На каких свойствах основано применение кислорода
Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации – 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.
Распространенность элемента
Содержание кислорода в земной коре составляет практически 50%. Он находится в различных минералах в виде оксидов и солей.
В связанном виде кислород входит в химический состав воды – его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ – растений и животных.
В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона – О3.
Физические свойства
Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения – 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.
Химические свойства
При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды – соединения элементов с кислородом. Химическая реакция, в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.
Например,
4Na + О2= 2Na2O
S + О2 = SO2
Некоторые из сложных веществ также вступают в реакцию с кислородом, тоже образуя при этом оксиды:
СН4 + 2О2= СО2 + 2Н2О
2СО + О2 = 2СО2
Если какое-либо вещество медленно реагирует с кислородом, то такое окисление называется медленным. Например, это процессы разложения пищевых продуктов, гниение.
Получение кислорода
Этот химический элемент можно получить как в лаборатории, так и на промышленном предприятии.
Получение кислорода в лаборатории проводится несколькими способами:
1. С помощью реакции разложения бертолетовой соли (хлората калия).
2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.
3. Через разложение перманганата калия.
Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:
1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота – 44% и жидкого аргона – 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота – минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.
Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.
2. Электролиз воды также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.
Применение кислорода
Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе дыхания растениями, животными и людьми.
Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.
В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах – например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется оксид углерода. При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.
Источник
Кислород – химический элемент VI группы периодической системы Менделеева и самый распространенный элемент в земной коре (47% от ее массы). Кислород является жизненно важным элементом почти всех живых организмов. Более подробно о функциях и применении кислорода в этой статье.
Общие сведения
Кислород представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который плохо растворяется в воде. Он входит в состав воды, минералов, горных пород. Свободный кислород образуется благодаря процессам фотосинтеза. Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека. Прежде всего кислород необходим для дыхания живых организмов. Также он принимает участие в процессах разложения погибших животных и растений.
Воздух содержит около 20,95% по объему кислорода. В гидросфере содержится почти 86% по массе кислорода.
Кислород был получен одновременно двумя учеными, но сделали они это независимо друг от друга. Швед К. Шееле получил кислород при прокаливании селитры и других веществ, а англичанин Дж. Пристли – при нагревании оксида ртути.
Рис. 1. Получение кислорода из оксида ртути
Применение кислорода в промышленности
Области применения кислорода обширны.
В металлургии он необходим для производства стали, которую получают из металлолома и чугуна. Во многих металлургических агрегатах для лучшего сжигания топлива используют воздух, обогащенный кислородом.
В авиации кислород используется как окислитель топлива в ракетных двигателях. Также он необходим для полетов в космос и в условиях, где нет атмосферы.
В области машиностроения кислород очень важен для резки и сварки металлов. Чтобы расплавить металл нужна специальная горелка, состоящая из металлических труб. Эти две трубы вставляются друг в друга. Свободное пространство между ними заполняют ацетиленом и зажигают. Кислород же в это время пускают по внутренней трубке. И кислород и ацетилен подаются из баллона под давлением. Образуется пламя, температура в котором достигает 2000 градусов. При такой температуре плавится практически любой металл.
Рис. 2. Ацетиленовая горелка
Применение кислорода в целлюлозно-бумажной промышленности очень важно. Он используется для отбеливания бумаги, при спиртовании, при вымывании лишних компонентов из целлюлозы (делигнификация).
В химической промышленности кислород используется в качестве реагента.
Для создания взрывчатых веществ необходим жидкий кислород. Жидкий кислород производится путем сжижения воздуха и последующего отделения кислорода от азота.
Применение кислорода в природе и жизни человека
Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека и животных. Свободный кислород существует на нашей планете благодаря фотосинтезу. Фотосинтез – это процесс образования органического вещества на свету с помощью углекислого газа и воды. В результате этого процесса образуется кислород, который необходим для жизнедеятельности животных и человека. Животные и человек потребляют кислород постоянно, растения же расходуют кислород только ночью, а днем производят его.
Применение кислорода в медицине
Кислород находит применение и в медицине. Особенно актуально его использование при затрудненном дыхании во время некоторых заболеваний. Он применяется для обогащения дыхательных путей при туберкулезе легких, а также используется в наркозной аппаратуре. Кислород в медицине используется для лечения бронхиальной астмы, болезней желудочно-кишечного тракта. Для этих целей используют кислородные коктейли.
Также большое значение имеют кислородные подушки – прорезиненная емкость, заполненная кислородом. Она служит для индивидуального применения медицинского кислорода.
Рис. 3. Кислородная подушка
Что мы узнали?
В данном сообщении, которое охватывает тему «Кислород» по химии 9 класса кратко даны общие сведения о свойствах и применении этого газа. Кислород крайне важен для машиностроения, медицины, металлургической области и т.д.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 358.
