Приложение 1 История открытия кислорода

История открытия кислорода

Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, присущими кислороду. Сведения о нем – косвенные, разумеется,- есть в трактате китайского алхимика Мао Хао (VIII в.). Китайцы знали «деятельное начало», входящее в состав воздуха, и называли его «йын». В XV в. следы кислорода можно обнаружить в трудах Леонардо да Винчи. Потом снова теряются - до XVII в., когда голландец Дреббель изобретает подводную лодку.

Он использует селитру, чтобы ее кислородом обогатить воздух в подводной лодке. Но этот факт остался незамеченным, так как работы изобретателя были засекречены. Поэтому работы К. Дреббеля не сыграли большой работы для развития химии.

В XVII в. Майов и Бойль независимо друг от друга высказали мысль, что в воздухе содержится некая субстанция, которая поддерживает горение, но эта вполне рациональная гипотеза не получила тогда развития, так как представление о горении, как о процессе соединения горящего тела с некой составной частью воздуха, казалось в то время противоречащим столь очевидному акту разложения горящего тела на элементарные составные части. Именно на этой основе на рубеже XVII в. возникла теория флогистона, созданная Бехером и Шталем. С наступлением химико-аналитического периода развития химии (вторая половина XVIII в.) и возникновением "пневматической химии" - одной из главных ветвей химико-аналитического направления - горение, а также дыхание вновь привлекли к себе внимание исследователей.

Официально считается, что кислород был открыт1 августа 1774 года, когда английский химик Джозеф Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании с помощью мощной двояковыпуклой линзы без доступа воздуха ртутной окалины, находящейся под стеклянным колпаком. Это твёрдое вещество было известно ещё алхимикам под названием «меркуриус кальцинатус пер се», или жжёная ртуть, на современном же химическом языке это вещество называется оксидом ртути. Получаемый при нагревании оксида ртути неизвестный ему газ он выводил через трубку в сосуд, заполненный не водой, а ртутью, так как Пристли уже ранее убедился в том, что вода слишком хорошо растворяет газы. В собранный газ Пристли из любопытства внёс тлеющую свечу, и она вспыхнула необыкновенно ярко. Уравнение разложения оксида ртути при нагревании выглядит следующим образом:

Впрочем, Пристли не был первым ученым, получившим кислород. Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Вильгельм Шееле. Проживая в Упсале, Шееле, ученик аптекаря, начал изучать природу огня, и ему скоро пришлось задуматься над тем, какое участие принимает в горении воздух. Он знал, что сто лет назад Роберт Бойль, что свеча, уголь и всякое другое горючее тело могут гореть только там, где есть достаточно воздуха. Воздух тогда считали элементом - однородным веществом, которое никакими силами нельзя расщепить на еще более простые составные части. Шееле тоже сначала был такого мнения. Но скоро он должен был его изменить после того, как стал проводить опыты с различными химическими веществами в сосудах, плотно закрытых со всех сторон. Какие бы вещества ни пытался Шееле сжигать в закрытых сосудах, он всегда обнаруживал одно и то же любопытное явление: воздух, который находился в сосуде, обязательно уменьшался при горении на одну пятую часть, и по окончании опыта вода обязательно заполняла одну пятую часть объёма колбы. И его озарила догадка, что воздух не является однородным. Далее он стал изучать разложение нагреванием множества веществ (оксида ртути (как это сделали Пристли и Лавуазье), карбоната ртути и карбоната серебра, а так же селитры KNO₃) и получил газ, который поддерживал дыхание и горение. Карл Шееле хотел раскрыть загадку огня и при этом неожиданно обнаружил, что воздух - не элемент, а смесь двух газов, которые он называл воздухом «огненным» и воздухом «негодным». Это было величайшим из всех открытий Шееле. Шееле описал своё открытие в изданном в 1777 году трактате «О воздухе и огне» (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода)... Но, ни Пристли, ни Шееле не поняли, что они открыли. Они открыли новый газ. Только и всего. И до конца жизни остались преданными теории флогистона, которая в конце XVIII века стала тормозом для развития науки.

Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают». С флогистоном покончил другой великий химик XVIII века - француз Антуан Лавуазье. И когда это было сделано, то странное исчезновение «огненного воздуха» и многие другие непонятные явления сразу потеряли всю свою загадочность. Антуан Лавуазье ( 1743-1794), начал свою работу, которая привела его к открытию, после эксперимента Джозефа Пристли в 1774 г., и, возможно, благодаря намеку со стороны Пристли. Из своих собственных опытов и предшествовавших опытов Пристли и Шееле Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь одна пятая часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Пристли сообщил ему в 1774 г. об обнаружении «дефлогистированного воздуха», он сразу понял, что это и есть та самая часть воздуха, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье заключил, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) воздуха и объяснил процесс горения соединением веществ с кислородом. В начале 1775 г. Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух как таковой без изменений, он оказывается более чистым, более пригодным для дыхания». К 1777 г., Лавуазье пришел к выводу, что это был газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу.

В борьбе со сторонниками теории флогистона у Лавуазье был замечательный союзник, который хорошо помогал ему в работе. Шееле и Пристли тоже имели такого союзника, но они не всегда пользовались его услугами и не придавали большого значения его советам. Главным помощником Лавуазье были... весы. Приступая к какому-нибудь опыту, Лавуазье почти всегда тщательно взвешивал все вещества, которые должны были подвергнуться химическому превращению, а по окончании опыта снова взвешивал. Как и Шееле, Лавуазье тоже пробовал сжигать фосфор в закрытой колбе. Но Лавуазье не терялся в догадках, куда исчезала пятая часть воздуха при горении. Весы дали ему на этот счет совершенно точный ответ. Перед тем как положить кусок фосфора в колбу и поджечь, Лавуазье его взвесил. А когда фосфор сгорел, Лавуазье взвесил однако выяснилось, что белый иней, осевший на стенках колбы после горения, весит больше сгоревшего фосфора. Следовательно, та самая часть воздуха, которая якобы исчезла из колбы, в действительности вовсе не уходила из неё, а просто присоединилась во время горения к фосфору. Теперь мы это вещество называем оксидом фосфора (V). В 1877 г. ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук. Сделанные им выводы существенно ослабляли основы теории флогистона, а окончательное поражение ей было нанесено исследованиями состава воды.

Интересно, что гениальный ученый Михаил Васильевич Ломоносов еще за пятнадцать лет до Лавуазье сравнивал вес запаянной реторты с металлом до и после прокаливания. «Деланы опыты в заплавленных накрепко сосудах, чтобы исследовать: прибывает ли вес металла от чистого жара», - записал Ломоносов в 1756 г., и в двух строчках прибавил результат: «Оными опытами нашлось, что... без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере». Так Ломоносов нанес сильный удар по разделявшейся химиками того времени теории флогистона. Но мало этого: Ломоносов сделал из своих опытов и другой замечательный вывод, что «все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому, так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте». Этими словами великий ученый выразил один из важнейших законов химии - закон сохранения вещества. К слову, слово "кислород" (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени так же обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» , предложенного А. Лавуазье.

Приложение 2

Нахождение кислорода в природе

Кислород - газ без запаха и вкуса, встречается в трех ипостасях: атомарного, обыкновенного и озона — самый распространённый на Земле и третий по распространенность во Вселенной (после водорода и гелия) элемент таблицы Менделеева, на его долю (в составе различных соединений (в общей сложности более 1500 соединений), главным образом силикатов) приходится около 47,4 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,12 % по массе. Попадая в легкие, он с помощью красных кровяных телец достигает всех клеток организма. В организме он сжигает пищу, вырабатывая тепло, необходимое для деятельности человека. Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. Все основные классы структурных молекул в живых организмах, таких как белки, углеводы и жиры, содержат кислород, как и основные неорганические соединения, которые входят в состав оболочек клеток, зубов и костей. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %. Круговорот кислорода в природе обеспечивается зелеными растениями, поглощающими из воздуха углекислый газ и освобождающими из него при участии хлорофилла свободный кислород. Поэтому его содержание в атмосфере практически неизменно.

Количество его в земной коре в виде химических соединений с другими элементами составляет49%. Кислород - химически активный элемент. В состав половины из 4 тысяч известных в настоящее время неорганических веществ, входит кислород. В связанном виде он находится в почве, минералах и рудах. В составе воды рек, озер, морей, океанов содержится до 89% кислорода, в песке его доля достигает 53%, в глине- 56%.

Кислород при нормальных условиях бесцветный газ без запаха и вкуса, но если его сжижать, то можно увидеть воочию. Вот как описаны свойства жидкого воздуха в повести писателя – фантаста А.Беляева «Продавец воздуха». «Мистер Бейли открыл шестую дверь, и я увидел изумительное зрелище. Перед нами был огромный подземный грот. Десятки ламп освещали большое озеро, вода которого отличалась необычайно красивым голубым цветом. Казалось, как будто в эту подземную пещеру упал кусок голубого неба. «- Жидкий воздух, - сказал Бейли».

Сжижается газ, если его охладить до температуры -183С0 при н.у. Если снизить температуру до -218,8°С, то жидкий кислород превратится в красивые синие кристаллы.

Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных. Растения также поглощают атмосферный кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает еще один противоположный ему процесс- фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений.

Благодаря солнечному свету и хлорофиллу углекислый газ поглощается растениями, выделяющими кислород, так необходимый человеку и животным. Самыми активными «производителями» кислорода являются не растения, которые мы видим на суше, а бесчисленные мелкие водоросли, произрастающие в поверхностных теплых слоях морей и океанов. Подсчитано, что сухопутные растения вырабатывают ежегодно 53 млрд. тонн кислорода, а водоросли – почти в 10 раз больше. Было определено также, что населению Земли и животным нужно две тысячи лет, чтобы исчерпать весь кислород атмосферы, а растениям и водорослям достаточно 600 лет, чтобы восстановить массу кислорода в воздухе, окружающем Землю.

Приложение 3

Получение в промышленности

Неисчерпаемым источником кислорода являтся воздух. Чтобы получить из него кислород, следует отделить этот газ от азота и других газов. На такой идее основан промышленный метод получения кислорода. Его реализуют, используя специальную, достаточно громоздкую аппаратуру. Сначала воздух сильно охлаждают до превращения его в жидкость. Затем температуру сжиженного воздуха постепенно повышают. Первым из него начинает выделяться газ азот (температура кипения жидкого азота составляет —196 °С), а жидкость обогащается кислородом (температура кипения кислорода -183 °С). В настоящее время промышленным способом получения кислорода является извлечение его из воздуха сжижением с последующей ректификацией.

Для получения кислорода в лаборатории используют такие оксигенсодержащие соединения:

- калий перманганат KMnO₄ (бытовое название марганцовка; вещество является распространенным дезинфицирующим средством)

- калий хлорат KClO₃ (тривиальное название — бертолетова соль, в честь французского химика конца XVIII — начала XIX в. К.-Л. Бертолле)

Небольшое количество катализатора — манган (IV) оксида MnO₂ — добавляют к калий хлорату для того, чтобы разложение соединения происходило с выделением кислорода.

В лаборатории кислород можно также получить разложением натрий нитрата NaNO₃ или калий нитрата KNO₃². Соединения при нагревании сначала плавятся, а затем разлагаются:



¹При нагревании соединения без катализатора происходит другая реакция



Эти вещества используют в качестве удобрений. Их общее название — селитры.

Сведения о том, как получают кислород в лаборатории, собраны в схеме 7.

Кислород вместе с водородом являются продуктами разложения воды под действием электрического тока:

В природе кислород образуется вследствие фотосинтеза в зеленых листьях растений. Упрощенная схема этого процесса такова:

Приложение 4

Свойства кислорода

Кислород очень хорошо соединяется с другими элементами. Такая реакция называется «окислением». Мы встречаем медленное окисление повсюду. Ржавеет металл, высыхает краска, алкоголь превращается в уксус – все это окисление. Почти при любом окислении выделяется тепло. При быстром окислении происходит горение, так как тепло выделяется очень быстро, резко повышается температура, и появляется пламя.

Кислород образует так много соединений потому, что он химически активный. Каковы же химические свойства кислорода?

Для кислорода характерны реакции горения, при которых происходит окисление веществ с выделением теплоты и света. Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных. У самого берега возле стебля тростника повис вниз головой жук-плавунец. Возле него расположились какие-то личинки, также вниз головой, выставив над водой свои «хвостики». Жук и личинка запасаются кислородом. Поднимаясь на поверхность воды, жук выставляет из воды задний конец своего тела, и некоторое время остается висеть в этой позе совершенно неподвижно. Воздух поступает через дыхальца, открывающиеся на спинной стороне его брюшных колец. Дыхальца – отверстия в брюшке (у личинок они находятся в «хвостиках»), от них отходят трахеи трубочки к каждому органу жука. Кислород воздуха из трахеи проникает в каждую клетку организма жука, а углекислый газ из клеток проникает в трахеи и выводится наружу.У рыб есть жаберные крышки, которые постоянно двигаются, они прогоняют через жаберные щели воду, которая омывает жаберные лепестки, пронизанные капиллярами. Через их стенки растворенный в воде кислород переходит в кровь, а из крови в воду переходит углекислый газ.. Наименее требователена к кислороду тарань, а самый требовательный карп и форель, которая живет в горных реках. Реакции окисления протекают быстрее и интенсивнее в чистом кислороде.

В романе Ж.. Верна, где описано воздействие чистого кислорода на живые организмы: «Едва посеянные семена мгновенно показывали свои зеленые головки и росли не по дням, а по часам. Кочаны капусты становились кустами, а грибы - зонтиками. Все эти растения быстро блекли и умирали, истощенные и обессиленные. То же происходило и с домашними животными, от дворового пса до свиньи в хлеву».Живые организмы приспособились в ходе эволюции к дыханию воздухом, а не чистым кислородом. В случае же дыхания чистым кислородом ускоряются окислительные процессы обмена веществ и человеческий организм быстрее «сгорает».

Все живые существа на Земле дышат кислородом. А как кислород попадает в организм человека? Человек дышит легкими. Кислород из воздуха проникает через мембраны легочных пузырьков в кровь, а СО₂ – из крови в воздух.

Приложение 5

Положение кислорода в периодической системе

Кислород — элемент 6-ой группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с порядковым номером 8. Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом. Простое вещество кислород при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород.

Аллотропия (от греч. allos — другой и tropos — образ, способ) связана либо с разным числом атомов в молекуле, либо со строением.

Кислород может существовать в виде двух аллотропных видоизменений: кислород О2 и озон О3.

При сравнении физических свойств кислорода и озона целесообразно вспомнить, что это газообразные вещества, различающиеся по плотности (озон в 1,5 раза тяжелее кислорода), температурам плавления и кипения. Озон лучше растворяется в воде.

Кислород в нормальных условиях — газ, без цвета и запаха, озон — газ голубого цвета с характерным резким, но приятным запахом.

Есть отличия и в химических свойствах.

Озон химически активнее кислорода. Активность озона объясняется тем, что при его разложении образуется молекула кислорода и атомарный кислород, который активно реагирует с другими веществами. Например, озон легко реагирует с серебром, тогда как кислород не соединяется с ним даже при нагревании:

Реакция идет с поглощением энергии при прохождении электрического разряда через кислород, например, во время грозы, при сверкании молнии. Обратная реакция происходит при обычных условиях, так как озон — неустойчивое вещество. В природе озон разрушается под действием газов, выбрасываемых в атмосферу, например, фреонов, в процессе техногенной деятельности человека.