Привет. Сегодня мы поговорим об одном из самых распространённых элементов во Вселенной, в ядре атома которого 8 протонов. Это кислород.
Знаете ли вы, что название этого элемента абсолютно не соответствует свойствам кислорода? И что в определённых концентрациях он токсичен? Или что он не всегда прозрачен в чистом виде? Давайте поговорим об этом и не только в нашем сегодняшнем материале.
В предыдущих статьях мы уже говорили о попытках химиков XVIII века определить, из чего же состоит воздух. Некоторые из наиболее продвинутых исследователей понимали, что атмосфера состоит из каких-то простых компонентов.
В 16 веке польский алхимик Михал Сендзивой получил некий газ, нагревая селитру, и обратил внимание на то, что этот газ необходим для жизни, и что он содержится в воздухе. Исследователь назвал этот газ «эликсиром жизни».
Как мы уже говорили в одной из предыдущих статей, английский естествоиспытатель Джозеф Пристли однажды разделил образец воздуха на часть, содержащую некий «флогистон» (он не горел и не поддерживал жизнь), который на самом деле состоял в основном из азота, и другую часть, которая не содержала флогистон. Вторая был не чем иным, как эликсиром жизни Сендзивого: кислородом.
Кстати, шведский фармацевт Карл Вильгельм Шееле открыл кислород независимо от Пристли и за пару лет до него, получив его идентичным способом (нагреванием оксида ртути). Однако свои результаты швед опубликовал позже англичанина.
Итак, Пристли удостоился чести быть первым, кто научно описал новый химический элемент - кислород. Шееле по понятным причинам назвал этот газ «огненным воздухом».
Однако нынешнее название элементу дал француз Антуан Лоран Лавуазье. В то время химики думали, что все кислоты содержат «огненный воздух», поэтому Лавуазье решил назвать элемент «рождающий кислоту» — по-гречески Oxygenium (от греч. «окис» – «кислый» и «геннао» – рождаю»). Отсюда появилось и русское название элемента.
К сожалению, гипотеза о кислотах оказалась неверной. Сегодня мы знаем, что существует множество кислот, не содержащих кислорода (например, та, которая переваривает пищу в нашем желудке, соляная кислота, в которой есть только водород и хлор).
Выяснилось, что кислород не единственный «генератор кислоты», но, как это часто бывает, если что-то как-то названо, и это название общепринято, изменить его очень сложно.
Но что делает этот элемент особенным?
Атом кислорода имеет восемь протонов, как уже отмечалось выше, и восемь электронов. Первая электронная оболочка может вместить два электрона, поэтому у кислорода во второй оболочке их шесть. Поскольку эта оболочка может содержать восемь электронов, кислород очень хочет захватить ещё одну пару электронов, чтобы иметь восемь электронов в последней оболочке и спокойно дремать в сытости. Для того, чтобы добиться покоя, он активно реагирует с другими элементами, и обычно отбирает у них электроны.
Естественно, помимо кислорода, есть много других элементов, которые поступают подобным образом, но поскольку этот элемент очень распространён в природе, его «электронный голод» настолько очевиден, что любой процесс удаления электронов из чего-либо стали называть «окислением». Даже если кислорода в эторм процессе и рядом нет.
Химики говорят, что кислород при этом «восстанавливается», а другой элемент «окисляется».
Кислорода во Вселенной очень много. Это третий по распространённости после водорода и гелия химический элемент: около 1% массы Вселенной составляет кислород. Это может показаться не таким уж большим количеством, но если удалить водород, гелий и кислород, останется всего лишь 1% массы Вселенной! Таким образом, кислорода в космосе столько же, сколько всех остальных элементов вместе взятых, кроме водорода и гелия!
Причина такого изобилия состоит в том, что кислород является продуктом (конечным или промежуточным) самых различных процессов ядерного синтеза, происходящего в звёздах.
Некоторая его часть появляется в цикле CNO (на этапе, на котором азот и водород соединяются с образованием кислорода), но набольшее его количество производится в очень массивных звёздах, в которых «горит» углерод (два атома углерода становятся одним атомом кислорода и двумя атомами гелия) или неон (атом неона принимает очень энергичный фотон и распадается на атом кислорода и атом гелия).
Поскольку Солнце родилось из «пепла» предыдущих звёзд, наша Солнечная система, помимо прочего, богата и кислородом. Большая его часть находится в атмосфере, и доступна для использования живыми существами.
Кислород очень важен для нас: мы используем его для получения энергии из пищи. Если говорить очень упрощённо, мы дышим кислородом, потребляем другие химические элементы и используем первый для их окисления и получения энергии.
Как и многие другие живые существа, мы «выбрали» кислород по той причине, что в чистом виде его очень много в нашей среде обитания (в воздухе). Однако есть живые существа, которые не используют кислород для окисления (потому что в чистом виде он не существует в их среде), а применяют в своей биохимии другие элементы, такие, например, как сера.
Мы окружены кислородом в его наиболее распространённом аллотропном состоянии — двухатомной молекуле O2.
Около 21% атмосферы Земли состоит из молекулярного кислорода, прозрачного газа (поэтому фото я вам показывать не буду). Однако вы можете не знать, что жидкий (и твёрдый) кислород, в отличие от газообразного, имеет красивый голубоватый цвет.
Другой известный аллотроп кислорода — озон, состоящий из трёх атомов кислорода (O3).
Озон нестабилен, поэтому его обычно нелегко найти в дикой природе, поскольку он довольно быстро распадается (период полураспад молекулы - трое суток при комнатной температуре) с образованием двухатомного кислорода. Озон присутствует в заметных количествах только в тех местах, где он постоянно вырабатывается (стратосфера, где он образуется благодаря ультрафиолетовому излучению, а также он появляется при попадании солнечного света на некоторые углеводороды и оксиды азота на уровне земли, обычно являющимися следствием загрязнения атмосферы).
Озон очень важен для жизни, поскольку защищает живущие на поверхности Земли организмы от ультрафиолетового излучения Солнца. Однако при этом он очень токсичен (это ещё более мощный окислитель, чем двухатомный кислород). Именно поэтому его часто используют для стерилизации воды.
Озон полезен. Но пусть он лучше будет где-нибудь далеко.
Но и О2 может быть токсичным! Как мы уже говорили, именно этот элемент дал название окислению, потому что это очень мощный (и распространённый) окислитель.
Итак, если озон – «хорошо, если далеко», то двухатомный кислород – «хорошо, если мало». Если в крови живого организма содержится слишком много кислорода, возникает так называемая гипероксия. Хотя тело человека и имеет защиту от мощных окислительных возможностей кислорода (поэтому он окисляет только то, что необходимо), если концентрация этого элемента слишком велика, защитные силы организма не могут справиться с этим, и происходит повреждение клеток.
Естественно этого не произойдёт, если дышать воздухом при очень высоком давлении или с аномально высокой концентрацией кислорода: здесь нет причин для беспокойства. Это может случиться, например, если нырнуть с аквалангом и дышать определённой смесью на глубине большей, чем рекомендованная для данной концентрации кислорода.
Несомненно, кислород является особенным химическим элементом. Поскольку он не только является мощным окислителем, но и очень распространён в природе в чистом виде. Без кислорода мы не могли бы дышать, а значит, не смогли бы получать энергию из пищи и умерли бы все в один день.
Всем добра.
