Ки́сень, (також оксиге́нСловники України online / ки́сень; оксиге́н, або оксиґе́н; хімічний знак — O, ) — хімічний елемент з атомним номером 8, що належить до головної підгрупи (або підгрупи кисню) VI групи періодичної системи елементів (16-ї групи за номенклатурою IUPAC), 2-го періоду. Його простими речовинами є гази кисень (O2) та озон (O3). Примітка. В українській мові протягом 1994 — 2019 рр., в рамках реформи хімічної термінології, діяв стандарт ДСТУ 2439-94, згідно з яким хімічний елемент мав назву «Оксиген». З 2019 року назву «Оксиген» скасовано, рекомендовано «кисень» як єдину назву хімічного елемента і найпоширенішої його простої речовини, але дозволено для елемента назву «оксиґен».
Загальний опис
Оксиґен — «той, що породжує кислоту» (грец.)Туріщива Л. В. Хімія. 8-9 класи: Наочний довідник. — К., Х.: Веста, 2007. — 110 с.. Атомний номер кисню — 8; атомна маса — 15,9994. Електронна конфігурація — [He] 2s2 2p4. Кисень утворює сполуки з усіма елементами, крім гелію, аргону та неону. При нормальних умовах кисень — газ, що складається з двоатомних молекул. кисень конденсується в блідо-блакитну рідину, при 54,36 К твердне.
Густина рідкого кисню — 1,144 г/см³; температура плавлення становить −218 °C, температура кипіння становить −183 °C.
З деякими металами кисень утворює пероксиди Me2O2, надпероксиди MeO2, озоніди MeO3, з горючими газами — вибухові суміші.
Елемент кисень займає 3-тє місце після водню та гелію за поширеністю у Всесвіті. Він — найпоширеніший хімічний елемент на Землі — 47 % маси земної кори, 85,7 % маси гідросфери, 23,15 % маси атмосфери, 79 % і 65 % маси рослин і тварин відповідно. За об'ємом кисень займає 92 % об'єму земної кори. Відомо близько 1400 мінералів, які містять кисень, головні з них — кварц, польові шпати, слюда, глинисті мінерали, карбонати. Понад 99,9 % кисню Землі перебуває в зв'язаному стані. Кисень — головний чинник, який регулює розподіл елементів у планетарному масштабі. Вміст його з глибиною закономірно меншає. Кількість кисню в магматичних породах змінюється від 49 % в кислих ефузивах і гранітах до 38-42 % в дунітах і кімберлітах. Вміст кисню в метаморфічних породах відповідає глибині їхнього формування: від 44 % в еклогітах до 48 % в кристалічних сланцях. Максимум кисню — в осадових породах — 49-51 %. Виключну роль в геохімічних процесах відіграє вільний кисень — молекулярний кисень, значення якого визначається його високою хімічною активністю, великою міграційною здатністю і постійним, відносно високим вмістом у біосфері, де він не тільки витрачається, але й відтворюється. Вважають, що вільний кисень з'явився у протерозої внаслідок фотосинтезу.
У гіпергенних процесах кисень — один з основних агентів, він окиснює сірководень і нижчі оксиди. кисень визначає поведінку багатьох елементів: підвищує міграційну здатність халькофілів, окиснюючи сульфіди до рухливих сульфатів, знижує рухливість заліза і мангану, осаджуючи їх у вигляді гідроксидів і зумовлюючи цим їх розділення. У водах океану вміст кисню змінюється: влітку океан віддає кисень в атмосферу, взимку поглинає його. Полярні регіони збагачені киснем. Важливе геохімічне значення мають сполуки кисню, зокрема вода.
Основний промисловий метод отримання кисню — розділення повітря методом глибокого охолодження. Як побічний продукт кисень отримують при електролізі води. Розроблений спосіб отримання кисню методом вибіркової дифузії газів через молекулярні сита. Газ кисень застосовується в металургії для інтенсифікації доменних і сталеплавильних процесів, при виплавці кольорових металів у шахтних печах, бесемеруванні штейнів та ін. (понад 60 % споживаного кисню); як окисник у багатьох хімічних виробництвах; в техніці — при зварюванні і різанні металів; при підземній газифікації вугілля тощо; озон — при стерилізації питної води і дезінфекції приміщень. Рідкий кисень використовують як окисник для деяких різновидів ракетних палив.