Источник
Кислород действительно нужен «на земле и под землею» и вообще «всюду, где народ», например в космических кораблях. Первооткрыватель кислорода Дж. Пристли предугадал одно из важных применений элементного кислорода — в медицине. «Он может быть очень полезен при некоторых тяжелых болезнях легких, когда обычный воздух не может достаточно быстро удалять флогистонированные испорченные испарения».
Кислород применяется в лечебной практике не только при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание. Подкожное введение кислорода оказалось эффективным средством лечения таких тяжелых заболеваний, как, например, гангрена, слоновость, трофические язвы.
Не менее важен элемент № 8 и для промышленности. Обогащение воздуха кислородом делает эффективнее, быстрее, экономичнее многие технологические процессы, в основе которых — окисление. А таких процессов — много. На них пока держится почти вся тепловая энергетика. Превращенпе чугуна в сталь тоже невозможно без кислорода. Именно кислород «изымает» из чугуна избыток углерода.
Замена воздушного дутья «кислородным» (в мартеновскую печь или конвертор обычно подается не чистый кислород, а воздух, обогащенный кислородом) намного увеличивает производительность сталеплавильных агрегатов. Одновременно улучшается и качество стали.
При замене обычного воздуха смесью 35% кислорода и 65% азота расход кокса в процессе выплавки ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, феррофосфора) снижается почти в два раза, а производительность печи возрастает более чем вдвое.
Сейчас в нашей стране черная металлургия поглощает более 60% получаемого кислорода. Нужен кислород и в цветной металлургии. Так, при выплавке свинца на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате дутье, обогащенное кислородом до 30—31%, в свое время помогло снизить расход топлива более чем на треть, а флюсов — вдвое, что дало многомиллионную экономию.
При сжигании водорода в токе кислорода образуется весьма обыкновенное вещество — Н20. Конечно, ради получения этого вещества не следовало бы заниматься сжиганием водорода (который, кстати, часто именно из воды получают). Цель этого процесса иная, она будет ясна, если ту же реакцию записать полностью, учитывая не только химические продукты, но и энергию, выделяющуюся в ходе реакции:
Н2+0,5О2=Н2О+68 317 кал.
Почти семьдесят больших калорий на грамм-молекулу! Так можно получить не только «море воды», но и «море энергии». Для этого и получают воду в реактивных двигателях, работающих на водороде и кислороде.
Та же реакция используется для сварки и резки металлов. Правда, в этой области водород можно заменить ацетиленом. Кстати, ацетилен все в больших масштабах получат именно с помощью кислорода, в процессах термоокислительного крекинга:
6СН4+402→НС=СН+8Н2+ +ЗСО+С02+ЗН20
Это только один пример использования кислорода в химической промышленности. Элемент № 8 нужен для производства многих веществ (достаточно вспомнить об азотной кислоте), для газификации углей и мазута… На нужды этой отрасли расходуется немало кислорода.
Любое пористое горючее вещество, например опилки, будучи пропитанными голубоватой холодной жидкостью — жидким кислородом, становится взрывчатым веществом. Такие вещества называются оксиликвитами и в случае необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений.
Ежегодное мировое производство (и потребление) кислорода измеряется миллионами тонн. Не считая кислорода, которым мы дышим. Попытки создать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались еще в прошлом веке во многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция огромного размера»…
Особенно быстрое развитие кислородной промышленности началось в годы Великой Отечественной войны, после изобретения академиком П. Л. Капицей турбодетандера и создания мощных воздухразделительных установок.
Еще Карл Шееле получал кислород по меньшей мере пятью способами: из окиси ртути, сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. На подводных лодках и сейчас получают кислород, разлагая богатые этим элементом хлораты и перхлораты. В любой школьной лаборатории демонстрируют опыт — разложение воды на кислород и водород электролизом. Но ни один из этих способов не может удовлетворить потребности промышленности в кислороде.
Энергетически проще всего получить элемент № 8 из воздуху 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 минус 196° С. Можно сказать, что проблема получения кислорода — это проблема получения холода.
Чтобы получать холод с помощью обыкновенного воздуха, последний нужно сжать, а затем дать ему расшириться при этом заставить его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами.
До 1938 г. для получения жидкого воздуха пользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер — это аналог паровой машины, только работает в нем не пар, а сжатый воздух.
Чтобы получить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм, причем по неизбежным техническим причинам на разных стадиях процесса давление было не одинаковым: от 45 до 200 атм. К.п.д. установки был немногим выше,чему паровой машины. Установка получилась сложной, громоздкой, дорогой.
В конце 30-х годов советский физик академик П. Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея — не новая, ее еще в конце прошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин для ожижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневых детандерах.
Капица создал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил.
Такая конструкция турбины позволила поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.
Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у вас, но и во всем мире.
