Удивительная история открытия кислорода
жүктеу/скачать 282.5 Kb.
|
| Муравьихинская средняя общеобразовательная школа
«Удивительная история открытия кислорода» 
Выполнила: Малова Вика 9 класс Научный руководитель: Михайленко В.Д. Учитель химии Муравьиха, 2009 Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Газообразное вещество, без запаха и цвета, поэтому не ощутим никакими органами чувств. Однако недостаток, а тем более его отсутствие в атмосфере мы обнаружили бы очень быстро. Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без нагревания. При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе многие простые и сложные вещества сгорают, причем образуются различные оксиды. Кислород вездесущ. Он самый распространенный элемент на Земле. В значительных количествах входит в состав воздуха, воды, почвы, животных, растений. Кислород в атмосфере Земли начал накапливаться в результате деятельности первичных фотосинтезирующих организмов, появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала около 1% кислорода; постепенно из восстановительной она превращалась в окислительную и примерно 400 млн. лет назад приобрела современный состав. Наличие в атмосфере кислорода в значительной степени определило характер биологической эволюции. Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента. Великие открытия, как правило, обычно делались совершенно случайно. Рвение, настойчивость, целеустремленность - все эти похвальные качества, несомненно, способствуют получению выдающихся научных результатов, но никак их не гарантирует. Нужно еще, как говорится,родиться под счастливой звездой. В классической дискуссии по поводу открытия кислорода рассматриваются кандидатуры сразу трёх учёных, имеющих законное право претендовать на это великое открытие. Это ш Карл Вильгельм Шееле родился 9 декабря 1742 г. в Штральзунде (Померания), принадлежавшем тогда Шведскому королевству, в семье мелкого торговца. В детстве посещал частный пансион, учился в гимназии. Поступив в ученичество в аптеку Бауха в Гётеборге (1756), освоил основы фармации и лабораторной практики, усердно изучал (главным образом по ночам) труды химиков И.Кункеля, Н.Лемери, Г.Шталя. Ученье, по обычаям того времени, должно было длиться около десяти лет. Карл Шееле уже через шесть лет успешно сдал экзамены и получил звание аптекаря. В совершенстве овладев профессией и, перебравшись в Стокгольм, Шееле приступает к самостоятельным научным изысканиям. Работал в аптеках Стокгольма, Упсалы, Чёпинга. Работы и открытия Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии (еще не выделившейся в самостоятельную науку). Шееле первым получил и исследовал перманганат калия KMnO4 - всем известную "марганцовку", которая теперь широко применяется в химических экспериментах и в медицине, разработал способ получения фосфора P из костей, открыл сероводород H2S. Наиболее значительный труд Карла Вильгельма Шееле - Химический трактат о воздухе и огне 1777 г. Эта книга содержит результаты его многочисленных э  кспериментов 1768-1773 гг. по исследованию газов и процессов горения. Из Трактата видно, что Шееле - независимо от Пристли и Лавуазье и за два года до них - открыл кислород и подробно описал его свойства. При этом кислород был получен им многими способами: прокаливанием оксида ртути (как это сделали Пристли и Лавуазье), нагреванием карбоната ртути и карбоната серебра и т.д. Несомненно, Шееле первым (1772) «держал в руках» чистый кислород.
