Кислород

Кислород — это один из самых удивительных химических элементов. Он постоянно поддерживает жизнь в триллионах существ, но в определенных условиях становится смертельно опасным токсином. Он заставляет другие вещества гореть и является основой для работы масштабных индустрий, без которых уже невозможно представить жизнь современного общества. В этой статье мы отправимся в путешествие по истории науки и всей нашей планеты, разберем главные свойства кислорода, определим его значение для жизни и расскажем, какое применение этот элемент находит в самых разных сферах деятельности.

Что такое кислород

В общих чертах понять, что представляет собой кислород, можно, взглянув на его «досье». В Периодической системе химических элементов Дмитрия Менделеева он занимает клеточку под номером восемь и обозначается латинской буквой O. Буквенное обозначение кислорода — это производное от латинского слова «oxygenium», что в переводе означает «рождающий кислоту». Восьмой порядковый номер также был выбран неслучайно, он раскрывает нам строение атома кислорода:

внутри его ядра плотно «упакованы» восемь положительно заряженных протонов; у самого распространенного изотопа, то есть разновидности кислорода в ядре также находится восемь нейтронов, не несущих заряда; вокруг этого ядра в стабильной конфигурации атома обращаются восемь отрицательно заряженных электронов.

Особенный интерес представляет распределение электронов по энергетическим уровням, или электронным оболочкам. Два электрона занимают внутренний уровень, а остальные шесть — внешний. До устойчивого состояния атому кислорода не хватает еще двух таких частиц на внешней оболочке, и он активно «ищет» их, образуя связи, например, с другими атомами кислорода. Когда два атома делятся своими электронами, возникает прочная двойная ковалентная связь и формируется молекула кислорода O2 — газа, которым мы дышим.

История открытия кислорода

Много веков человечество не имело представления о том, что воздух может состоять из отдельных газов. Например, древнегреческий философ Аристотель, живший в IV веке до н. э., определял воздух как единую и неделимую стихию, одну из четырех основ мироздания наряду с водой, огнем и землей. Эта идея казалась настолько очевидной и бесспорной, что оставалась в науке общепринятой более 2 000 лет.

Но пытливый ум неизбежно вел человека дальше. Знаменитый швейцарский алхимик и врач XVI века Парацельс задался вопросом, почему одни вещества горят, а другие нет. В попытках переосмыслить и дополнить концепцию о четырех стихиях он разработал свою теорию о трех алхимических началах. В рамках этого учения вводились некие «первоосновы», которые не были привычными нам химическими веществами, а скорее олицетворяли «духовные принципы», скрытые свойства любой материи. Коротко обозначим суть идеи Парацельса.

Сера — начало горючести. Если в веществе содержится много серы, как в дереве или масле, оно способно гореть. Ртуть — начало летучести. Ртуть отвечала за испарение, текучесть, выделение дыма и газов при нагревании вещества. Соль — начало твердости. Соль связывала элементы воедино, делала их плотными и придавала сопротивление огню.

О существовании кислорода Парацельс не знал и, как и Аристотель, считал воздух единой стихией. Теория Парацельса продержалась не так уж долго, и на рубеже XVII – XVIII веков уступила место новому концепту.

Немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь еще на шаг приблизили открытие кислорода, последовательно разработав теорию флогистона. Флогистон в их понимании был огненным первоэлементом, невесомой материей. Процессы горения и окисления ученые объясняли как процесс распада, в ходе которого флогистон покидает вещество. Хотя Бехер и Шталь и ошибались, но все же их идеи внесли свой значительный вклад в развитие науки. Именно эти ученые первыми установили единство природы горения и ржавления, заложив основу для будущих описаний круговорота веществ и химической энергии.

Непосредственное открытие кислорода состоялось в конце XVIII века. Примечательно, что в рамках всего одного десятилетия два великих ученых независимо друг от друга выделили неизвестный ранее газ, а третий — подробно объяснил суть открытия.

Карл Вильгельм Шееле: фактический первооткрыватель кислорода

Шведский подданный Карл Вильгельм Шееле долгое время был простым фармацевтом, но после работы почти все свободное время посвящал экспериментам в лаборатории. Он не имел высшего образования, но благодаря склонности к саморазвитию, упорному труду и феноменальной интуиции смог достичь небывалых высот и впоследствии был избран членом Шведской королевской академии наук.

В 1771 – 1772 годах Шееле проводил серию экспериментов с сильным нагреванием различных веществ, в частности, диоксида марганца (MnO2) и калийной селитры (KNO3). В этих, равно как и некоторых других случаях ему удавалось собрать в колбы бесцветный газ. Помещая туда зажженные свечи, он видел, как они вспыхивали ослепительно ярким пламенем. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом», совершив одно из самых значимых открытий в истории химии. Увы, свои лабораторные данные он опубликовал только в 1777 году, уступив научный приоритет другому естествоиспытателю.

Джозеф Пристли: официальный первооткрыватель кислорода

Джозеф Пристли — английский священник и общественный деятель, который со временем увлекся естественными науками, в том числе химией. Значительное влияние на его научную карьеру оказало знакомство с Бенджамином Франклином, который заразил Пристли страстью к проведению опытов и оказывал всяческую поддержку на этом пути. Как известно, этот выдающийся американский политик был также блестящим изобретателем и экспериментатором. К слову, именно он первым подробно исследовал и нанес на карту теплое океаническое течение Гольфстрим, чем помог оптимизировать маршруты трансатлантических рейсов.

В 1774 году Пристли занимался исследованиями газов, которые выделяют вещества под воздействием тепла. С помощью большой линзы он фокусировал солнечные лучи на испытуемых образцах. Проведя эксперимент с порошком оксида ртути (HgO), он, как и Шееле, собрал бесцветный газ. Пристли повторил и опыт со свечой, но поместил в емкость тлеющий фитиль, который сразу же загорелся.

Далее англичанин решил посмотреть, сможет ли жить в банке с газом лабораторная мышь. К его удивлению, она не просто выжила, но и начала вести себя более активно, чем на обычном воздухе. Тогда Пристли и сам попробовал подышать полученным веществом, ощутив, по его собственным словам, «истинное наслаждение». Будучи сторонником теории флогистона, Пристли решил, что открыл очищенный от этого горючего вещества воздух, который назвал «дефлогистированным». При этом он не стал тянуть с публикацией своего открытия и представил его общественности в том же 1774 году, официально закрепив за собой научный приоритет.

Антуан Лавуазье: тот, кто все объяснил

Антуан Лавуазье — французский естествоиспытатель, которого часто называют основателем всей современной химии. Благодаря его трудам эта наука из набора разрозненных рецептов превратилась в точную дисциплину с формулами. Строжайшая точность была настоящим кредо Лавуазье: он взвешивал все исходные вещества и продукты реакций с точностью до миллиграмма. Именно эта щепетильность позволила ему аргументированно сформулировать закон сохранения массы — доказать, что вещество в ходе преобразований никуда не исчезает.

В 1774 году Джозеф Пристли приехал в Париж и рассказал Антуану Лавуазье о своем «дефлогистированном воздухе». Французский химик заинтересовался и провел свою версию эксперимента. В течение 12 дней он нагревал ртуть (Hg) в замкнутой емкости. В результате на поверхности ртути образовался красный порошок оксида. При этом объем воздуха в колбе уменьшился на пятую часть и больше не мог поддерживать реакцию. Затем Лавуазье взял порошок и нагрел его при более высокой температуре, выделив ровно тот же объем газа, который ранее исчез из воздуха.

Таким образом Лавуазье доказал, что воздух является смесью газов, а не единой стихией, как считалось в прошлом. Одновременно с этим он опроверг теорию флогистона, детально описав процесс горения как химическую реакцию вещества с газом, возможную при определенной температуре. Выделенный газ он назвал кислородом, так как считал его обязательным компонентом всех кислот. Будущие исследования показали ошибочность этого убеждения, однако название химического элемента не стали пересматривать в знак признания колоссальных заслуг Антуана Лавуазье.

