2. Оксиген, кисень, озон

1. \(VIII\) ст. китайський учений Мао встановив наявність у повітрі газу, який підтримує дихання і горіння.

2. Видатний шведський хімік Карл Вільгельм Шеєле у \(1771\) р. відкрив кисень.
3. У \(1774\) р. англійський вчений Джозеф Прістлі здобув кисень розкладом меркурій(\(II\))оксиду.

4. Антуан Лоран Лавуазьє у \(1775\) р. експериментально довів, що кисень є складовою частиною повітря.

Оксиген — хімічний елемент. З Періодичної системи можна отримати наступні відомості про нього:

• символ елемента — O ;
• розміщений у другому малому періоді, у головній підгрупі \(VI\) групи;
• порядковий номер елемента — \(8\);
• відносна атомна маса — \(16\) (точне значення \(15,999\) а. о. м);

Атом Оксигену містить \(8\) електронів, отже і заряд ядра атома є \(+8\).

Оксиген — неметалічний елемент. Він може утворювати дві прості речовини — кисень O 2 і озон O 3 . Валентність Оксигену є постійною і дорівнює \(II\).

За звичайних умов кисень — безбарвний газ без смаку і запаху, важчий за повітря. Погано розчиняється у воді (в \(1\) л можна розчинити лише \(0,04\) г кисню), але цього достатньо для існування у водоймах риб та різноманітних живих організмів, які дихають розчиненим у воді киснем. Кисень підтримує горіння. При температурі − 183 ° С кисень зріджується (утворюється блакитна рідина), а при − 219 ° С — твердне, утворюючи кристали синього кольору.

Оксиген входить до складу більшості органічних сполук. Він становить \(50\) — \(90\) % маси тканин рослин і тварин.

Озон O 3 утворюється з кисню під час грози, при окисненні смоли хвойних дерев і під дією сонячного випромінювання. У лабораторії його отримують в озонаторах . За звичайних умов озон — безбарвний (у товстих шарах — блакитний) газ із запахом, важчий за повітря. Озон є отруйним . Він згубно діє на бактерії і застосовується для знезараження повітря і питної води.

У верхніх шарах атмосфери існує озоновий шар , який захищає все живе від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання.

§ 15. Повітря, його склад. Оксиген. Кисень

Повітря, його склад. Перші спроби вивчення та визначення складу повітря належать А. Лавуазьє.

Лавуазьє Антуан Лоран (1743-1794) — французький хімік, один з основоположників сучасної хімії. Пояснив, що процеси горіння й окиснення речовин, дихання живих організмів відбуваються за участю кисню, що спростувало існуючу на той час теорію флогістону. Учений був першим, хто встановив хімічний склад води, сульфур(ІV) і карбон(ІV) оксидів, сульфатної та нітратної кислот. Керував розробкою нової хімічної номенклатури й склав перший систематизований перелік назв. Під час хімічних досліджень А. Лавуазьє застосовував методи кількісного аналізу. Його вважають одним із засновників термохімії. Праці вченого сприяли перетворенню хімії на науку, що спирається на факти й точні вимірювання.

Учений провів низку дослідів, які довели наявність у повітрі кисню та азоту. Найбільш відомий з них такий. Учений поклав у реторту металічну ртуть і нагрівав її впродовж 12 днів (рис. 57). Кінець реторти дослідник помістив під дзвін, що був уміщений у посудину зі ртуттю. За тривалого нагрівання в реторті на поверхні ртуті утворилася речовина у вигляді порошку червоного кольору. Водночас під дзвоном рівень ртуті піднявся.

Рис. 57. Прилад, яким користувався А. Лавуазьє, вивчаючи склад повітря: 1 — реторта; 2 — дзвін; 3 — посудина зі ртуттю

Отриманий порошок А. Лавуазьє прожарив. Унаслідок реакції він отримав ртуть і газ кисень. Важливим було те, що об’єм газу відповідав об’єму частини повітря, що сполучилася зі ртуттю.

