Кислород

Кислород — самый распространённый элемент земной коры: на него приходится почти половина её массы. Он же составляет около 21 % атмосферы по объёму и около 65 % массы человеческого тела, главным образом в виде воды.

Почти вся энергия, которой пользуется живое, получается за счёт окисления — то есть в конечном счёте за счёт кислорода. При этом свободный кислород атмосферы имеет биологическое происхождение: его выработали фотосинтезирующие организмы.

В связанном виде кислород входит в воду, в подавляющее большинство минералов земной коры (силикаты, карбонаты, оксиды) и в органические вещества.

В свободном виде он существует в двух формах. Обычный кислород O₂ — газ без цвета и запаха. Озон O₃ — та же атомная основа, но другая молекула, и свойства другие: он имеет резкий запах, гораздо активнее и в приземном слое ядовит, а в стратосфере образует слой, поглощающий жёсткий ультрафиолет.

Это хороший пример того, почему свойства простого вещества нельзя приписывать элементу: кислород и озон состоят из одних и тех же атомов, но кипят при разных температурах и ведут себя по-разному.

Кислород получили независимо и почти одновременно. Карл Вильгельм Шееле выделил его около 1772 года, но опубликовал результат позже. Джозеф Пристли нагрел оксид ртути в 1774 году и получил газ, в котором свеча горела ярче обычного; он объяснял это в рамках теории флогистона и назвал газ «дефлогистированным воздухом».

Решающий шаг сделал Лавуазье. Он повторил опыты, взвесил вещества до и после горения и показал, что горение — это присоединение к веществу части воздуха, а не выделение флогистона. Теория флогистона на этом закончилась, а вместе с ней закончилась и алхимическая химия. Название oxygenium, «рождающий кислоту», дал тоже Лавуазье — правда, здесь он ошибся: кислоты бывают и без кислорода.

Кислород — второй по электроотрицательности элемент после фтора, и это определяет почти всё его поведение. Он окисляет подавляющее большинство простых веществ, в соединениях обычно проявляет степень окисления −2.

Реакции с кислородом почти всегда идут с выделением тепла, но при комнатной температуре часто заторможены: бумага и бензин спокойно лежат на воздухе, пока их не подожгут. Причина в прочности молекулы O₂ — чтобы реакция пошла, её надо разорвать.

Исключения из степени окисления −2 стоит запомнить: в пероксидах, например в H₂O₂, кислород имеет −1, а в соединении с фтором OF₂ — даже +2, потому что фтор электроотрицательнее.

Больше всего кислорода потребляет металлургия: кислородное дутьё в конвертере позволяет выжигать примеси из чугуна и получать сталь.

Дальше идут химическая промышленность, сварка и резка металлов, ракетная техника (жидкий кислород как окислитель) и медицина. Отдельная область — очистка сточных вод, где кислород и озон окисляют органические загрязнители.

Дыхание — это окисление органических веществ кислородом, разбитое на множество мелких шагов так, чтобы энергия выделялась не сразу, а порциями, которые клетка может запасти.

Обратный процесс — фотосинтез: растения и цианобактерии разлагают воду, забирают водород для построения органики и выбрасывают кислород как побочный продукт. Весь свободный кислород атмосферы накоплен так, и на это ушло около двух миллиардов лет.