КИСЛОРОД (лат. Oxygenium) О - химический элемент VI группы периодической си­стемы Менделеева; атомный номер 8, атомная масса 15,9994. Элемент имеет три устойчивых изотопа: ¹⁶О, ¹⁷O, ¹⁸O, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего числа атомов К. на Земле. В свободном состоянии К. встречается в виде двух аллотропных модификаций - «обыкновенного» К. O₂ и озона O₃. При нормальных условиях «обыкновенный» К. газ без цвета и запаха. Трудно назвать другой элемент, который играл бы на нашей планете такую же исключительно важную роль, как К.

Кислород в природе. К. - всюду. В виде соединений он распространён на земной поверхности так, как никакой другой элемент. Он составляет около ⁸/₉ весовых частей воды (88,8 % по массе), которая, в свою очередь, занимает почти ³/₄ земной поверхности. В твёрдой наружной оболочке Земли - земной коре на долю связанного К. приходится 47,0 % по массе или 58 % по числу атомов (это значит, что из каждых 100 атомов земной коры 58 - это атомы  К.).

В главных породообразующих минералах, из которых состоят горные породы, слагающие земную кору, - силикатах и алюмосиликатах, большие по размерам ионы О^2- расположены так плотно, что касаются или почти касаются друг друга. Остальные наиболее распространённые элементы - кремний и алюминий - образуют небольшие ионы (ион Si⁴⁺ - в 3,5 а А1³+ - почти в 3 раза меньше размером, чем О^2-). Такие ионы размещаются в свободном пространстве между ионами О^2- так, что, по некоторым подсчётам, на долю К. приходится свыше ³/₄ объёма земной коры. Результат почти фантастический!

Вместе с азотом и незначительным количест­вом других газов свободный К. O₂ образует атмосферу, где его содержится 23,15 % по массе или 20,95 % по объёму - всего же 1,5^.10¹⁶ т. Несмотря на незначительную растворимость К. в воде, общее количество растворённого в водоёмах свободного К. весьма велико: 1,5^.10¹³ т. Если бы растворённый К. вернулся в атмосферу, то занял бы при нормальных условиях объём свыше 10 млн. км³. Много? Но, как мы видим, это лишь 1 % от общего количества свободного К. в атмосфере! К. в связанном состоянии входит в состав таких биологически важных веществ живых организмов, как вода, белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и др. В целом К. составляет 50-85 % веса животных и растительных тканей.

О роли К. в природе написаны тысячи книг. Ведь все животные и растения дышат кислородом и вне кислородной атмосферы просто не могут существовать (лишь некоторые микроорганизмы, так называемые анаэробы, живут без К.). Вдыхаемый К. окисляет в организмах углеводы и другие вещества, и в этом процессе биологического окисления как раз и выделяется та энергия, которая расходуется затем на все жизненные проявления. К. выполняет на нашей планете и огромную санитарную роль: на первый взгляд покажется странным, что речь идёт здесь об участии К. в процессах ... гниения. Но ведь именно при гниении К. окисляет остатки погибших животных и растений, и в этом процессе в конечном итоге углерод и водород органических соединений превращаются в двуокись углерода и воду. А процессы горения! Они происходили и происходят на Земле и независимо от человеческой деятельности. Что же касается человека, то для него горение топлива издавна служит источником и тепла, и энергии, приводящей в движение машины.

Практически весь свободный К. нашей пла­неты возник и сохраняется благодаря неутомимой работе растений, выделяющих его в процессе фотосинтеза:

6СO₂ + 6Н₂O + 2,83 кдж → С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ → хлорофилл (солнечный свет)

Процессы дыхания   животных и растений, а также гниения и горения действуют в направлении, обратном фотосинтезу, и переводят К. атмосферы в связанное состояние:

С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ = 6СO₂ + 6Н₂O + 2,83 кдж.

Заметим, что общее количество К., которое выделяется растениями нашей планеты при питании - фотосинтезе, несравненно больше того, что потребляет зелёная масса при дыхании. Ежегодно растительный мир Земли возвращает в атмосферу около 400 млрд. т К., причём, по некоторым подсчётам, «львиную долю» его дают морские водоросли и гораздо меньшую - растения суши.