Как это было? Проживая в Упсале, Шееле начал изучать природу огня, и ему скоро пришлось задуматься над тем, какое участие принимает в горении воздух. 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 изменил его, 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, что хорошо видно на представленном ниже рисунке из рукописи Шееле. И его озарила догадка, что воздух не является однородным. . Далее он стал изучать разложение нагреванием множества веществ (среди которых была и селитра 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 открытийШееле. Страница рукописи Шееле Но в действительности тайна огня и полученного им «огненного» воздуха так и осталась для него тайной. Во всем была виновата господствовавшая в те времена теория флогистона, по которой считалось, что всякое вещество может гореть только в том случае, если в нем много особой горючей материи - флогистона, а горение представляет собой распад сложного горючего вещества на особый огненный элемент - флогистон - и другие составные части. Карл Шееле тоже был сторонником этой теории, поэтому он объяснял, что «огненный воздух» имеет большое сродство (влечение) к флогистону, поэтому и сгорает в нем так быстро, а «негодный» воздух не имеет влечения к флогистону, поэтому в нем и гаснет всякий огонь. Это было довольно правдоподобно, но оставалась одна большая загадка, которая казалась совершенно необъяснимой. Куда уходил во время горения «огненный» воздух во время горения из закрытого сосуда? Наконец, он придумал такое объяснение. Когда сгорает какое-нибудь тело, говорил он, то выделяющийся из него флогистон соединяется с «огненным» воздухом и это невидимое соединение настолько летуче, что оно незаметно просачивается сквозь стекло, как вода сквозь сито. Шееле действительно был первым исследователем, получившим относительно чистую пробу кислорода (1772). Однако он опубликовал свои результаты в 1777 г., позже, чем это сделал Джозеф Пристли поэтому формально он не может считаться первооткрывателем кислорода. Но во многих академических изданиях и справочниках по химии приоритет отдаётся именно Карлу Вильгельму Шееле. Кроме того, ему принадлежит неоспоримый приоритет открытия химических элементов хлора Cl, фтора F, бария Ba, молибдена Mo, вольфрама W... Несмотря на то, что Шееле не имел высшего образования и был рядовым аптекарем, в возрасте 32 лет он был избран членом Стокгольмской академии наук. Ему предлагали кафедру в Упсальском университете, работу в центре шведской горнометаллургической промышленности в Фалуне, кафедру в Берлинском университете, однако ученый отклонял все предложения, предпочитая заниматься своими опытами. Вторым официально признанным претендентом на лавры первооткрывателя кислорода является английский священник и химик Джозеф Пристли (1733-1804).  Пристли Джозеф - знаменитый английский химик, философ и богослов; сын фабриканта. Удивительная способность его к языкам позволила ему легко изучить языки арабский, халдейский, сирийский; без помощи учителя Пристли научился говорить по-французски, немецкий и итальянский. Пристли занимался преимущественно физикой и химией. Еще в школе самостоятельно изучил философию, логику, математику. Для Пристли открылись двери королевской академии наук. Пробыв некоторое время профессором языков в вашингтонской академии, Пристли поселился в Лидсе, где производил свои знаменитые исследования углекислоты, двуокиси азота и кислорода. За эти исследования Пристли получил от королевского общества медаль Коплея. Парижская академия выбирает Пристли своим членом. В 1774 г. Пристли, нагревая красную окись ртути, выделяет кислород, дивится, что в этом газе горит ярко свеча. изучение дальнейших свойств "дефлогистированного" газа многим обязано Пристли. Уже из этих немногих примеров несомненна выдающаяся наблюдательность и экспериментаторский талант Пристли. Если его открытия не имели того успеха и значения для химии, как открытия его французского современника, то объясняется это тем, что Пристли принадлежал по самому складу своей научной мысли к поклонникам уже доживавшей тогда свой век теории флогистона
1 августа 1774 г. Джозеф Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании с помощью 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 химическом языке это вещество называется оксидом ртути, а уравнение его разложения при нагревании выглядит следующим образом:
В собранный газ Пристли из любопытства внёс тлеющую свечу, и она вспыхнула необыкновенно ярко. Можно теперь представить, как трудно было изучать химию во времена, когда химические формулы ещё не были изобретены. То, что записано коротким химическим уравнением, Пристли описал в 1774 г. следующим образом: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка «меркуриус кальцинатус пер се». Затем я взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи Солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух. И меня удивило, даже взволновало до глубины моей души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере». Разумеется, такое описание реакции выглядит весьма поэтично по сравнению с обычным химическим уравнением, но, к сожалению, суть произошедшей химической реакции не отражает. Сам Пристли, будучи, как и Шееле, сторонником теории флогистона, тоже так и не смог объяснить суть процесса горения; он защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье обнародовал новую теорию горения. Претензии сторонников Джозефа Пристли по поводу открытия именно этим учёным кислорода основывались на его приоритете в получении газа, который позднее был признан особым, не известным до тех пор видом газа. Но проба газа, полученного Пристли, не была чистой. Кроме того, если Пристли был первооткрывателем, то когда в таком случае было сделано открытие? В 1774 г. он считал, что получил закись азота, то есть разновидность газа, которую он уже знал. В 1775 г. он полагал, что полученный газ является дефлогистированным воздухом, но еще не кислородом. То есть, в 1775 г. Джозеф Пристли отождествил газ, полученный им при нагревании красной окиси ртути, с воздухом вообще, но имеющим меньшую, чем обычно, дозу флогистона. Для химика, придерживающегося теории флогистона, это, конечно же, был совершенно неведомый ранее вид газа. 
Третий официальный претендент в первооткрыватели кислорода, французский химик Антуан Лавуазье, по образованию юрист, был очень богатым человеком. Он состоял в "Компании откупов" - организации финансистов, бравшей на откуп государственные налоги. На этих финансовых операциях Лавуазье приобрел огромное состояние. Антуан Лавуазье
Еще обучаясь на юридическом факультете Парижского университета, будущий генеральный откупщик и выдающийся химик одновременно изучал естественные науки. Часть своего состояния Лавуазье вложил в обустройство химической лаборатории, оснащенной прекрасным по тем временам оборудованием, ставшую научным центром Парижа. В своей лаборатории Лавуазье провел многочисленные опыты, в которых он определял изменения масс веществ при их прокаливании и горении. Лавуазье доказал, что углекислый газ (диоксид углерода) - это соединение кислорода с "углем" (углеродом), а вода - соединение кислорода с водородом. Он на опыте показал, что при дыхании поглощается кислород и образуется углекислый газ, то есть процесс дыхания подобен процессу горения. Более того, французский химик установил, что образование углекислого газа при дыхании является главным источником "животной теплоты". Лавуазье одним из первых попытался объяснить сложные физиологические процессы, происходящие в живом организме, с точки зрения химии. Лавуазье стал одним из основоположников классической химии. Он открыл закон сохранения веществ, ввел понятия "химический элемент" и "химическое соединение", доказал, что дыхание подобно процессу горения и является источником теплоты в организме: Лавуазье был автором первой классификации химических веществ и учебника "Элементарный курс химии". В 29 лет он был избран действительным членом Парижской Академии наук. Кто знает, какие еще открытия успел бы совершить этот выдающийся ученый, если бы его не постигла судьба жертв революционного террора? Aнтуан был казнен в период французской революции 1 февраля 1794 года. Лавуазье 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.