Історія VIII ст. — китайський учений Мао — встановив наявність у повітрі газу, який підтримує дихання і горіння. Однак європейці кисень відкрили майже через 1000 років.
У 17 столітті англійський вчений Джон Мейоу провів досліди, з яких він зробив висновок, що якась складова частина повітря (не все повітря) необхідна і для горіння, і для дихання. Він назвав її «селітряно-повітряним спиритом» або «нітро-повітрям» («spiritus igneo-aereus» або «nitro-aereus»). Д. Мейоу встановив, що активна складова повітря, що підтримує горіння і дихання, становить приблизно п'яту частину повітря.Chisholm, Hugh, ed. (1911). «Mayow, John». Encyclopædia Britannica (11th ed.). Cambridge University Press. Відкрили кисень в 1773 році шведський хімік К. В. Шеєле і незалежно від нього в 1774 році — англійський вчений Джозеф Прістлі. Французький хімік Антуан Лавуазьє дав елементу назву і до 1777 року створив кисневу теорію дихання, горіння і окиснення. У вільному вигляді відомий, як молекулярний кисень (O2) та озон (O3).
Видатний шведський хімік К. В. Шеєле у 1771 р. встановив, що повітря складається з кисню й азоту.
Важливим етапом, що сприяв відкриттю кисню, були роботи французького хіміка П'єра Байєна, який опублікував роботи по окисленню ртуті і подальшого розкладання її оксиду.
1774 р. — Дж. Прістлі добув кисень розкладом оксиду ртуті (ІІ). Усе ж головні особи в історії відкриття кисню не К. В. Шеєле і не Дж. Прістлі. Вони відкрили новий газ — кисень, попри це і до кінця своїх років залишаючись ревними захисниками теорії флогістону, яка тривалий час гальмувала розвиток науки. Особливе значення в історії відкриття кисню мають праці А. Лавуазьє. Він (1775 р.) встановив, що кисень — складова частина повітря, створив кисневу теорію горіння (за 200 років вона не тільки не була спростована, а й отримала безліч підтверджень своєї правильності), яка прийшла на зміну теорії флогістону.
У 1898 р. англійський вчений Томпсон, лорд Кельвін, попереджав, що людству загрожує задуха, оскільки в повітря виділяється величезна кількість вуглекислого газу не тільки від дихання, а й від промислових підприємств.
Поширення в природі Кисень — найпоширеніший на Землі елемент, вміст його становить 47 % за масою (здебільшого у формі оксидів), у повітрі (тропосфері) кисню (O2) — 20,93 % за об'ємом, або 23 % за масою. До складу води входить 88,8 м.% кисню, в морській воді — 85,7 м.%. Він входить до складу більшості гірських порід, ґрунтів, а також клітин усіх рослинних і, тваринних організмів. Кисень в цілому становить 30-85 % маси тваринних і рослинних тканин. Він входить до складу білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів тощо. Вільний кисень відіграє велику роль в біохімічних і фізіологічних процесах, зокрема в диханні. При недостатньому постачанні організму тварин і людини киснем розвивається гіпоксія. Зелені рослини і деякі бактерії є джерелом вільного кисню на Землі.
У Всесвіті кисень — третій за поширеністю хімічний елемент після водню й гелію.
Фізичні властивості Кисень — безбарвний газ без запаху і смаку. При температурі -183 °С він скраплюється у рідину голубуватого кольору, яка при -218,7 °С замерзає в синю кристалічну масу. Розчинність кисню у воді невелика і при звичайній температурі становить всього 3,1 см³ в 100 води. У продаж кисень поступає в сталевих балонах під тиском приблизно 150 атм.
Твердий кисень (температура плавлення -218,79 °C) існує у вигляді синіх кристалів. Відомі шість кристалічних фаз, з яких три існують при тиску в 1 атм.: -О2 — існує при температурі нижче 23,65 K; яскраво-сині кристали належать до моноклінної сингонії, параметри комірки = 5,403 Å, = 3,429 Å, = 5,086 Å; = 132,53 °. -О2 — існує в інтервалі температур від 23,65 до 43,65 К; блідо-сині кристали (при підвищенні тиску колір переходить в рожевий) мають ромбоедричну ґратку, параметри комірки = 4,21 Å, = 46,25 °. -О2 — існує при температурах від 43,65 до 54,21 К; блідо-сині кристали мають кубічну симетрію, з періодами решітки = 6,83 Å.
Хімічні властивості
Кисень належить до головної підгрупи шостої групи періодичної системи хімічних елементів. Його порядковий номер 8.
Молекула кисню складається з двох атомів. Хімічний зв'язок ковалентний. Спрощена структурна формула: O=O. Основний стан молекули кисню триплетний, тобто молекула кисню — бірадикал. Два електрони утворюють ковалентний зв'язок, два інші — антизв'язану пару. Цим пояснюється те, що молекулярний кисень парамагнетик.
Існує також високоенергетична синглетна форма молекули кисню. Вона дуже хімічно активна, і швидко реагує з органічними сполуками. Синглетний кисень утворюється в процесі фотосинтезу, та імунною системою. Він також виникає у тропосфері внаслідок фотолізу озону.
Маючи у зовнішній електронній оболонці шість електронів, атоми кисню енергійно приєднують від атомів інших елементів два електрони, яких їм бракує для завершення валентної оболонки, і перетворюються на від'ємні двовалентні іони: O + 2e = O2-
При цьому кисень проявляє свої окиснювальні властивості. Серед усіх хімічних елементів він є одним з найсильніших окисників і поступається в цьому тільки перед фтором. Кисень безпосередньо сполучається з усіма елементами, за винятком інертних газів, галогенів і благородних металів. Хімічна активність кисню зростає з підвищенням температури. 4Na + O2 -> 2Na2O.
Кисень добре розчинний в органічних розчинниках, поглинається тонкими порошками металів, вугілля. Утворює сполуки з усіма елементами, крім гелію, аргону і неону. На основі типів і властивостей кисневих сполук побудована класифікація неорганічних сполук. З металами й неметалами кисень утворює оксиди сполук, з лужними металами, крім літію, — пероксиди. Взаємодія речовин з киснем значно прискорюється при нагрівальній дії електричних розрядів, під тиском, при наявності каталізаторів, особливо води. В суміші з горючими газами й парою, з тонкими порошками багатьох металів й органічних речовин кисень-газ утворює вибухові суміші. Він легко окиснює органічні сполуки. CH3CH2OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O.
Отримання У лабораторіях кисень зазвичай одержують термічним розкладанням деяких пероксидів, солей деяких кисневмісних кислот (наприклад, перманганату калію KMnO4, бертолетової солі KClO3): 2KClO3 = 2KCl + 3O2 ↑
При 368 °C ця сіль плавиться, а близько 400 °C починає розкладатися. У присутності двоокису марганцю MnO2 (каталізатор) температура розкладу знижується і реакція проходить легше.
У промисловості кисень добувають фракційною перегонкою рідкого повітря і електролізом води. З цією метою повітря спочатку скраплюють сильним охолодженням під великим тиском, а потім повільно випаровують з нього азот. Дуже чистий кисень добувають електролізом водного розчину гідроксиду натрію NaOH з застосуванням нікелевих електродів. При цьому на катоді відновлюються катіони водню, а на аноді окислюються гідроксильні аніони з виділенням кисню.
Електродні реакції можна позначити такими рівняннями: Катод(-)| Na+, H2O | 2H2O + 2e- = Н2↑ + 2OH- |x2 Анод(+) | OH-, H2O | 4ОН- — 4e- = O2↑ + 2H2O |x1
4H2O + 4OH- = 2H2 (^) + 4OH- + O2 (^) + 2H2O 2H2O \ = \ 2H2 (^) + O2 (^)
В цілому електроліз водного розчину NaOH зводиться до електролізу води, проте розчин NaOH має кращу, ніж вода, електролітичну провідність, що й зумовлює його використання.
Електролітичним способом кисень одержують і для промислових потреб, зокрема там, де є дешева електрична енергія.
Застосування Кисень повітря має надзвичайно важливе значення для процесів горіння. Спалюючи різні види палива, одержують тепло, яке використовують для задоволення найрізноманітніших потреб, в тому числі для перетворення його в механічну і електричну енергію. За участі кисню повітря згоряє паливо на теплоелектростанціях, пальне у двигунах автомобілів, випалюють металічні руди на заводах кольорової металургії.
Зварювання та різання металів