КИСЛОРОД
(лат. Oxygenium),
О, хим. элемент VI группы периодич. системы Менделеева; ат. номер 8, ат.
масса 15,9994. При нормальных условиях К.газ без цвета, запаха и вкуса.
Трудно назвать другой элемент, к-рый играл бы на нашей планете такую важную
роль, как К.
Историческая справка. Процессы горения
Распространение в природе. К.- самый
К. стоит на первом месте и по числу
Вся масса свободного К. Земли возникла
Изотопы, атом, молекул а. К. имеет
В соответствии с положением К. в
В обычных условиях молекула К. двухатомна
Физические свойства. К.бесцветный
Химические свойства. К. образует
В процессе взаимодействия вещества
Окиси нек-рых металлов, присоединяя
Получение. Существует 3 основных
Химический способ изобретён ранее
Электролизный способ состоит в пропускании
Разделение воздуха является основным
К. можно получать также при разделении
Газообразный К. хранят и транспортируют
Применение. Технический К. используют
Заключённый в баллоны чистый К. используют
К. в металлургии широко применяется
Первые опыты по применению дутья,
К. в мартеновском производстве в
Опыты по применению К. в электросталеплавильных
В ваграночной плавке обогащённое
О значении К. в конвертерном произ-ве
К. в цветной металлургии получил
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
и дыхания издавна привлекали внимание учёных. Первые указания на то, что
не весь воздух, а лишь "активная" его часть поддерживает горение, обнаружены
в кит. рукописях 8 в. Много позже Леонардо да Винчи (1452-1519) рассматривал
воздух как смесь двух газов, лишь один из к-рых расходуется при горении
и дыхании. Окончательное открытие двух главных составных частей воздуха
- азота и К., сделавшее эпоху в науке, произошло только в конце
18 в. (см. Химия, Исторический очерк). К. получили почти
одновременно К. Шееле (1769-70) путём прокаливания селитр
(KNO
произведя
количественный анализ воздуха, нашёл, что он "состоит из двух (газов) различного
и, так сказать, противоположного характера", т. е. из К. и азота. На основе
широких экспериментальных исследований Лавуазье правильно объяснил горение
и дыхание как процессы взаимодействия веществ с К. Поскольку К. входит
в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, т. е. "образующий кислоты"
(от греч. oxys - кислый и gennao - рождаю; отсюда и русское название "кислород").
распространённый хим. элемент на Земле. Связанный К. составляет около "/?
массы водной оболочки Земли - гидросферы (85,82% по массе), почти
половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где К.
находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе)
после
азота.
образуемых им минералов (1364); среди минералов, содержащих К.,
преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и др.), кварц, окислы
железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах в среднем ок. 70% К.;
он входит в состав большинства важнейших органич. соединений (белков, жиров,
углеводов и т. д.) и в состав неорганич. соединений скелета. Исключительно
велика роль свободного К. в биохимич. и физиол. процессах, особенно в дыхании.
За
исключением нек-рых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения
получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счёт окисления
биологического различных веществ с помощью К.
и сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений суши и Мирового
ок., выделяющих К. в процессе фотосинтеза. На земной поверхности,
где протекает фотосинтез и господствует свободный К., формируются резко
окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных
вод, в илах морей и озёр, в болотах, где свободный К. отсутствует, формируется
восстановит, среда. Окислительно-восстановит. процессы с участием
К. определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений
полезных ископаемых - угля, нефти, серы, руд железа, меди и т. д. (см.
Круговорот
веществ). Изменения в круговорот К. вносит и хоз. деятельность человека.
В нек-рых пром. странах при сгорании топлива расходуется К. больше, чем
его выделяют растения при фотосинтезе. Всего же на сжигание топлива в мире
ежегодно потребляется ок. 9-109 т К.
три устойчивых изотопа: 16О, 17О и 18О,
среднее содержание которых составляет соответственно 99,759%, 0,037% и
0,204% от общего числа атомов К. на Земле. Резкое преобладание в смеси
изотопов наиболее лёгкого из них 16О связано с тем, что ядро
атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра,
как следует из теории атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
периодической
системе элементов Менделеева электроны атома К. располагаются на двух
оболочках: 2 - на внутренней и 6 - на внешней (конфигурация Is22s22p4;
см. Лтом). Поскольку внеш. оболочка атома К. не заполнена,
а потенциал ионизации и сродство к электрону составляют соответственно
13,61 и 1,46 эв, атом К. в хим. соединениях обычно приобретает электроны
и имеет отрицательный эффективный заряд. Напротив, крайне редки соединения,
в к-рых электроны отрываются (точнее оттягиваются) от атома К. (таковы,
напр., F
из положения К. в периодич. системе, атому К. в окислах и в большинстве
др. соединений приписывали отрицательный заряд (-2). Однако, как
показывают экспериментальные данные, ион О2- не существует ни
в свободном состоянии, ни в соединениях, и отрицательный эффективный заряд
атома К. практически никогда существенно не превышает единицы.
(О
молекула Оз - озон; при высоких давлениях обнаружены в небольших количествах
молекулы О
структурная формула О = О с двумя двухэлектронными связями (см. Валентность).
Исчерпывающее
объяснение этого факта дано в рамках теории молекулярных орбиталей. Энергия
ионизации молекулы К. (О
составляет
12,2 эв, а сродство к электрону (О
-
0,94 эв. Диссоциация молекулярного
К. на атомы при обычной темп-ре ничтожно мала, она становится заметной
лишь при 1500 °С; при 5000 °С молекулы К. почти полностью диссоциированы
на атомы.
газ, сгущающийся при -182,9 °С и нормальном давлении в бледно-синюю жидкость,
которая при -218,7 °С затвердевает, образуя синие кристаллы. Плотность
газообразного К. (при О °С и нормальном давлении) 1,42897
г/л. Критическая темп-pa К. довольно низка (Ткрит= -118,84 °С),
т. е. ниже, чем у С1
Теплопроводность (приО °С)23,86- 10-3вт/(м-К),т.
е. 57-10-6 кал1(сек-см-°С). Молярная теплоёмкость (при
О °С) в дж/(моль-К) СР = 28,9, С„ = 20,5; в
кал/(моль-°С)
С„
= 6,99, С„ = 4,98; С
(О °С). К. мало растворим в воде: при 20 °С и 1
ат в
1 м3 воды растворяется 0,031 м3, а
при О °С - 0,049 м3 К. Хорошими твёрдыми поглотителями
К. являются платиновая чернь и активный древесный уголь.
хим. соединения со всеми элементами, кроме лёгких инертных газов. Будучи
наиболее активным (после фтора) неметаллом, К. взаимодействует с
большинством элементов непосредственно; исключение составляют тяжёлые инертные
газы, галогены, золото и платина; их соединения с К. получают косвенным
путём. Почти все реакции К. с др. веществами - реакции окисления экзотермичны,
т. е. сопровождаются выделением энергии. С водородом при обычных
темп-pax К. реагирует крайне медленно, выше 550 °С эта реакция идёт со
взрывом: 2Н
углеродом, азотом, фосфором К. взаимодействует при обычных условиях
очень медленно. При повышении темп-ры скорость реакции возрастает и при
нек-рой, характерной для каждого элемента темп-ре воспламенения начинается
горение. Реакция азота с К. благодаря особой прочности молекулы N
N
металла с К. зависит от многих факторов - состояния поверхности металла,
степени измельчения, присутствия примесей (см. Алюминий, Железо, Хром
и
т. д.).
с К. исключительно важна роль воды. Напр., даже такой активный металл,
как калий, с совершенно лишённым влаги К. не реагирует, но воспламеняется
в К. при обычной темп-ре в присутствии даже ничтожных количеств паров воды.
Подсчитано, что в результате коррозии ежегодно теряется до 10% всего
производимого металла.
К., образуют перекисные соединения, содержащие 2 или более связанных между
собой атомов К. Так, перекиси Na
идёт по уравнению: 4NH
значение имеет горение углеводородов (природного газа, бензина, керосина)
- важнейший источник тепла в быту и промышленности, например СН
т. н. конверсия метана, проводимая для получения водорода: 2СН
с двойной или тройной связью, альдегиды, фенолы, а также скипидар, высыхающие
масла и др.) энергично присоединяют К. Окисление К. питательных
веществ в клетках служит источником энергии живых организмов.
