Нахождение в природе и методы получения

Электронная конфигурация невозбужденного атома кислород: 1s²2s²2p⁴. Степень окисления кислорода в большинстве соединений –2. Но кислород проявляет степени окисления +2, +4, а также +1 и –1.

Кислород – самый распространенный элемент земной коры. Он присутствует в природе, как в виде простого вещества, так и в составе бесчисленных соединений. Массовая доля кислорода в земной коре составляет » 49%. Кислород входит в состав воды, кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, известняков, мраморов, базальтов, бокситов, гематита и многих других минералов и горных пород, слагающих верхнюю оболочку Земли (известно свыше 1500 минералов, содержащих кислород). В форме простого вещества кислород составляет 21% (по объему) земной атмосферы. Он необходим для жизни, поскольку участвует в процессе дыхания живых организмов. Кислород атмосферы имеет биологическое происхождение и образуется в зеленых растениях из воды при фотосинтезе с участием хлорофилла и энзимов:

Процесс фотосинтеза сложен и многостадийный, включает большое количество промежуточных продуктов.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, толщина атмосферы 1000 км. Атмосфера имеет постоянные составные части: O₂ – 21%, N₂ – 78%, благородные газы 1% (больше аргона). Переменные составляющие – водяные пары, СО₂, продукты жизнедеятельности человека (NO, NO₂, SO₂, CO, углеводороды).

В начальный период жизни атмосфера состояла из углекислого газа, затем на Земле зародилась жизнь в анаэробных формах. Живые организмы начали поглощать СО₂ и выделять О₂ (фотосинтез). Бурно развивается растительность. Постепенно концентрация кислорода увеличивается. Процесс достиг равновесия, которое на сегодняшний день нарушено.

Состоит из трех стабильных изотопов: ¹⁶О (99,759% – мольная доля), ¹⁷О (0,037%), ¹⁸О (0,204%). Получены также искусственные изотопы (10). Все эти изотопы очень короткоживущие, что делает их непригодными для использования в качестве «меченных» атомов. Изотоп ¹⁸О в основном используется в качестве «меченного атома» при изучении механизмов реакций и кинетических исследованиях.

В промышленности кислород получают:

1. фракционированием (ректификацией) жидкого воздуха. Промышленный способ сжижения воздуха основан на процессе расширения сжатого воздуха с совершением внешней работы. Воздух нельзя перевести в жидкое состояние при атмосферном давлении, поэтому для сжижения требуется сильное охлаждение. Для этого воздух сжимают в компрессоре и после предварительного охлаждения разделяют на две части. Одну часть подают в машину для охлаждения, где газ, расширяясь, совершает работу и охлаждается. Этим воздухом охлаждают оставшуюся часть сжатого воздуха, который впоследствии сжижается.

Поскольку азот более летуч (°С), чем кислород (°С), в парах над кипящим жидким воздухом концентрация азота выше, чем кислорода, так что происходит обогащение жидкой фазы кислородом. Фракционную перегонку сжиженного воздуха ведут в установке – двойная колонна, в которой поддерживается два уровня давления.

В результате ректификации в нижней части ректификационной колонны образуется кислород.

2. электролизом воды:

На аноде:

На катоде:

Электролитом служит 30%-ный раствор KOH, катоды железные, аноды никелевые, они разделены асбестовой диафрагмой.

В лаборатории кислород поставляется с производства в стальных баллонах под давлением »15 МПа.

В лабораторных условиях небольшие количества кислород получают:

1. разложением пероксида водорода, используя в качестве катализатора платиновую фольгу:

2. термическим разложением бертолетовой соли (хлората калия):

Прим. Температуру разложения KClO₃ можно понизить до 150 °С введением катализатора оксида марганца (IV) MnO₂. Однако, это приводит к загрязнению кислорода небольшими количествами ClO₂, для поглощения которого используют пероксид бария.

3. термическим разложением перманганата калия:

Прим. В качестве источника кислорода можно использовать смеси некоторых окислителей и восстановителей. Например, таблетки из смеси хлорной извести (72% по массе) и пероксида натрия (28% по массе) в воде самопроизвольно выделяют кислород: