Элемент: кислород (Oxygenium)
Химический символ: O
Порядковый номер: 8
Год открытия: 1771-1777
Стандартная атомная масса: 15.99903
Температура плавления: 54.36 К
Температура кипения: 90.188 К
Плотность при стандартных условиях: 1.429 г/л
Скорость звука в кислороде: 330 м/с (газ при 27 °C)
Число стабильных изотопов: 3
Кристаллическая решётка: кубическая
Если говорить о важности химических элементов, входящих в состав белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, то лидера выбрать довольно сложно. Но на первое место можно по праву поставить кислород – ведь мы им дышим.
Во Вселенной кислород (в первую очередь, его «дважды магический» – восемь протонов и восемь нейтронов – изотоп 16О) – самый распространённый элемент после водорода и гелия (в земной коре он вообще самый распространённый – 49,2% по массе, не говоря уже об атомарном вкладе – и неудивительно, все оксиды и силикаты, а также сульфаты и фосфаты содержат в себе по одному, а чаще – по несколько атомов кислорода на «условную молекулу»).
Забавно, но поскольку астрономы не считают за металл только эти два элемента, то кислород во вселенском масштабе – самый распространённый металл.
Как же он образуется? У кислорода – три стабильных изотопа. «Шестнадцатый» образуется в звёздах как побочный продукт так называемого «тройного альфа-процесса». Сначала две альфа-частицы соединяются, образуя нестабильный бериллий-8:
4Не+4Не = 8Be
Затем к бериллию присоединяется еще одна альфа-частица, образуя стабильный углерод-12, который дальше участвует в CNO-цикле, который мы подробно описали, рассказывая про азот.
8Ne+4He=12C
Таким образом, суммарно в тройном альфа-процессе три ядра атома гелия «собираются» в один углерод. Однако иногда бывает так, что гелию мало «сообразить на троих», и присоединяется еще одна альфа-частица. Так образуется кислород-16:
12С+4Не=16С
Тройной альфа-процесс
Остальные стабильные изотопы кислорода, 17О и 18О, образуются в СNO-процессе.
К слову сказать, нестабильных изотопов у кислорода очень много: четырнадцать. От 12О до 24О. Из них только 14О и 15О «живут» сколько-нибудь значимое время: 70,6 и 122,2 секунды соответственно.
Михал Сендзивой
Ответить на вопрос о том, кто открыл кислород, сложно. Понимание, что в воздухе содержится некий газ, который нужен и для горения, и для дыхания, возникло еще в XVII веке. Еще до 1604 года польский алхимик Михал Сендзивой смог выделить из воздуха некую субстанцию, которую назвал «пищей для жизни». Более того, он смог показать, что эта субстанция вроде бы как совпадает с той, что выделяется при термическом разложении нитрата калия. Но его работы не заметили, хотя современная польская история науки, разумеется, считает Сендзивоя первооткрывателем кислорода.
Этот успех был развит в первую очередь благодаря работам британского химика и врача Джона Мейоу, который прожил всего 39 лет, но успел поставить во второй половине XVII века ряд классических опытов.
Джон (Иоганнес) Мейоу
Главным элементом экспериментов Мейоу был стеклянный колпак, который отделялся от остальной атмосферы слоем воды. Когда под него вносилась горящая свеча, то через какое-то время он гасла – и больше ничего зажечь под колпаком не получалось. Та же самая история была и с мышью: какое-то время она под колпаком жила, а затем умирала. А если одновременно под колпак помещали и мышь, и свечу, то и свеча гасла вдвое быстрее, и мышь жила вдвое меньше.
Иллюстрации опытов Мейоу
Англичанин сделал вывод: в воздухе присутствует какой-то компонент, который одинаково нужен как для дыхания, так и для горения (более того, Мейоу решил, что через легкие этот компонент попадает в кровь – абсолютно пророчески). Мейоу, видимо, знал о работах Сендзивоя, поскольку сам назвал эту необходимую субстанцию «огненно-воздушным духом» (spiritus igneo-aereus) или «нитро-воздухом» (nitro-aereus). Более того, именно Мейоу сумел определить, что «нитро-воздуха» в воздухе около 20 процентов.
Джозеф Пристли
Но обычно считают, что открытие кислорода состоялось в 1770-х годах, силами трех химиков – шведа Карла Шееле, британца Джозефа Пристли и француза Антуана Лавуазье.
Если разбирать хронологически, то Шееле получил кислород нагреванием оксида ртути и разнообразных нитратов в 1771-1772 годах. Он назвал газ «огненным воздухом» и описал свои работы в трактате «Лечение воздухом и огнем», который неспешно отослал издателю в 1775 году, так что тот увидел свет только в 1777. Пристли получил кислород (который он назвал дефлогистинированным воздухом) нагреванием оксида ртути в стеклянной трубке посредством увеличительного стекла лишь 1 августа 1774 года, но опубликовал свою работу быстрее – она вышла в 1775 году, и именно поэтому Пристли во многих справочниках называется первооткрывателем кислорода.
Антуан Лавуазье
Но не менее важный вклад сделал Антуан Лоран Лавуазье – именно он в 1777 году сумел показать, что кислород представляет собой именно отдельный элемент (впрочем, перед этим он встречался с Пристли, который рассказал ему, что не весь воздух участвует в горении). Лавуазье в своих опытах показал, что кислород не поддерживает горение, а участвует в нем: Лавуазье смог точно измерить массу кислорода, который нужен был для получения оксида, а затем показать, что ровно на такую же массу увеличивается масса вещества после горения. Процитируем «Популярную библиотеку химических элементов»:
«Лавуазье наблюдал образование красных чешуек «ртутной окалины» и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7 г «ртутной окалины» и получил 2,5 г ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения».
Так одновременно было завершено открытие кислорода – и одновременно завершен разгром теории флогистона, некоей субстанции, заключенной в горючих веществах и выделяемой из них при горении (ну и еще заново подтверждена такая мелочь, как закон сохранения массы).
Рауль-Пьер Пикте
Дальнейшая история кислорода – это история его сжижения. Здесь тоже было очень интересно. В декабре 1877 года два ученых с двойными именами и с разницей в два дня – швейцарец Рауль-Пьер Пикте и француз Луи-Поль Кайете – заявили о том, что им удалось получить жидкий кислород. Правда, в обоих случаях получилось всего несколько быстро испарившихся капель и никаких их свойств измерить не удалось. Пришлось ждать поляков из Ягеллонского университета, Сигизмунда Вроблевского и Кароля Ольшевского, которые смогли получить стабильный жидкий кислород в тот же год, что и жидкий азот – 29 марта 1883 года. А в 1891 году скотт Джеймс Дьюар смог получать (и хранить в сосудах Дьюара) достаточное количество голубоватой жидкости для исследований.
Установка Карете для ожирения газов
К слову, лирическое отступление о жидком кислороде. Помимо голубого цвета, он обладает еще и парамагнитными свойствами. Так что некоторое время жидкий кислород можно удерживать между полюсами сильного магнита вопреки гравитации.
Стакан жидкого кислорода
Как только жидкий кислород смогли получать в значимых количествах, его затребовала промышленность и военные. В первую очередь – как окислитель. Например, первая в мире ракета с жидкостным реактивным двигателем Роберта Годдарда полетела именно на жидком кислороде в качестве окислителя. Им же окислялось топливо знаменитой «Фау-2» – первой ракеты, вышедшей в космос.
Роберт Годдард со своей первой ракетой
В получении жидкого кислорода сыграл важнейшую роль наш соотечественник, нобелевский лауреат Петр Леонидович Капица. Обычно считается, что свою «Нобелевку» он получил только за открытие сверхтекучего гелия. Однако формулировка его половины Нобелевской премии 1978 года (вторую половину получили Пензиас и Вильсон за открытие реликтового излучения) звучит иначе: «За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Заметьте, первым идет «за изобретения». И это не зря: Капица изобрел революционный турбодетандер – турбинное устройство, которое охлаждает кислород за счет механической работы, которые совершают молекулы кислорода, вращая турбину. Мало кто сейчас знает, что в годы войны турбодетандеры Капицы обеспечили всю промышленность СССР жидким кислородом, а сам он был главой Главкислорода (должность, равная министерской), получив за свои работы в годы войны звание Героя Социалистического Труда.
Пётр Леонидович Капица
Твердый кислород не менее интересен, чем жидкий. Хотя бы потому, что известно минимум шесть фаз твердого кислорода, три из которых существуют при нормальном давлении. Многие открытия в этой области были сделаны уже после выхода книги «Популярная библиотека химических элементов».
α-О2 — существует при температуре ниже 23,65 K; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии кристаллической решетки.
β-O2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 K; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку.
γ-O2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 K; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию.
δ-O2 — существует в интервале температур 20—240 K и давлениях в 6—8 ГПа, представляет собой оранжевые кристаллы.
ε-фаза уже не содержит бинарных молекул, в ней наблюдаются молекулы O4 (по данным инфракрасной спектроскопии) или O8 (по данным рентгеноструктурного анализа). Эта фаза существует при давлении от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного, моноклинная сингония.
ζ-On появляется при давлении более 96 ГПа, это уже металлическое состояние кислорода, открытое в 1990 году, с характерным металлическим блеском, при низких температурах (ниже 0,6 К) переходит в сверхпроводящее состояние.
Ну и, конечно, все мы хорошо знакомы с аллотропной модификацией кислорода – газом О3. Слово «озон» происходит от греческого öξω – пахну. Мы, кстати, еще вспомним это слово, когда поговорим об осмии. Запах озона хорошо знаком всем, кто присутствовал при коротком замыкании: озон образуется при пропускании электрического разряда через воздух. Его открыл нидерландский физик и ботаник Мартин Ван Марум всего через семь лет после работ Лавуазье. Кстати, жидкий озон очень красив – он представляет собой жидкость цвета индиго.
Шум на тему озонового слоя и озоновой дыры все помнят – и тема о том, насколько были виновны в ней фреоны, до сих пор обсуждается и в науке, и в прессе.
Самый сложный разговор – о применении кислорода и о его химии. Конечно же, каждый из нас применяет его еще до рождения – мы им дышим. Но о том, как это происходит, мы поговорим, когда дело дойдет до железа (равно как и разговор о том, как растения производят кислород, мы отложим до главы о магнии). Конечно же, главная химия и биохимия кислорода – это окисление. Именно на окислительных свойствах кислорода построена целая отрасль биологии – редокс-биология, давно уже переросшая биологию активных форм кислорода в живых организмах.
Кислород используют везде: «выжигая» углерод в чугуне, получают сталь. Окисляя все и вся, озон прекрасно дезинфицирует воздух. Радиозотоп 15О используют в позитронно-эмиссионной томографии, а пищевая добавка E948 используется в пищевой промышленности как пропеллент (распылитель, например, взбитых сливок). Кислородная терапия, перекись водорода (привет блондинкам 50-х), сварка и резка металлов – ацетилен-кислородная сварка известна с 1901 года (кстати – только что представитель России впервые взял золото по искусству сварки на чемпионате Euroskills-2018 в Будапеште). Кислород – жизнь, и кислород – смерть.
Дыхание и горение, уроборос восьмого элемента продолжает кусать свой хвост.
Текст: Алексей Паевский