Весы Лавуазье. 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 всю сухую фосфорную кислоту, которая осталась в колбе. По теории флогистона фосфорной кислоты должно было получиться меньше, чем было фосфора до горения, так как, сгорая, фосфор разрушался и терял флогистон. Если даже допустить, что флогистон вовсе не имеет веса, то фосфорная кислота должна весить ровно столько, сколько весил фосфор, из которого она получилась. 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. От этого соединения и получилась фосфорная кислота. Теперь мы называем это вещество фосфорным ангидридом. Лавуазье понимал, что горение фосфора не исключение. Его опыты показали, что всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое. Интересно, что наш гениальный соотечественник 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. Свои опыты по изучению горения веществ Лавуазье начал в 1772 г. и к концу года представил в Академию некоторые показавшиеся ему важными результаты. В прилагаемой им записке сообщалось, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения становится больше, чем вес исходных веществ, за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, при этом выделяется значительное количество воздуха. 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. Так кто же, в конце концов, является первооткрывателем кислорода? И когда он был открыт? Претензии Антуана Лавуазье на этот счёт являются более убедительными и основательными, но даже и они оставляют под собой почву для очень больших сомнений. Всё дело в том, что подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к неправильному выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. Лавуазье даже ввел для кислорода название «oxygenium» (от греч. «окис» - кислый, и «геннао» - рождаю) - «рождающий кислоты». окрытие кислорода, по всей видимости, является плодом коллективного разума и взаимоиндуцирующего творчества всех перечисленных в данном очерке учёных. То, о чем писал Лавуазье в своих статьях, начиная с 1777 г., было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения. Эта теория была ключом для перестройки химии, причем такой основательной, что её обычно называют революцией в химии. Задолго до того, как Лавуазье сыграл свою роль в открытии нового газа, он был убежден, что в теории флогистона было что-то неверным, и что горящие тела поглощают какую-то часть атмосферы. Многие соображения по этому вопросу он сообщил в заметках, отданных на хранение во Французскую Академию в 1772 г. Работа Лавуазье над вопросом о существовании кислорода дополнительно способствовала укреплению его прежнего мнения, что где-то был допущен просчёт. Она подсказала ему то, что он уже готов был открыть, - природу вещества, которое при окислении поглощается из атмосферы. В настоящее время кислород очень широко используется во многих областях человеческой деятельности. Его применяют для интенсификации химических процессов во многих производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород, ацетилен) сжигают в специальных горелках. Смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами, называемые оксиликвитами, обладают очень сильными взрывчатыми свойствами и применяются при подрывных работах. Кислород давно и широко используют в медицине, и он стал привычным атрибутом медицины критических состояний. При этом далеко не каждый анестезиолог-реаниматолог знает, каким же способом получают столь необходимый для его повседневной деятельности газ. В XIX веке возможности получения кислорода были ограничены, и его получали только лабораторными способами. В лаборатории кислород получают из его соединений с другими элементами. Чаще всего кислород получают нагреванием таких веществ (в состав которых кислород входит в связанном виде), как перманганат калия (марганцовка), хлорат калия (бертолетова соль), нитрат калия (селитра):
Удобно получать кислород в лаборатории и из пероксида водорода:
Пероксид водорода обычно используется в виде 3%-го водного раствора. Интересен способ получения кислорода из пероксидов металлов,потому что одновременно с выделением кислорода происходит поглощения углекислого газа.
На современных атомных подводных лодках, где имеется мощный и почти неисчерпаемый источник электрической энергии, есть возможность получать кислород разложением воды под действием электрического тока (электролизом воды):
Проще всего получить кислород из воздуха, поскольку воздух - не соединение, и разделить воздух не так уж трудно. Температуры кипения азота и кислорода отличаются (при атмосферном давлении) на 12,8° С. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты в ректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть. Но чтобы превратить воздух в жидкость, его нужно охладить до -196° С и создать давление порядка 200атмосфер. Жидкий кислород кипит при более «высокой» температуре (-183°С), чем жидкий азот (-196°С). Поэтому при «нагревании» жидкого воздуха, когда температура этой очень холодной жидкости медленно повышается от -200°С до -180°С, прежде всего при -196°С перегоняется азот (который опять сжижают) и только следом перегоняется кислород. Если такую перегонку жидких азота и кислорода произвести неоднократно, то можно получить весьма чистый кислород. Обычно его хранят в сжатом виде в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет. Характерная голубая окраска баллонов нужна для того, чтобы нельзя было спутать кислород с каким-нибудь другим сжатым газом. Литература Аксельрод А. Ю. Кислород в нашей жизни – М.: Знание, 1977 Журнал – химия в школе №8 2007 год жүктеу/скачать 282.5 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
ведский химик Карл Вильгельм Шееле , английский священник 