Подсчитано, что если бы фотосинтез прекратился, то в течение 2000 лет весь К. атмосферы был бы израсходован. Все эти и многие другие окислительно-восстановительные процессы с участием К. в живой и неживой природе и составляют кислородом кислорода в природе.

Круговорот кислорода тесно связан с круговоротом углерода - вы убедитесь в этом, изучив рисунок 1 к статье Углерод. Но процессы, идущие в природе с участием кислорода, ещё многообразнее. Вероятно, в круговорот кислорода включены не только внешние сферы Земли - атмосфера, гидросфера, земная кора, но и более глубокая - подстилающая земную кору - мантия.

Сейчас предпринимаются первые попытки «прощупать» вещество мантии - пробурить алмазными бурами скважины в тех местах, где расстояние до мантии минимально. Мощная плавучая буровая установка уже сооружена в Тихом океане. Пройдёт немного времени и в руках исследователей окажется первый столбик (керн) вещества мантии. А тогда представление о круговороте кислорода приобретёт большую законченность и ясность.

Историческая справка. Процессы горения и дыхания издавна привлекали внимание учёных. Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь его «активная» часть поддерживает горение, имеются в китайских рукописях VIII в. Много позже итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи (1452 г.-1519 г.) рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. Позднее к разгадке этой тайны близко подходили и другие учёные. Однако окончательное открытие двух главных элементов воздуха - азота и К., сделавшее эпоху в науке, произошло в конце XVIII в. Элемент К. был почти одновременно получен шведским учёным К. Шееле (1768-1773 гг.) путём прокаливания селитры (KNO₃, NaNO₃) и других веществ и английским - Дж. Пристли (1774 г.) при нагревании окиси ртути HgO. В 1772 г. Д. Резерфорд (Англия) открыл азот. А в 1775 г. знаменитый А. Лавуазье (Франция) провёл количественный анализ воздуха и пришёл к выводу, что он «состоит из двух (газов) различного и, так сказать, противоположного характера», то есть из азота и К. На основе широких экспериментальных исследований Лавуазье дал правильное объяснение горения и дыхания как процессов взаимодействия веществ с К. Поскольку К. входил в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygenium, то есть «образующий кислоты» (от греч. слов «оксюс» - кислый и «геннао» - рождаю); отсюда и русское название «кислород».

Атом и молекула, кислорода. Мы видели, что из трёх природных изотопов К. содержание лёгкого, ¹⁶О, резко преобладает. Это связано с тем, что ядро атома. ¹⁶О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов и его массовое число (16) кратно четырём. Физики установили, что такие ядра обладают особой устойчивостью.

В соответствии с положением К. в периодической системе элементов Менделеева восемь электронов атома О располагаются на двух оболочках: 2 электрона - на более близкой к ядру и 6 электронов - на внешней (полная электронная конфигурация  1s²2s²2p⁴; конфигурация внешних электронов 2s²2p⁴). Принимая на внешнюю оболочку недостающие для её завершения 2 электрона, К. проявляет отрицательную степень окисления. Отрыв электронов с наружной оболочки (что отвечало бы положительной степени окисления) требует такой большой затраты энергии, что при химических реакциях не реализуется. Лишь в исключительных случаях (например, в соединении с фтором OF₂) К., имеет степень окисления +2. Валентность К. в соответствии с числом образуемых им химических связей равна П.

Молекула «обыкновенного» К. двухатомна (O₂).

Физические свойства. При нормальных условиях К. имеет плотность 1,42897 г/л. При -182,9 °С и 760 мм рт. ст. конденсируется в бледносинюю жидкость (плотность 1,13 г/см³), а при -218,7 °С затвердевает, образуя синие кристаллы.