Первый опытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил всего 250 г. Но, как писал П. Л. Капица в 1939 г., «экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он является надежный и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79—0,83», И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.
В 1942 г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, которая производила до 200 кг жидкого кислорода в час. В конце 1944 г. вводится в строй самая мощная в мире турбокислородная установка, производящая в 6—7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3—4 раза меньшую площадь.
В наши дни быстро растет потребность в кислороде многих отраслей промышленности, в первую очередь металлургии. Соответственно растут мощности воздухоразделительных установок. А источник кислорода один — атмосфера.
Статья на тему Кислород применение
Источник
Газообразный кислород сегодня в промышленных масштабах получают из атмосферного воздуха.
Его производство актуально и востребовано в наши дни. Существует специальное оборудование,
которое позволяет получать кислород в необходимых объемах. В условиях лаборатории газообразный
(а затем и жидкий) кислород наиболее часто получают, используя возможности электролиза водных
растворов щелочей. Также существует еще один способ получения небольшого количество
кислорода — взаимодействие подкисленного раствора пероксида водорода и раствора перманганата калия.
Газообразный кислород сегодня востребован во множестве профессиональных видов деятельности человека.
Сферы применения кислорода
Основные химические свойства кислорода:
- способствует протеканию процессов дыхания, горения, гниения;
- является сильным окислителем, но не воздействует на Au и Pt;
- взаимодействует со всеми HeMe, кроме галогенов, за исключением F.
Такие характеристики данного газа обусловили его использование сегодня в самых разнообразных
технологических процессах. Любое оборудование для проведения
газопламенных работ не может функционировать без кислорода. К газопламенным работам относятся:
- пайка металлов,
- газовая сварка,
- резка металла.
В металлургической промышленности использование газообразного кислорода позволяет ощутимо повысить эффективность производства.
Кислород технический в работе с металлом востребован в достаточно значительной степени.
Без его использования многие виды работ попросту невозможны. Так, кислород технический позволяет
повысить температуру горения. Он широко используется в производстве цветных и черных металлов.
Также он широко применяется в химической, нефтехимической и нефтегазовой промышленности. Применение кислорода
помогает повысить производительность предприятий, занимающихся выращиванием рыбы и морепродуктов. В стекольной промышленности и при
утилизации отходов данный газ также востребован.
Кислород участвует в окислительно-восстановительных реакциях, широко применяется в медицине.
Медицинский кислород востребован в медицинских учреждениях.
Так, аппараты искусственного дыхания используют медицинский кислород
в чистом виде или же в качестве одной из составляющих воздушной смеси. Современное оборудование
помогает производить сложнейшие операции и восстанавливать человеческое здоровье, казалось
бы, в безнадежных ситуациях.
Жидкий кислород удобен в хранении на складе и транспортировке. Перед использованием его извлекают со склада и
посредством специального процесса газификации жидкий кислород переводят в газообразное состояние.
Справка
Кислород — химический элемент с атомным номером 8, обозначающийся символом О, а также вещество (газ при нормальных условиях),
молекула которого состоит из двух атомов кислорода (O2). Кислород является самым лёгким элементом из группы халькогенидов (6 группа периодической системы).
История открытия
Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 путём разложения оксида ртути в герметично закрытом
сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).
2HgO (t) → 2Hg + O2↑.
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха
(и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье.
Несколькими годами ранее (возможно, в 1770-м) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и
затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге
(именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода).
Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Петра Байена, который опубликовал работы
по окислению ртути и последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела
громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.
[Лавуазье провел опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы
превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества,
в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теории флогистона.]
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Происхождение названия
Название oxygenium («кислород») происходит от греческих слов, обозначающих «рождающий кислоту»; это связано с первоначальным значением термина «кислота».
Ранее этим термином называли оксиды.
Нахождение в природе
Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4 % массы
твердой 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) в воздухе массовая доля кислорода состовляет 23,12 % . Элемент кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры.
Получение
В настоящее время в промышленности жидкий кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства,
поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Важнейшим лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов
щелочей. Небольшие количества кислорода можно также получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида
водорода.
Физические свойства
Газ без цвета, вкуса и запаха. Растворим в воде, причем растворяется тем лучше, чем ниже ее температура.
Поэтому плотность живых организмов в холодных приполярных водах может быть значительно выше, чем в теплых экваториальных.
Химические свойства
- Сильный окислитель, но не окисляет Au и Pt
- Взаимодействует со всеми HeMe, кроме галогенов, за исключением F
- Поддерживает процессы дыхания, горения, гниения
Биологическая роль кислорода
Кислород участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Живые существа дышат кислородом воздуха.
Широко используется кислород в медицине. При сердечнососудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов,
в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах,
слоновости, гангрене. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном.
Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.
Токсические производные кислорода
Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, перекись водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал,
являются высокотоксичными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал),
перекись водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.
Источник