способа получения К.: химический, электролизный (электролиз воды) и
физический (разделение воздуха).
других. К. можно получать, напр., из бертолетовой соли КС1Оз, к-рая при
нагревании разлагается, выделяя О
на 1 кг соли. Окись бария ВаО при нагревании до 540 °С сначала поглощает
К. из воздуха, образуя перекись ВаО
получения К. малопроизводителен и дорог, пром. значения не имеет и используется
лишь в лабораторной практике.
постоянного электрич. тока через воду, в к-рую для повышения её электропроводности
добавлен раствор едкого натра NaOH. При этом вода разлагается на К. и водород.
К. собирается около положительного электрода электролизёра, а водород -
около отрицательного. Этим способом К. добывают как побочный продукт при
произ-ве водорода. Для получения 2 м3 водорода и 1 м3К.
затрачивается 12-15 кет-ч электроэнергии.
способом получения К. в современной технике. Осуществить разделение воздуха
в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде
сжижают, а уже затем разделяют на составные части. Такой способ получения
К. наз. разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух
сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется
в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате
чего охлаждается до темп-ры 93 К (-180°С) и превращается в жидкий
воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из
жидкого азота и жидкого К., основано на различии темп-ры кипения его компонентов
[Ткип О
выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается
К. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных
колонн (см. Ректификация), получают жидкий К. нужной чистоты (концентрации).
В СССР выпускают мелкие (на неск. л) и самые крупные в мире кислородные
воздухоразделительные установки (на 35 000 м3/ч К.).
Эти установки производят технологический К. с концентрацией 95-98,5%, технический
- с концентрацией 99,2-99,9% и более чистый, медицинский К., выдавая продукцию
в жидком и газообразном виде. Расход электрической энергии составляет от
0,41 до 1,6 квт-nJM3.
воздуха по методу избирательного проницания (диффузии) через перегородки-мембраны.
Воздух под повышенным давлением пропускается через фторопластовые, стеклянные
или пластиковые перегородки, структурная решётка к-рых способна пропускать
молекулы одних компонентов и задерживать другие. Этот способ получения
К. пока (1973) используется лишь в лабораториях.
в стальных баллонах и ресиверах при давлении 15 и 42 Ми/м2
(соответственно 150 и 420 бар, или 150 и 420 ат), жидкий
К.-в металлич. сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках. Для транспортировки
жидкого и газообразного К. используют также специальные трубопроводы. Кислородные
баллоны окрашены в голубой цсст и имеют чёрную надпись "кислород".
в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной
резке, поверхностной закалке, металлизации и др., а также в
авиации, на подводных судах и пр. Технологич. К. применяют в хим. пром-сти
при получении искусств, жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной
кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, перекисей металлов и др.хим.
продуктов. Жидкий К. применяют при взрывных работах (см. Оксиликвиты),
в
реактивных двигателях и в лабораторной практике в качестве хладагента.
для дыхания на больших высотах, при космич. полётах, при подводном плавании
и др. В медицине К. дают для вдыхания тяжело больным, применяют для приготовления
кислородных, водяных и воздушных (в кислородных палатках) ванн,
для внутримышечного введения и т. п. (см. Кислородная терапия). В. Л.
Василевский, И. П. Вишнев, А. И. Перельман.
для интенсификации ряда пирометаллургич. процессов. Полная или частичная
замена поступающего в металлургич. агрегаты воздуха кислородом изменила
химизм процессов, их теплотехнич. параметры и технико-экономич. показатели.
Кислородное дутьё позволило сократить потери тепла с уходящими газами,
значит, часть к-рых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существ,
участия в хим. процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию
активных реагентов окислительновосстановительной среды. При продувке К.
снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургич. агрегатах
возможно получение новых видов продукции (напр., шлаков и газов необычного
для данного процесса состава, находящих спец. технич. применение) и
др.
обогащённого К., в доменном производстве для выплавки передельного чугуна
и ферромарганца были проведены одновременно в СССР и Германии в 1932-33.
Повышенное содержание К. в доменном дутье сопровождается большим сокращением
расхода последнего, при этом увеличивается содержание в доменном газе окиси
углерода и повышается его теплота сгорания. Обогащение дутья К. позволяет
повысить производительность доменной печи, а в сочетании с газообразным
и жидким топливом, подаваемым в горн, приводит к снижению расхода кокса.
В этом случае на каждый дополнит, процент К. в дутье производительность
увеличивается примерно на 2,5%, а расход кокса снижается на 1 %.
СССР сначала использовали для интенсификации сжигания топлива (в пром.
масштабе К. для этой цели впервые применили на з-дах "Серп и молот" и "Красное
Сормово" в 1932-33). В 1933 начали вдувать К. непосредственно в
жидкую ванну с целью окисления примесей в период доводки. С повышением
интенсивности продувки расплава на 1 м3/т за 1 ч производительность
печи возрастает на 5-10%, расход топлива сокращается на 4-5%. Однако
при продувке увеличиваются потери металла. При расходе К. до 10 м3/т
за
1 ч выход стали снижается незначительно (до 1 % ). В мартеновском
произ-ве К. находит всё большее распространение. Так, если в 1965 с применением
К. в мартеновских печах было выплавлено 52,1% стали, то в 1970 уже 71%.
печах в СССР были начаты в 1946 на з-де "Электросталь". Внедрение кислородного
дутья позволило увеличить производительность печей на 25-30%, снизить удельный
расход электроэнергии на 20-30%, повысить качество стали, сократить расход
электродов и нек-рых дефицитных легирующих добавок. Особенно эффективной
оказалась подача К. в электропечи при произ-ве нержавеющих сталей с низким
содержанием углерода, выплавка к-рых сильно затрудняется вследствие науглероживающего
действия электродов. Доля электростали, получаемой в СССР с использованием
<К.,
непрерывно
растёт и в 1970 составила 74,6% от общего произ-ва стали.
К. дутьё применяется гл. обр. для высокого перегрева чугуна, что необходимо
при произ-ве высококачественного, в частности высоколегиров., литья (кремнистого,
хромистого и т. д.). В зависимости от степени обогащения К. ваграночного
дутья на 30-50% снижается расход топлива, на 30-40% уменьшается содержание
серы в металле, на 80-100% увеличивается производительность вагранки и
существенно (до 1500 °С) повышается темп-pa выпускаемого из неё
чугуна.
см. в ст. Кислородно-конвертерный процесс.
распространение несколько позже, чем в чёрной. Обогащённое К. дутьё используется
при конвертировании штейнов, в процессах шлаковозгонки, вельцевания,
агломерации и при отражательной плавке медных концентратов. В свинцовом,
медном и никелевом произ-ве кислородное дутьё интенсифицировало процессы
шахтной плавки, позволило снизить расход кокса на 10-20%, увеличить проплав
на 15-20% и сократить кол-во флюсов в отд. случаях в 2-3 раза. Обогащение
К. возд. дутья до 30% при обжиге цинковых сульфидных концентратов увеличило
производительность процесса на 70% и уменьшило объём отходящих газов на
30%. Разрабатываются новые высокоэффективные процессы плавки сульфидных
материалов с применением чистого К.:плавка в кислородном факеле, конвертирование
штейнов в вертик. конвертерах, плавка в жидкой ванне и др. с. Г. Афанасьев.
Лит.: Чугаев Л. А., Открытие кислорода и теория горения в связи с философскими
учениями древнего мира, Избр. труды, т. 3, М., 1962, с. 350; Коттон Ф.,
У и лкинсон Дж., Современная неорганическая химия, пер. с англ., т. 1 -
3, М., 1969; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Кислород.
Справочник, под ред. Д. Л. Глизманенко, ч. 1 - 2, М., 1967; Разделение
воздуха методом глубокого охлаждения, под ред. В. И. Епифановой, Л. С.
Аксельрода, т. 1-2, М., 1964; Справочник по физико-техническим основам
глубокого охлаждения, М.- Л., 1963.