Вы хорошо знаете этот элемент. Точнее... Вы думаете, что это так. Просто вы постоянно о нём слышите. Без него невозможна жизнь, но и с ним одним тоже. У него множество нестандартных свойств, которые не кажутся интуитивными и не характерны для других похожих элементов.
Он сразу и "околометалл", и радиоактивный регистратор погоды, и магнит. Да, речь идёт про кислород.
В таблице Менделеева кислород находится под номером 8, в группе халькогенов, с конфигурацией 1s² 2s² 2p⁴. Формально это обычный неметалл, но с очень высоким желанием забирать себе электроны, поэтому он становится универсальным окислителем и ключевым игроком химии на нашей планете.
У кислорода есть три формы, каждая из которых встречается на нашей планете - атомарный кислород, озон и обычный кислород. Но про стандартные свойства в этой статье мы говорить не будем. Давайте обсудим что-то не то, чтобы характерное.
Парамагнитные свойства кислорода
O₂ имеет одну неметаллическую странность, о которой редко задумываются. Он парамагнитен. В его молекуле есть два неспаренных электрона, и благодаря этому кислород притягивается к магнитному полю. Эффект особенно хорошо виден в жидком кислороде. Его можно удерживать в сильном магнитном поле, он буквально тянется к магниту.
Мы привыкли, что магнетизм - это что-то про железо и про твёрдые тела, и совершенно не ожидаем такого от газа.
Важно это по нескольким причинам.
Во-первых, парамагнетизм кислорода - одно из красивых и наглядных подтверждений квантово-механической природы химической связи (которой якобы не существует, как вы пишите в комментариях). Классические модели не объясняют, почему O₂ магнитен, а, например, N₂ - нет.
Во-вторых, магнитные свойства кислорода влияют на поведение воздуха в сильных магнитных полях и на свойства твёрдых и жидких фаз кислорода при низких температурах, где он может образовывать экзотические магнитные и даже почти металлические состояния.
Странные фазы кислорода
При низких температурах и повышенном давлении O₂ перестаёт быть прозрачным и воздушным, и превращается в вещество с целым зоопарком фаз.
Жидкий кислород имеет заметный голубой цвет, а при дальнейших изменениях условий твёрдый кислород может становиться не просто бесцветным кристаллом, а принимать насыщенный синий, а затем и почти чёрный оттенок. За сменой цвета стоит глубокое изменение электронной структуры. Это определяет как именно электроны могут двигаться в кристалле, какие уровни энергии доступны, как молекулы взаимодействуют между собой.
При очень высоких давлениях теоретические расчёты и эксперименты показывают, что кислород может вести себя уже почти как металл - проводить электрический ток и обладать необычными магнитными свойствами. То есть тот самый O₂, который мы привыкли представлять себе лёгким и нематериальным, в экстремальных режимах превращается в плотное, тёмное, экзотическое вещество.
Это хороший пример того, что разделение газ, жидкость, металл и прочее - это не набор точных параметров, а разные режимы существования одной и той же квантовой системы, зависящие от температуры и давления.
Глобальный мутатор биосферы
Если бы нужно было выбрать элемент, который изменил всё на нашей планете, то, пожалуй, именно кислород был бы тут первым.
Один элемент меняет тип доступной энергии для живых существ, состав атмосферы, минералогию коры и вообще всю траекторию эволюции.
Появление свободного кислорода убило огромное количество древних анаэробных организмов, заставило жизнь изобрести новую биохимию (дыхание, антиоксидантную защиту) и открыло путь к сложной многоклеточности, нервным системам, активному метаболизму.
Если бы кислорода в атмосфере так и не появилось, Земля, скорее всего, была бы планетой микробов без лесов, рыб, птиц и людей. Один элемент выступил в роли биосферного триггера, переключив планету в другой режим. Это одно из самых интересных свойств кислорода.
Изотопный таймкод жизни
По изотопам кислорода учёные читают историю климата, как ленту времени. Других таких элементов нет.
У кислорода есть лёгкий изотоп (¹⁶O) и тяжёлый (¹⁸O). Когда вода испаряется из океана, молекулам с лёгким кислородом проще улететь в пар, а с тяжёлым чуть сложнее. Когда этот водяной пар потом выпадает снегом и превращается в лёд, соотношение лёгкого и тяжёлого кислорода в этом льду зависит от температуры и условий, при которых шёл цикл "испарение-осадки".
В тёплые эпохи это соотношение одно, в холодные - немного другое. Эти различия записываются слой за слоем в лёд на полюсах и в карбонатные оболочки морских организмов на дне океана. Спустя сотни тысяч или миллионы лет учёные бурят ледяные керны или изучают осадочные породы, измеряют долю ¹⁸O и ¹⁶O и по этой подписи восстанавливают, как менялись температура и климат в прошлом.
Кислород здесь выступает как элемент, который не просто участвует в круговороте воды, но ещё и оставляет в каждом слое запись.
Именно благодаря этому трюку с изотопами мы вообще знаем, как выглядели ледниковые циклы, когда были сильные похолодания и потепления, и можем сравнивать нынешнее изменение климата с естественными колебаниями в истории Земли.
Подборка про разные элементы и их феномены на канале:
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram