Кислород в природе и в химической лаборатории

Воздух – это смесь газов. Около 4/5 (78%) его объема состав­ляет азот. Далее следует кислород. Чуть более 1/5 (примерно 21%) всех составляющих воздух частиц – это молекулы кисло­рода. Остальные газообразные вещества, входящие в состав воздуха (в основном аргон), составляют около 1% его объема. Кроме того, в воздухе присутствует водяной пар, содержание которого варьируется от 0,1% до 4%.

Чистый воздух прозрачен, бесцветен, не имеет вкуса и запаха. Следовательно, такими же свойствами обладают и его основные компоненты – кислород и азот.

Из всех газов, входящих в состав воздуха, самым важным яв­ляется кислород. Он состоит из двухатомных молекул O₂ и необходим для дыхания как животным, так и растениям.

Азот, подобно кислороду, состоит из двухатомных молекул N₂. В отличие от кислорода, азот в виде простого вещества хи­мически малоактивен. Его молекулы чрезвычайно ус­той­чивы, так как атомы в них соединены тремя ковалентны­ми связями, то есть существует устойчивая тройная связь. Поэтому при обычных условиях молекулы азота с большин­ством веществ, за исключением единичных случаев, не взаи­мо­действуют. Вдыхаемый с воздухом азот живыми организ­ма­ми не используется и при выдохе выделяется в неизмен­ном виде.

Содержание углекислого газа CO₂ в воздухе относительно мало – около 0,04%. Тем не менее для жизни на Земле он игра­ет значительную роль. Под действием солнечной энер­гии в зеленых растениях протекает фотосинтез, в ходе кото­ро­го из углекислого газа и воды образуются органи­чес­кие вещества (глюкоза и др.) и выделяется кислород. Ученые считают, что весь свободный кислород, находящийся в атмо­сфере Земли, образовался именно в результате фотосинтеза.

Отношение плотностей различных газов равно отношению их молекулярных масс. Используя данные таблицы, можно сравнить плотность основных компонентов воздуха с плот­нос­тью самого воздуха. Из таблицы видно, что чистый кисло­род немного тяжелее азота и, следовательно, тяжелее возду­ха.

Плотность воздуха и его компонентов (при нормальных условиях, давление 1 атм., температура 0 ℃)

Кислород встречается в природе не только в виде простого ве­щества, но и в составе множества соединений. По числу ато­мов кислород – самый распространенный химический эле­мент в земной коре, где более половины всех атомов явля­ются атомами кислорода. На его долю приходится чуть мень­ше половины общей массы земной коры.

Одним из самых распространенных и важных соединений кислорода является вода H₂O. Ею покрыта большая часть поверхности земного шара. Песок и многие горные породы тоже состоят из соединений кислорода (основная составная часть песка – диоксид кремния SiO₂). Кислород содержится и во многих органических веществах (углеводах, белках, жирах и др.), из которых состоят живые организмы.

Для дыхания и поддержания реакций горения вполне доста­точно кислорода, содержащегося в воздухе. Однако в некото­рых случаях необходим чистый кислород: например, в меди­ци­не, в определенных производственных процессах, на под­вод­ных лодках, космических станциях и др. В промышлен­но­сти кислород получают в основном путем фракци­он­ной перегонки жидкого воздуха (этот метод основан на раз­личии температур кипения жидкого азота и кислорода). Но самый чистый кислород получается при электролизе во­ды.

Чистый кислород можно получить и в школьной лаборато­рии при электролизе воды или при разложении малоустой­чи­вых кислородсодержащих веществ (например, KMnO₄, H₂O₂ и др.).

Чтобы выделяющийся кислород не рассеялся, его надо со­брать в стоящий вертикально сосуд. Поскольку чистый кис­ло­род тяжелее воздуха, он вытеснит оттуда более легкий газ (азот). Для того, чтобы избежать потерь собранного кислоро­да, необходимо неплотно накрыть сосуд бумагой или ватным тампоном.

Более чистый кислород можно собрать методом вытеснения воды. Для этого выделяющийся кислород надо направить в перевернутый сосуд с водой. Когда сосуд заполнится, его под водой нужно закрыть пробкой или пластинкой, затем вынуть из воды и перевернуть вверх горлом.

Кислород довольно легко распознать, зная, что в чистом кис­ло­роде вещества горят быстрее и интенсивнее, чем в воздухе. Для распознавания кислорода в сосуд с исследуемым газом вводят тлеющую лучинку. В кислороде лучинка вспыхивает и загорается ярким пламенем.