород.