8. Кислород — Oxygenium (O)

На одной из площадей города Лидса (Англия) стоит бронзовая скульптура молодого красивого человека в модном костюме XVIII в. Волосы на голове завиты под парик. В правой руке он держит линзу, в левой — тигель с «ртутной окалиной». Поворот головы, выражение лица, пристальный взгляд выражают внимание и терпеливое ожидание результата.

В бронзе благодарные соотечественники запечатлели известного химика Пристли в момент проведения знаменитого опыта. Ниже приводится небольшая выдержка из описания этого опыта.

«Достав линзу с диаметром в два дюйма и с фокусным расстоянием в двадцать дюймов, я начал исследовать с ее помощью, какой род воздуха выделяется из разнообразнейших веществ, естественных и искусственно приготовленных. После ряда других опытов 1 августа 1774 г. я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению».

Если сказать, что во времена Пристли все газы назывались «воздухами», окислы металлов «окалинами», а линза являлась инструментом для получения высокой температуры путем собирания солнечных лучей в фокусе, то все станет понятным в описании опыта Пристли. Он открыл кислород. Однако это было окончательно установлено через 2 года работами Лавуазье, который за способность вновь открытого газа поддерживать дыхание назвал его сначала «жизненным воздухом», заменив впоследствии это название латинским словом оксигениум, заимствованным из греческого языка, где слово «оксюс» означало «кислый» и «генао» — «рождаю», «произвожу» (рождающий кислоту).

Таким образом, на русский язык, как и в случае с водородом, буквально переведено название элемента.

Независимо от Пристли кислород был обнаружен шведом Шееле и естествоиспытателем Байеном.

Кислород — вторая по количеству и важнейшая для жизни составная часть воздуха, в котором на долю кислорода приходится 21 % по объему и 23 % по весу. Количество свободного кислорода в атмосфере земного шара оценивается в 1 000 000 000 000 000 с лишним тонн. Столько же весит миллиард пирамид Хеопса — наиболее крупное сооружение древности (для перевозки материала одной пирамиды понадобилось бы 9000 товарных поездов). Несмотря на громадность этой величины, вес свободного кислорода не превышает и 0,0001 содержания его в земной коре. Кислород обязателен для существования жизни.

Если на какой-либо планете будут обнаружены кислород, вода и благоприятный интервал температур, можно утверждать, что там есть условия для жизни.

Из всех веществ природы кислород наиболее распространен. Земная кора до глубины 10–15 км почти на 50 % ее веса состоит из кислорода. Песок содержит 53 % кислорода, в глине его — 56 %, в человеческом организме — 65 %, в составе воды — около 89 %, а ведь одна только вода покрывает ²/₃ поверхности земного шара.

Кислород — газ, сравнительно плохо растворимый в воде; в 100 объемах воды при температуре, близкой к нулю, растворяется около пяти объемов кислорода (4,89). Растворение кислорода имеет огромное значение для дыхания животных организмов, населяющих водоемы.

Литр кислорода весит (1,4289) немного больше равного объема воздуха (1,293).

При охлаждении до минус 183 °C кислород превращается в голубую жидкость, притягивающуюся магнитом, тяжелее воды (плотность 1,124).

Кислород в технике получают из жидкого воздуха, пользуясь более высокой температурой кипения жидкого кислорода (–183 °C) в сравнении с жидким азотом (–195,8 °C). Получают также и электролизом воды, но это значительно дороже.

Источником кислорода может быть также перекись водорода, второе соединение водорода с кислородом, в котором в отличие от воды содержится не один, а два атома кислорода. Перекись водорода — вязкая, сиропообразная бесцветная жидкость, в которой, по выражению Д. И. Менделеева, «…заключается кислород, сжатый, так сказать, втиснутый (внутренними) силами элементов в другое вещество, легко выделяющийся из соединения и поэтому действующий как кислород в момент выделения».

Для беления шелка, соломы и других материалов в промышленности, а также в косметике применяется 3-процентная перекись водорода. 99–100-процентная перекись водорода в годы второй мировой войны использовалась фашистской Германией для снабжения кислородом подводных лодок дальнего действия и запуска ракетных снарядов (Фау-1) при обстреле Лондона. Работы по изысканию способов концентрирования перекиси водорода велись в строжайшей тайне задолго до войны.

Разложение перекиси водорода, сопровождающееся образованием воды и кислорода, идет с огромным выделением тепла. Этого тепла достаточно для того, чтобы образующаяся при разложении перекиси вода превратилась в пар, нагретый до 750 °C. Применение перекиси водорода в ракетных двигателях определенного типа на этом и основано.

Кислород находит широкое применение в технике как интенсификатор (активатор) химических процессов (производство серной и азотной кислот, в металлургии).

Большое сродство кислорода и водорода используется для восстановления металлов водородом из окислов. Преимущества этого способа перед другими (восстановление углем, окисью углерода и др.) заключается в том, что металл получается свободным от углерода и его соединений (карбидов). Кислород применяется при получении высоких температур. Для этого различные горючие газы (водород, светильный газ, ацетилен) сжигают в смеси с кислородом. Высокая температура, достигаемая в пламени специальных горелок (до 3000 °C), используется для сварки и резки металлов. В качестве курьеза следует отметить, что «изобретателем» резки металла с помощью кислородно-водородного пламени явился… взломщик несгораемых сейфов, впервые в 1890 г. в городе Ганновере сделавший разрез в стенке стального сейфа.

Жидкий кислород, как это в свое время предвидел «отец ракетоплавания» К. Э. Циолковский, применяется в реактивных двигателях.

Широкое применение находит кислород в медицине при лечении тяжелых заболеваний легких, сердца, почек, а также при некоторых отравлениях, в частности газами (окисью углерода, боевыми отравляющими веществами).

Следует заметить, что один вдох кислорода равноценен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании кислорода этот газ не только поступает в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает его силы для самого процесса дыхания.

При прохождении электрических разрядов через кислород он превращается в новое, газообразное вещество, названное швейцарским химиком Шенбейном озоном (от греческого «озо», что значит «пахну»). Обнаружен озон был в 1785 г. голландским физиком Ван-Марумом.

В чистом виде озон был получен только в 1922 г, немецкими химиками Е. Ризенфельдом и Г. Швабом. При высоком давлении (150 атм) и сильном охлаждении (–112,3 °C) озон превращается в темно-фиолетовую жидкость, затвердевающую при дальнейшем охлаждении в темно-фиолетовую кристаллическую массу.

По химическим свойствам озон во много раз активнее кислорода. Он легко обесцвечивает краски, разрушает органические вещества; фосфор, сера переводятся в соответствующие окислы. Даже серебро легко соединяется с озоном.

Окислительные свойства озона определяют и значимость его в практике, где он применяется для отбелки и уничтожения запаха жиров и масел, дезинфекции воздуха, стерилизации воды, поступающей в городской водопровод, и т. д.

Озон постоянно находится в воздухе в незначительных количествах (0,000001 % по объему). В воздухе полей, хвойных лесов и океанов озона больше, чем вблизи жилищ. У поверхности воздушного океана (на высоте 15–30 км) озон образуется под действием на кислород ультрафиолетовых лучей.

В жизни человека и животных озон играет важную роль, о которой многие и не подозревают. Озон спасает… от слепоты! А она неизбежно бы поражала животные организмы вскоре после рождения, если бы в атмосфере отсутствовал озон, общее содержание которого соответствует слою газа вокруг земного шара толщиною всего лишь… в три миллиметра.

Дело в том, что из общей массы лучей, посылаемых Солнцем на Землю, озон поглощает главным образом ультрафиолетовые, которые чрезвычайно вредны для сетчатой оболочки глаза. В обычных условиях оставшиеся ультрафиолетовые лучи поглощаются целиком хрусталиком, однако помощь хрусталика стала бы недостаточной, если бы количество ультрафиолетовых лучей увеличилось. Это было бы неизбежным при уменьшении содержания озона в воздухе, не говоря уже об его исчезновении.

Однако и увеличение количества озона грозит опасностью не менее страшной, чем первая. Ультрафиолетовые лучи, необходимые для образования витамина Д, важнейшего из витаминов при формировании организма, целиком поглощаясь озоном, не достигали бы Земли, и образования витамина не происходило бы. Отсутствие этого витамина привело бы к вымиранию животных и человека.

Так в озоне выявляется ярчайший пример единства противоположностей, переход количества в качество, зависимость от условий проявления, когда в одной причине одновременно сосредоточены неизмеримая польза и огромнейший вред.

От кислорода озон отличается строением молекулы: молекула кислорода состоит из двух атомов, в образовании озона принимают участие три атома кислорода. Разница невелика, но как она сказывается на свойствах обоих веществ!

Животные и человек всю свою жизнь находятся в воздухе, в котором 23 % по весу свободного кислорода. Пребывание же в атмосфере с содержанием озона порядка 1 : 1 000 000 уже вызывает чувство усталости, головную боль; при более высоких концентрациях к этим симптомам добавляется тошнота, кровотечение из носа, воспаление глаз, перерождение сердечной мышцы, смерть.