Физические и химические свойства кислорода

Молекулярный кислород, также известный как дикислород, представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса. Он плотнее воздуха примерно на 10,5%, и, если бы наша атмосфера не циркулировала, весь кислород скапливался бы вблизи поверхности Земли. Интересно, что кислород крайне плохо растворяется в воде — в 1 литре может раствориться всего около 9 мг газа. Для сравнения: в том же объеме воды растворяется более 1 500 мг углекислого газа (CO2). Но даже при столь слабой растворимости кислород насыщает океаны достаточно, чтобы поддерживать жизнь в подводном мире.

При охлаждении ниже -183 °C кислород конденсируется в бледно-голубую жидкость. В жидком агрегатном состоянии он проявляет свои сильные парамагнетические свойства. Если взять мощный дуговой магнит и начать лить кислород внутрь его дуги, между полюсами образуется парящий голубой «мостик». При дальнейшем охлаждении — до -218 °C — кислород замерзает и образует синие кристаллы. В разных внешних условиях структура кристаллической решетки может меняться, придавая кислороду необычные свойства. Например, давление выше 96 ГПа (прим. ред.: в 1 000 раз больше, чем на дне Марианской впадины) способствует переходу в металлическое состояние, и кислород становится сверхпроводником, то есть имеет нулевое электрическое сопротивление.

Что касается химических свойств, то кислород — это один из самых сильных окислителей. Конечно, в большей степени это касается атомарного кислорода с незаполненной электронной оболочкой. Тем не менее и стабильные молекулы O2 способны окислять другие вещества, вступая в реакции с большинством других химических элементов. Исключениями являются разве что благородные газы вроде аргона (Ar) и гелия (He) или некоторые металлы, например, золото (Au) и платина (Pt). В зависимости от скорости протекания реакций выделяют два типа окисления.

Медленное окисление. При комнатной температуре тепла окружающей среды не хватает, чтобы разорвать межатомную связь кислорода моментально. Но в ходе случайных столкновений частицы получают кинетическую энергию, достаточную для протекания очень неспешной реакции. Мы наблюдаем медленное окисление в повседневной жизни, когда ржавеет железо, темнеют порезанные яблоки или гниет опавшая с деревьев листва. Быстрое окисление. Если же поднять температуру или дать «стимул» в виде искры, ковалентная связь в молекулах кислорода начинает разрушаться, запуская лавинообразную реакцию. Освободившиеся атомы бурно реагируют с веществом, что сопровождается выделением тепла и света. Дрова в костре, уголь в печи или бензин в двигателе сгорают благодаря тому, что составляющие их атомы стремительно соединяются с кислородом. Где встречается кислород в природе

Кислород является самым распространенным в природе химическим элементом, и дело здесь не ограничивается воздухом. Молекулярный кислород — это лишь верхушка айсберга, а подавляющее большинство его атомов находятся в соединениях с другими элементами. Если сложить массу всего вещества в земной коре, гидросфере, биосфере и атмосфере, на долю кислорода придется немногим менее 50%. Давайте посмотрим, где именно наша планета хранит свои колоссальные кислородные запасы (прим. ред.: в скобках поочередно указаны массовая и атомная доля кислорода в рамках указанной сферы).

Гидросфера (89 / 33,3%). Океаны, моря, реки и ледники состоят из воды. Ее формулу мы помним со школьной скамьи — H2O, два атома водорода (H) соединены с одним атомом кислорода. При этом почти всю массу гидросферы составляет именно кислород, содержащий в ядре по восемь протонов и нейтронов против единственного протона водорода. В водной среде есть и пузырьки молекулярного кислорода — те самые 9 мг на литр, о которых мы говорили ранее. Земная кора (47 / 62%). Как ни парадоксально это звучит, но бо́льшая часть кислорода нашей планеты сосредоточена в ее литосфере. Более того, примерно 90% массы твердой оболочки Земли приходится на кислородосодержащие компоненты. Одними из главных породообразующих минералов являются кварц (SiO2), а также многочисленные силикаты и алюмосиликаты. Также кислород содержится в железной руде, например, гематите (Fe2O3), и минералах биологического происхождения вроде кальцита (CaCO3), из которого состоит известняк.

Атмосфера (23 / 21%). Тонкая газовая оболочка Земли содержит не так уж много кислорода. На его молекулы приходится чуть более пятой части, а преимущественно воздух состоит из азота (N2). Однако с точки зрения биологии значимость кислорода несравненно выше, о чем мы еще поговорим подробнее. Кроме того, в стратосфере, на высоте около 20–25 км, встречается еще одна разновидность кислорода, его аллотропная модификация. Под воздействием солнечных ультрафиолетовых лучей молекулы O2 распадаются на отдельные атомы, которые вскоре связываются с другими, еще целыми молекулами кислорода. Так образуется озон (O3), слой которого поглощает ультрафиолет, защищая живые организмы от агрессивного излучения Солнца. Роль кислорода в жизни на Земле

Молодая Земля, сформировавшаяся около 4,5 млрд лет назад, выглядела совершенно иначе, нежели в наши дни. Основной объем первичной атмосферы приходился на водород и гелий, которые постепенно замещались углекислым газом, метаном (CH4), аммиаком (NH3) и водяным паром. Древнейшие обитатели нашей планеты — анаэробные организмы — превосходно чувствовали в себя в «душной» среде из парниковых газов и не испытывали абсолютно никакой потребности в кислороде.

Так продолжалось достаточно долго, но 2,4 млрд лет назад произошло событие, известное как Великая кислородная катастрофа, и оно полностью изменило окружающую среду. В ходе эволюции на Земле появились цианобактерии — крошечные одноклеточные организмы, освоившие фотосинтез. Под воздействием солнечного света они начали производить питательные вещества из углекислого газа и воды, а побочным продуктом этого процесса стал молекулярный кислород. Поначалу выделявшийся газ связывали океаны и горные породы, но по мере бурного размножения цианобактерий он буквально хлынул в атмосферу.

Для множества анаэробных организмов кислород был смертельно опасным ядом, и резкое, по планетарным меркам, увеличение его концентрации спровоцировало массовое вымирание. Выжить посчастливилось лишь тем, кто оказался в специфических нишах без доступа воздуха, например, в донных отложениях и подземных пластах. Однако, как это много раз случалось в дальнейшей истории Земли, кризис для одних стал открывшимся окном возможностей для других.

Цианобактерии стали «инициаторами» вымирания, но сами они вырабатывали ферменты, которые не только нейтрализовали токсичное воздействие кислорода, но и вовлекали его во внутриклеточные процессы. Так, вместо гибели они получили стимул к дальнейшему развитию. Отдельные организмы научились игнорировать кислород, развив в себе примитивные антиоксидантные системы. Их потомками являются молочнокислые бактерии, которые до сих пор могут существовать в кислородной среде, получая энергию исключительно путем брожения. Третью группу выживших организмов можно назвать «инноваторами». Задолго до наступления катастрофы они научились вырабатывать ферменты клеточного дыхания, что позволяло им получать энергию для жизни в локальных участках океана с высокой концентрацией кислорода. Аэробные организмы полностью изменили ход эволюции, дав начало ветви, к которой относятся грибы, растения, животные и люди.

Как кислород участвует в дыхании человека

Ежедневно мы делаем более 20 000 вдохов, совершенно не задумываясь об этом. Многие воспринимают дыхание как необходимое условие для жизни, и это действительно так. Но если «заглянуть» вглубь нашего организма, выяснится удивительная вещь. С точки зрения химии, наше дыхание — это медленное и контролируемое горение. Чтобы лучше понять роль кислорода в дыхании, давайте пошагово проследим его путь в организме.

Шаг 1. Поступление в легкие. Во время вдоха кислород из воздуха попадает в легкие, достигая крошечных пузырьков — альвеол. Они имеют настолько тонкие стенки, что газ легко преодолевает их и проникает в кровеносные сосуды. Шаг 2. Транспортировка с кровью. В сосудах кислород «встречают» эритроциты — крошечные клетки, внутри которых упакован белок гемоглобин, содержащий атомы железа. Кислород прикрепляется к ним (прим. ред.: кстати, именно благодаря взаимодействию кислорода и железа наша кровь имеет красный цвет) и разносится с кровью по всему организму. Шаг 3. Отдача тканям. Ткани организма отличаются высокой концентрацией углекислого газа, а также образуют кислую среду. В таких условиях связь гемоглобина с кислородом ослабевает, кислород отщепляется и направляется к клеткам. Этот биохимический механизм называется эффектом Бора в честь датского физиолога Кристиана Бора, открывшего его в 1904 году (прим. ред.: а его сын Нильс стал одним из основоположников квантовой механики). Шаг 4. Использование в клетках. Важную роль в функционировании живых клеток играют митохондрии, которые образно называют «клеточными энергетическими станциями». Источниками энергии в основном служат сахара и жиры, но для ее извлечения их необходимо «сжечь». Внутри митохондрий запускается цепочка процессов: питательные вещества теряют электроны и ионы водорода, которые принимает кислород. В результате вырабатывается энергия, а побочными продуктами реакции становятся вода и углекислый газ. Шаг 5. Удаление углекислого газа. Если с водой особенных проблем не возникает, то углекислый газ в высоких концентрациях представляет опасность для организма. Для безопасной транспортировки он поступает в кровь преимущественно в составе растворимых солей или в связке с тем же гемоглобином. Достигая легких, углекислый газ высвобождается, после чего мы выдыхаем его в атмосферу.

Недостаток и избыток кислорода

Организм человека можно сравнить с тонко настроенным механизмом, который работает хорошо при определенной концентрации кислорода в окружающей среде — около 21%. В условиях стабильной атмосферы у здоровых людей с кислородом связывается порядка 95–98% гемоглобина в крови. Как недостаточное, так и избыточное поступление этого газа в организм быстро превращается в проблему.

Недостаток кислорода

С недостатком кислорода в окружающей среде часто сталкиваются альпинисты. Важно отметить, что состав воздуха на высоте нескольких тысяч метров остается неизменным, однако падает атмосферное давление. Из-за этого воздух становится разреженным — молекулы O2 находятся дальше друг от друга, нежели при нормальном давлении, и попадают в легкие во время вдоха в меньших количествах.

Это может привести к развитию горной болезни, которую также называют высотной гипоксией. На первых порах у человека появляются слабость и одышка, затем начинает кружиться голова и темнеет в глазах. Симптомы горной болезни у абсолютно здоровых, но неакклиматизированных людей появляются на высоте от 4 000 метров над уровнем моря. Высоту более 8 000 метров в альпинизме называют «зоной смерти» — нахождение там без кислородной маски может привести к потере сознания, а со временем и к летальному исходу.

Гипоксия может быть вызвана и внутренними причинами, когда в организм поступает достаточно кислорода, но он не может усвоиться. Например, при анемии, то есть падении уровня гемоглобина, кровь переносит меньше газа, чем требуется тканям. А при астме и пневмонии легкие не могут пропустить кислород в кровоток. При тяжелом кислородном голодании в первую очередь страдает головной мозг — спустя всего несколько минут его клетки начинают необратимо погибать.

Избыток кислорода

Конечно, кислород играет важнейшую роль в регуляции жизненных процессов, но вместе с тем он является агрессивным окислителем и представляет опасность в избыточных количествах. В обычной жизни вдохнуть его слишком много практически невозможно. Но бывает так, что людям приходится дышать чистым кислородом при высоком давлении. Это характерно для аквалангистов на большой глубине, делающих декомпрессионные остановки, или для пациентов в барокамерах, которые нуждаются в экстренном насыщении тканей кислородом. Даже небольшие нарушения подобных процедур могут привести к кислородному отравлению, которое в медицине называют гипероксией.

Как мы знаем, кислород необходим клеткам для выработки энергии. При этом малая его часть превращается в побочные продукты, известные как свободные радикалы. У атомов таких молекул есть хотя бы один неспаренный электрон, из-за чего они активно окисляют другие вещества. В нормальных условиях свободные радикалы нейтрализуются антиоксидантами, такими как витамин C, но при гипероксии защитные системы организма перестают справляться с нагрузкой, что влечет за собой окислительный стресс. В результате активные формы кислорода повреждают ДНК и белки, вызывают сильные воспаления и гибель клеток. Острая гипероксия может привести к появлению судорог и отеку легких, а хроническая — к преждевременному старению, истощению организма, а также развитию сердечно-сосудистых, онкологических и других заболеваний.

Круговорот кислорода в природе

Кислород на нашей планете находится в постоянном движении и переходит из одних оболочек в другие. Если бы концентрация этого газа не восполнялась, живые организмы очень быстро истощили бы атмосферу. Однако в природе был организован эффективный «конвейер» — глобальный биохимический круговорот кислорода, в ходе которого этот элемент циклически перемещается между небом, землей, водой и живыми организмами.

Главным естественным «производителем» кислорода является фитопланктон — микроскопические водоросли и цианобактерии в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и воду, выбрасывая кислород в атмосферу. Выделяют его и наземные растения, составляющие леса и луга. Согласно биогеохимическим моделям, в которых используются разные методики подсчета, на долю наземной флоры приходится от 20 до 50% выделяемого кислорода.

«Потребителей» атмосферного кислорода можно разделить на три основные категории.

Живые организмы. В широком смысле дыхание можно обозначить как процесс, противоположный фотосинтезу. Это означает, что потребление O2 приводит к образованию H2O и CO2. Кроме того, кислород расходуется при разложении мертвых организмов и лесных пожарах. Вода. Кислород из воздуха растворяется в океанах и морях, обеспечивая дыхание рыб и всевозможных обитателей подводного мира. Также дождевые капли в процессе трения о воздух поглощают газы и насыщаются кислородом. Земля. В ходе выветривания кислород активно взаимодействует с горными породами и минералами на поверхности суши. Например, вступая в реакции с железом, он встраивается в его кристаллическую структуру, образуя оксиды.

Глобальный круговорот замыкается благодаря фотосинтезу, но кислород, заключенный в породах, также не теряется безвозвратно. Тектоника плит способствует тому, что огромные пласты погружаются глубоко под землю, где начинают плавиться, высвобождая углекислый газ и водяной пар. Затем извержения вулканов возвращают эти газы в атмосферу и, как следствие, в цепочку круговорота. По приблизительным оценкам, молекулы кислорода в воздухе полностью обновляются раз в 2 000–3 000 лет.

Как получают кислород

Поскольку кислород окружает нас повсюду, может показаться, что добыть его достаточно легко, ведь для этого не нужно копать глубокие шахты или строить карьеры. Но, несмотря на доступность «сырья», кислород необходимо изолировать, отделить от смеси газов, а это уже не самая простая задача. Главным промышленным методом получения кислорода является криогенная ректификация. На первом этапе воздух закачивают мощными компрессорами внутрь воздухоразделительной установки, попутно очищая его от пыли, влаги и углекислого газа. Затем его сильно сжимают и охлаждают до температуры ниже -200 °C, переводя в жидкое состояние. Жидкость отправляют в ректификационную колонну и очень медленно нагревают. Азот закипает при температуре около -196 °C и улетучивается, а оставшийся кислород собирают и закачивают в баллоны.

При этом кислород вовсе не обязательно получать из воздуха, для этого можно использовать и воду. Для повышения электропроводности в нее добавляют электролит, а затем пропускают сильный ток. Под действием электричества молекулы воды распадаются, на отрицательном электроде выделяется водород, а на положительном — кислород. Этот процесс называется электролизом воды. Он безопасен для окружающей среды и позволяет получать чистейший газ, но требует высоких затрат электроэнергии. Поэтому к электролизу прибегают в тех редких случаях, когда доступ к атмосферному воздуху отсутствует, например, на орбитальных станциях и подводных лодках.

Где применяется кислород

Люди начали использовать чистый кислород практически с момента его открытия, однако на протяжении более чем 100 лет сфера его применения ограничивалась медициной. На рубеже XIX и XX веков произошел технологический переворот — криогенное разделение воздуха сделало кислород широкодоступным продуктом, и промышленность незамедлительно нашла ему применение. В наши дни кислород «работает» на благо цивилизации в следующих ключевых сферах.

Металлургия. Не менее 70% всего производимого в мире кислорода закупают металлургические заводы. Он необходим для создания самого важного и распространенного промышленного сплава — стали. В расплавленный чугун закачивают чистый кислород, который быстро окисляет примеси углерода, марганца, серы и других элементов. Они отделяются от общей массы, и хрупкий чугун превращается в прочную сталь.

Химическая промышленность. Эта отрасль забирает еще 25% кислорода, используя его прежде всего как реактив. Реакции окисления веществ — это необходимые этапы производства множества материалов, таких как азотная и серная кислоты, пластмассы и другие полимеры, смазочные масла и синтетическое топливо. Космонавтика. В автомобильных двигателях внутреннего сгорания бензин или дизель могут гореть благодаря кислороду из воздуха, но в космосе его нет. Поэтому в космических ракетах топливо — керосин или водород — соединяется с жидким кислородом. Их реакция в камере сгорания порождает колоссальную тягу, с помощью которой корабли выводят на орбиту. Медицина. Хотя по объемам использования кислорода медицина в десятки раз уступает промышленному сектору, для человека эта отрасль остается самой важной. Кислородная терапия позволяет спасать жизни огромного количества пациентов с заболеваниями легких и сердца, а также испытывающих последствия отравления угарным газом и угнетения дыхания из-за наркоза или сильных обезболивающих препаратов.

Интересные факты о кислороде Хотя само название термина «окисление» этимологически связано с кислородом, в рейтинге самых сильных окислителей он занимает только вторую строчку. Самым химически агрессивным элементом, забирающим электроны у любых других атомов, является фтор. Этой участи не может избежать даже сам кислород, и в присутствии фтора «хищник становится жертвой». При их взаимодействии кислород выступает как восстановитель, а продуктом реакции становится фторид кислорода (OF2). Кислород — это третий по распространенности элемент во Вселенной после водорода и гелия, но встретить его в свободном молекулярном виде крайне сложно. В условиях космоса он соединяется с водородом и углеродом, а при температурах, близких к абсолютному нулю, замерзает и налипает на частички космической пыли. Биологический фотосинтез заметно выделяет нашу Землю на фоне других планет, где кислород заперт в составе водяного льда, каменистых оксидов и углекислого газа. Воздух интуитивно кажется нам невесомым, однако он давит на поверхность нашей планеты с огромной силой, и значительную часть этого давления обеспечивает кислород. В совокупности все его молекулы в земной атмосфере весят 1,2 * 1015 (прим. ред.: 1,2 квадриллиона) тонн — это примерно сопоставимо по массе с 50 озерами размером с Байкал. Даже если взять комнату площадью 20 м2, масса кислорода в ней составит 14–17 кг в зависимости от высоты потолков. Кислород в вопросах и ответах 1. Что такое кислород?

Кислород — это химический элемент, а также газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха. Он является мощным окислителем и ключевым компонентом дыхания большинства живых организмов.