Учений дослідив, що залишається в повітрі, якщо забрати кисень. Він помістив під дзвін запалену свічку, і вона погасла. У повітрі під ковпаком гинули миші. Зважаючи на ці факти, А. Лавуазьє назвав газ, що залишився під ковпаком, азотом, тобто «тим, що не підтримує життя».

Уміст кисню в повітрі вчений довів експериментально. Цей дослід неважко повторити. Під час спалювання фосфору в повітрі під дзвоном рівень води піднімається приблизно на 1/5 об’єму дзвону. Так А. Лавуазьє довів, що в повітрі кисень становить 1/5 й азот — 4/5 частин за об’ємом.

Майже через століття виявилося, що в повітрі наявна ціла група газів, які є одноатомними, не мають кольору й запаху та хімічно інертні. До них належать: гелій Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Їх називають благородними газами.

Унаслідок детального вивчення складу повітря були отримані більш точні результати. Об’ємні частки газів у повітрі становлять: азот — 78,08 %, кисень — 20,95 %, благородні гази — 0,94 %, карбон(ІV) оксид — 0,03 % (рис. 58).

Охорона повітря від забруднення. Як вам уже відомо, кисень підтримує життя на Землі. Цей газ необхідний не тільки людині, а й тваринам і рослинам. Тому для підтримання життя на Землі людство має зберігати чистоту повітря.

Рис. 58. Діаграма складу повітря за об’ємом

Забруднення повітря відбувається як природним шляхом, так і внаслідок господарської діяльності людини.

До природних чинників належать: виверження вулканів і поширення вулканічного пилу в повітрі, урагани й бурі, що розносять пил, пори й пилок рослин тощо.

Чинниками, що спричиняють забруднення повітря внаслідок господарської діяльності людини, є спалювання побутового сміття, сухого листя, трави восени тощо. У повітрі нагромаджуються домішки газів, що потрапляють до нього завдяки викидам заводів, фабрик, роботі вутле-, нафто- й метало- добувних підприємств тощо. Зокрема, це сульфур(ІV) оксид SO₂, карбон(ІІ) оксид СО, нітроген(ІV) оксид ΝΟ₂, метан СН₄, амоніак ΝΗ₃. Випробовування атомної зброї та недбале поводження з мирним атомом часто стає причиною забруднення повітря радіоактивними речовинами (рис. 59).

Збереження чистоти повітря — справа всієї міжнародної спільноти й України в тому числі.

Рис. 59. Аварія на ЧАЕС (1986 р.)

Оксиген — хімічний елемент. Назва Оксиген означає «той, що породжує кислоти». Цей елемент є найпоширенішим у природі.

Пригадайте й назвіть основні оболонки планети Земля.

Оксиген міститься в літосфері (47 % за масою), атмосфері (21 % за масою) і гідросфері (89 % за масою). Цей хімічний елемент входить до складу води, гірських порід і мінералів, багатьох неорганічних та органічних речовин.

Пригадайте й запишіть хімічний символ Оксигену. Знайдіть цей елемент у періодичній системі. Охарактеризуйте Оксиген за даними клітинки періодичної системи.

Кисень. Фізичні властивості кисню. Кисень є простою речовиною хімічного елемента Оксигену.

Пригадайте, що вам відомо про кисень з вашого життєвого досвіду, з інших шкільних предметів.

Ще у VIII ст. китайський учений Мао Хоа виявив у складі повітря кисень — газ, що підтримує дихання й горіння. Через 10 століть цей газ був знову відкритий двома європейськими вченими — К. Шеєле (1771 р.) і Дж. Прістлі (1774 р.). Однак в історії відкриття кисню належить Дж. Прістлі, бо К. Шеєле опублікував своє відкриття на три роки пізніше (1777 р.).

Шеєле Карл Вільгельм (1742-1786) — шведський учений-хімік. Завдяки самоосвіті досягнув великих успіхів у хімічних дослідженнях. Робота експериментатора зробила його популярним у всьому світі. Він першим визначив склад повітря, хоча ні кисень, ні азот на той час не були відкриті. Запропонував спосіб добування фосфору, виділив у чистому вигляді манган, хлор і барій оксид, а також сечову, молочну, синильну й інші кислоти. Довів шкідливість для людини вдихання хлору, відкрив здатність вугілля вбирати шкідливі гази. Відкриття молібдену й вольфраму теж належить К. Шеєле.

Прістлі Джозеф (1733-1804) — англійський учений, натураліст, філософ, громадський діяч. Дослідження Дж. Прістлі у галузі хімії були присвячені вивченню газів. Відкрив кисень і вуглекислий газ. Добув кисень розкладом меркурій(ІІ) оксиду та дослідив його властивості. Розчиняючи вуглекислий газ у воді, він отримав відому вам газовану воду. Досліджуючи ріст і живлення рослин, виявив, що рослини поглинають із повітря вуглекислий газ і виділяють кисень. Так було відкрито фотосинтез. Добув нітроген(ІІ) оксид, гідроген хлорид, амоніак; пояснив перетворення нітроген(ІІ) оксиду на нітроген(ІV) оксид. Знав 9 іноземних мов.

Молекула кисню складається з двох атомів. Хімічна формула кисню — О₂. За нормальних умов (температура 0 °С, тиск 101,3 кПа) кисень перебуває в газоподібному стані, не має смаку, запаху, трохи важчий за повітря. Маса повітря об’ємом 1 л (н. у.) становить 1,29 г, а маса такого самого об’єму кисню — 1,43 г.

Обчисліть відносну молекулярну масу кисню. У скільки разів кисень важчий за повітря?

Кисень є малорозчинним у воді: в 1 л можна розчинити тільки 0,04 г кисню. За температури -183 °С кисень перетворюється на рухливу рідину блакитного кольору. За подальшого охолодження (до -219 °С) він стає твердою речовиною синього кольору, дуже подібною до кристалів льоду.

Фізіологічна дія кисню на живі організми. Кисень бере активну участь у процесах дихання всіх живих організмів.

Для людини дихання — життєво важливий процес. Через легені кисень потрапляє в кров, яка розносить його до всіх органів і клітин організму. На клітинному рівні відбуваються реакції окиснення з виділенням теплоти й вуглекислого газу. Отже, кисень, який міститься в чистому повітрі, потрапляючи в кров, забезпечує життєдіяльність людського організму: допомагає підтримувати постійну температуру тіла, роботу м’язів, а відтак і гарний настрій, і здоровий життєвий тонус.

У цьому для кожного з вас полягає цінність знань про повітря, Оксиген, кисень.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Повітря — природна суміш газів, до складу якої входять за об’ємом: азот (78,08 %), кисень (20,95 %), благородні гази (0,94 %), карбон(ІV) оксид (0,03 %).
• Оксиген — хімічний елемент, порядковий номер якого — 8, символ — О, відносна атомна маса — 16. У ядрі атома Оксигену міститься 8 протонів і 8 нейтронів. Навколо ядра атома рухаються 8 електронів.
• Кисень — проста газоподібна речовина, утворена елементом Оксигеном. Хімічна формула — О₂, відносна молекулярна маса — 32. Малорозчинний у воді, за певних умов перетворюється на рідину блакитного кольору, а остання — на кристали синього кольору, подібні до льоду. Не має запаху й смаку.
• Кисень є життєво важливою для живих організмів речовиною. За його участю відбувається процес дихання, обмін речовин.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Охарактеризуйте склад повітря.
• 2. Поясніть, яке значення має чисте повітря для живих організмів і здоров’я людини.
• 3. Охарактеризуйте елемент Оксиген, використавши періодичну систему елементів.
• 4. Охарактеризуйте кисень, його фізичні властивості, поширення в природі.
• 5. Поясніть фізіологічну дію кисню на живий організм.
• 6. Запропонуйте способи діяльності людини, що запобігають забрудненню повітря.

ЦІКАВО ЗНАТИ

В історії хімічної науки кисень був відкритий тричі: К. Шеєле зробив це в 1771 р., А. Лавуазьє та Дж. Прістлі — у 1774 р. Між іншим, Дж. Прістлі провів такі самі дослідження, як і А. Лавуазьє.