Долгое время К. относили к «постоянным газам», так как При обычной температуре не могли превратить его в жидкость никаким, даже очень высоким давлением. В дальнейшем выяснилось (Д. И. Менделеев, 1861 г., английский химик Т. Эндрюс, 1869 г.), что для каждого газа существует так называемая критическая температура, выше которой одно только увеличение давления неспособно сблизить отдельные молекулы настолько, чтобы газ сконденсировался. Для К. такая температура лежит около -119°С, то есть много ниже, чем для С1₂, СO₂, SO₂ и некоторых других газов, сжижающихся под давлением уже при обычной температуре.

К. сравнительно мало растворим в воде (5 объёмов К. в 100 объёмах воды при 0 °С). Однако азот, аргон и другие газы, входящие, в состав воздуха, за исключением СO₂, растворяются в воде ещё хуже К. Поэтому в воздухе, растворённом в воде, относительное содержание К. повышается.

Химические свойства. К. - активный неметалл. Известны его соединения со всеми элементами, кроме лёгких инертных газов - гелия, неона и аргона. С галогенами, криптоном, ксеноном, золотом и платиновыми металлами К. непосредственно не реагирует, так что соединения его с этими элементами получают косвенным путём. Все остальные элементы способны соединяться с К. непосредственно. Почти все эти процессы - реакции окисления, экзотермичны, то есть сопровождаются выделением энергии. Если реакция идёт достаточно быстро, а энергия выделяется в виде тепла и света, процесс называют горением.

Лёгкость взаимодействия металлов с К. различна. Наиболее активны в таких реакциях щелочные металлы, легко окисляются и щелочноземельные металлы. Взаимодействие зависит и от многих других факторов - состояния поверхности металла, степени его измельчения, присутствия примесей. Так, хром или алюминий в обычных условиях окисляются лишь с поверхности, причём образовавшаяся тонкая плёнка окисла (её называют защитной плёнкой) препятствует дальнейшему окислению. Повышение температуры и уменьшение размеров частиц всегда ускоряют реакцию с К. Железо в обычных условиях окисляется медленно. Но раскалённая докрасна железная проволока горит в кислороде:

3Fe + 2O₂ = Fe₈O₄

Приготовленный же специальным образом железный порошок - пирофорное железо - самовоспламеняется на воздухе уже при обычной температуре.

Исключительно важна и роль воды в процессах окисления. Например, даже такой активный металл, как калий, с совершенно лишённым влаги К. не реагирует, но воспламеняется в нём при обычной температуре в присутствии ничтожных количеств паров воды. Вот случай, когда вода не гасит огонь, а вызывает его!

Подсчитано, что в результате коррозии, то есть окисления металлов на воздухе при совместном действии К. и влаги, ежегодно теряется от 1 до 1,5 % всего металла, извлечённого людьми из недр Земли и воплощённого в изделиях и конструкциях.

Взаимодействие К. с серой, углеродом, азотом, фосфором происходит при обычных условиях очень медленно (скорость реакции существенно зависит и от того, с каким аллотропным видоизменением имеют дело; так, белый фосфор окисляется значительно легче, чем красный). При повышении температуры скорость реакции возрастает, так что при некоторой, характерной для каждого элемента (и для каждой аллотропной модификации), температуре воспламенения начинается горение. Взаимодействие азота с К.:

N₂ + O₂ = 2NO

благодаря особой прочности молекулы N₂ эндотермично (идёт с поглощением энергии) и становится заметным лишь при температуре выше 1200 °С или в электрическом разряде. Большой интерес представляет реакция соединения К. с водородом:

2Н₂ + O₂ = 2Н₂O

К. взаимодействует и со многими сложными веществами. Водородные соединения неметаллов, например сероводород и аммиак, горят в присутствии К.:

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2Н₂O (при избытке К.)

2H₂S + O₂ = 2S + 2Н₂O (при недостатке К.)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6Н₂O (в отсутствии катализатора).

Окисление аммиака кислородом воздуха в присутствии катализатора даёт окись азота NO. На этом основано производство азотной кислоты. А с реакцией окисления метана мы встречаемся повседневно дома. Вспомните, как вспыхивает голубым пламенем газовая горелка. Это горит смесь метана (главная составная часть природного газа) с воздухом, давая желанное тепло:

СН₄ + 2O₂ = СO₂ + 2Н₂O

Взаимодействие К. с другими видами топлива (торф, уголь, керосин, бензин) - по сей день важный источник тепла и энергии в промышленности, на транспорте и т. д.

Получение. Источниками К. в промышленности служат вода и воздух. Из воды К. получают электролизом, причём к воде для уве­личения её электропроводности добавляют NaOH или H₂SO₄, которые практически не расходуются. О выделении К. из воздуха. Хранят и транспортируют газообразный К. в стальных баллонах под давлением 150 атм, а в заводских условиях - в специальных резервуарах (газгольдерах). Жидкий К. хранят и перевозят в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопроводности выкачан воздух.

В небольших количествах К. можно получить разложением перманганата калия при нагревании:

2КMnO₄ = К₂МnO₄ + МnO₂ + O₂

Для этой же цели можно использовать сурик РЬ₃O₄, окись ртути HgO, бертоллетову соль КСlO₃, селитры, например KNO₃. К. выделяется при разложении перекиси водорода, особенно бурно в присутствии катализаторов - мелко раздробленной платины, солей железа и др.:

2Н₂O₂ = 2Н₂O + O₂

Эта реакция в перспективе может быть использована для снабжения водой и К. экипажа космических кораблей. Подсчитано, что 2 кг 95 % Н₂O₂ достаточно, чтобы обеспечить минимальную суточную норму воды и К. одному космонавту. А поскольку разложе­ние Н₂O₂ - процесс экзотермический, выделяющееся тепло (800 ккал/кг) тоже можно использовать.

Очень удобным источником К. служат пере­киси щелочных металлов. Так, на советских кораблях-спутниках «Восток» и «Восход» необходимый для дыхания К. получали по реакции:

4КO₂ + 2Н₂O = 4КОН + 3O₂

Выделяющаяся при дыхании СO₂ одновременно поглощалась гидроокисью щелочного металла:

2КОН + СO₂ = К.СО, + Н₂O

Суммарное уравнение:

4КO₂ + 2СO₂ = 2К₂СO₃ + 3O₂

Применение. Мировое промышленное потребление К. составляет около 100 тыс. т в день. Известно, что в производстве чугуна и стали в конвертеры, доменные и мартеновские печи вдувается воздух. Однако для металлургических процессов необходим лишь К. Азот воздуха «разбавляет» К., уменьшает скорость реакций, уносит с собой значительное количество тепла. В конвертерной выплавке стали азот попросту вреден, так как поглощается металлом, снижая его качество. Вот почему даже небольшое обогащение воздуха кислородом (до 25-30 %) ускоряет металлургические процессы, повышает производительность аппаратуры и качество металла, снижает расход сырья. К. или обогащенный им воздух применяют также при обжиге сульфидных руд в производстве меди, никеля, свинца.

Высокая температура, развивающаяся при горении ацетилена в К. (около 3000 °С), используется для сварки и резания стальных изделий. Если нагреть сталь до достаточно высокой температуры, а затем направить на нагретую поверхность струю чистого К., металл горит. Перемещая струю К., удаётся разрезать листы из стали и других металлов и сплавов. Жидкий К. используют как окислитель топлива в ракетных двигателях. Пропитанные жидким кислородом угольный порошок, древесные опилки и другие вещества (такие смеси называются оксиликвитами) применяют при взрывных работах.

К. нужен и в медицине: в концентрации 40- 95 % им дают дышать при заболеваниях сердца и лёгких. В ряде случаев К. вводят под кожу или дают больным воду, газированную им под давлением. «Тяжёлый» К. ¹⁸О применяется в качестве «меченого атома» в научных исследованиях.

К. используют в многочисленных технологических процессах химической промышленности.

Можно ли из 110 известных нам элементов считать какой-либо «главным»? В известном смысле - да. В космосе это - водород, первый по распространённости элемент Вселенной.

С него начинаются эволюция звёзд и ядерный синтез более тяжёлых элементов. В условиях нашей планеты главная роль принадлежит К. И не случайно ещё 150 лет назад известный шведский химик Я. Берцелиус сказал: «Кислород является центром, вокруг которого врашается вся химия».