2. Кто открыл кислород?

Первооткрывателями кислорода называют сразу трех исследователей: швед Карл Шееле первым выделил этот газ, англичанин Джозеф Пристли повторил этот опыт позднее, но опубликовал свои результаты раньше, а француз Антуан Лавуазье понял истинную природу выделенного ими газа и дал ему название.

3. Какой химический символ у кислорода?

В Периодической системе химических элементов Дмитрия Менделеева кислород обозначен латинской буквой O, а его двухатомная молекула записывается как O2.

4. Сколько кислорода содержится в атмосфере Земли?

В атмосфере Земли содержится около 21% кислорода по объему и 23% по массе.

5. Почему кислород необходим человеку?

Кислород необходим человеку для клеточного дыхания. Через легкие он поступает в кровь, вместе с которой транспортируется к тканям, и в конечном итоге достигает клеток, принимая участие в выработке энергии.

6. Как растения производят кислород?

Растения, а также водоросли и цианобактерии производят кислород благодаря фотосинтезу. Под воздействием солнечного света они расщепляют воду и углекислый газ, оставляя себе водород и углерод, тогда как кислород становится побочным продуктом и выбрасывается в атмосферу.

7. Где кислорода больше всего на Земле?

Больше всего кислорода находится в земной коре, где он включен в состав пород и минералов.

8. Как получают кислород в промышленности?

В промышленности кислород обычно получают методом криогенной ректификации, сначала охлаждая воздух до сверхнизких температур, а затем плавно нагревая для испарения азота.

9. Где используют кислород в медицине?

Кислород используют для поддержки пациентов с заболеваниями легких, сердца и сосудов, а также при отравлении угарным газом. Кроме того, он необходим при проведении искусственной вентиляции легких и при восстановлении организма от декомпрессионной болезни.

10. Может ли человек жить в атмосфере с повышенным содержанием кислорода?

Ответ на этот вопрос зависит от того, насколько сильно повысится концентрация кислорода в атмосфере. Например, если его уровень составит 25%, на дыхании это практически никак не скажется. Однако такая среда будет таить в себе другую опасность — вещи, которые обычно долго разгораются, будут вспыхивать от малейшей искры или статического электричества. Критически опасным для здоровья считается порог в 40%. Несколько дней человек сможет прожить при такой концентрации кислорода, не чувствуя особенных ухудшений, но затем он неизбежно столкнется с гипероксией — кислородным отравлением.

11. Почему кислород поддерживает горение, но сам не горит?

Горение — это химическая реакция окисления, протекающая при соединении какого-либо вещества с кислородом. Кислород не горит, так как он запускает эту реакцию, забирая электроны у других элементов и тем самым поддерживая их горение.

12. Чем жидкий кислород отличается от газообразного?

Они отличаются температурой и плотностью. Жидкий кислород образуется при температуре ниже -183 °C и в несколько сотен раз превосходит по плотности газообразный.

13. Как кислород участвует в круговороте веществ?

Фитопланктон и растения выделяют кислород в ходе фотосинтеза. Затем животные и человек используют его для дыхания, преобразуя в воду и углекислый газ, которые снова поглощают фотосинтезирующие организмы, замыкая цикл.

14. Какие организмы способны жить без кислорода?

Без кислорода могут жить анаэробные организмы, к которым относятся многие виды бактерий, простейших, грибов и даже животных, например, паразитические черви. Они получают энергию за счет биохимических реакций, для запуска и протекания которых не нужен кислород.

15. Почему кислород считается одним из важнейших элементов для жизни?

Появление кислорода на нашей планете спровоцировало массовое вымирание. Однако выжившие организмы, получившие способность к аэробному дыханию, смогли извлекать из питательных веществ в 15–18 раз больше энергии, чем это происходило в бескислородной среде. Также кислород входит в состав воды, без которой появление и развитие жизни на Земле было бы невозможно.

Автор текста: Иван Стефанов

Изображение на обложке: Magnific