Syre

Syre
←  Kväve | Fluor  →
åtta O

S
Periodiska system av element8 O
Utseendet av en enkel substans
Flytande syre
Atomegenskaper
Namn, symbol, nummer Oxygen / Oxygenium (Syre)(O), 8
Grupp , punkt , block 16 (föråldrad 6), 2,
p-element
Atommassa
( molmassa )
[15,99903; 15.99977] [komm. 1] [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration [Han] 2s 2 2p 4
1s 2 2s 2 2p 4
Atomradie 60 (48) pm
Kemiska egenskaper
kovalent radie 73  pm
Jonradie 132 (-2e)  pm
Elektronnegativitet 3,44 (Pauling skala)
Elektrodpotential 0
Oxidationstillstånd –2 , −1 , –½ , –⅓ , 0, +½, +1 , +2
Joniseringsenergi
(första elektron)
1313,1 (13,61)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne
Termodynamisk fas Gas
Densitet (vid ej ) 0,00142897 g/cm³
Smält temperatur 54,8K (-218,35°C)
Koktemperatur 90,19K (-182,96°C)
Oud. fusionsvärme 0,444 kJ/mol
Oud. avdunstningsvärme 3,4099 kJ/mol
Molär värmekapacitet 29,4 [2]  J/(K mol)
Molar volym 22,4⋅10 3  cm³ / mol
Kristallgittret av en enkel substans
Gallerstruktur Monoklinisk
Gitterparametrar a=5,403 b=3,429 c=5,086 β=135,53  Å
Debye temperatur 155K  _
Andra egenskaper
Värmeledningsförmåga (300 K) 0,027 W/(m K)
Emissionsspektrum
åtta Syre
O15.999
2s 2 2p 4

Syre ( kemisk symbol  - O , från lat.  O xygenium ) är ett kemiskt element i den 16:e gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen  - den sjätte gruppen i huvudundergruppen, VIA), den andra perioden av det periodiska systemet av D. I. Mendeleev , med atomnummer 8.

Syre är en reaktiv icke-metall och är det lättaste elementet i kalkogengruppen .

Som ett enkelt ämne (under normala förhållanden )  är syre en färglös , smaklös och luktfri gas , vars molekyl består av två atomer (formel - O 2 ). Systematiskt namn : dioxygen [3] . Flytande syre har en ljusblå färg och fast syre är ljusblå kristaller.

Det finns andra allotropa former av syre, till exempel ozon  - under normala förhållanden, en blå gas med en specifik lukt, vars molekyl består av tre syreatomer (formel O 3 ). Systematiskt namn : trioxygen .

Upptäcktshistorik

Det tros officiellt [4] [5] att syre upptäcktes av den engelske kemisten Joseph Priestley den 1 augusti 1774 genom att sönderdela kvicksilveroxid i ett hermetiskt tillslutet kärl (Priestley riktade solens strålar mot denna förening med hjälp av en stor lins).

.

Men Priestley insåg inte initialt att han hade upptäckt en ny enkel substans , han trodde att han isolerade en av luftens beståndsdelar (och kallade denna gas "dephlogisticated air"). Priestley rapporterade sin upptäckt till den enastående franske kemisten Antoine Lavoisier . 1775 slog Lavoisier fast att syre är en integrerad del av luft, syror och finns i många ämnen.

Några år tidigare ( 1771 ) hade den svenske kemisten Carl Scheele fått syre . Han brände salpeter med svavelsyra och bröt sedan ner den resulterande dikväveoxiden . Scheele kallade denna gas för "eldig luft" och beskrev sin upptäckt i en bok som publicerades 1777 (precis för att boken publicerades senare än Priestley tillkännagav sin upptäckt, anses den senare vara syreupptäckaren). Scheele rapporterade också sin erfarenhet till Lavoisier.

Ett viktigt steg som bidrog till upptäckten av syre var den franske kemisten Pierre Bayens arbete, som publicerade arbete om oxidation av kvicksilver och den efterföljande nedbrytningen av dess oxid.

Till slut kom A. Lavoisier äntligen på beskaffenheten av den resulterande gasen, med hjälp av information från Priestley och Scheele. Hans arbete var av stor betydelse, för tack vare det störtades flogistonteorin som dominerade vid den tiden och hindrade utvecklingen av kemi . Lavoisier genomförde ett experiment om förbränning av olika ämnen och motbevisade teorin om flogiston genom att publicera resultaten om förändringen i vikten av de brända elementen. Askans vikt översteg grundämnets initialvikt, vilket gav Lavoisier rätt att hävda att under förbränning sker en kemisk reaktion (oxidation) av ämnet, i samband med detta ökar massan av det ursprungliga ämnet, vilket motbevisar teorin om flogiston.

Således delas faktiskt äran för upptäckten av syre av Priestley, Scheele och Lavoisier.

Namnets ursprung

Ordet syre (det kallades fortfarande "syra" i början av 1800-talet) har till viss del att tacka M.V. Lomonosov för sitt utseende på det ryska språket , som introducerade, tillsammans med andra nybildningar , ordet "syra"; sålunda var ordet "syre" i sin tur ett spårpapper av termen " syre " ( fr.  oxygène ), föreslagit av A. Lavoisier (från annan grek. ὀξύς  - "sur" och γεννάω  - "Jag föder barn" ), som översätts som " genererande syra ", vilket är associerat med dess ursprungliga betydelse - " syra ", som tidigare betydde ämnen som kallas oxider enligt modern internationell nomenklatur .

Att vara i naturen

Syre är det vanligaste grundämnet i jordskorpan; dess andel (i sammansättningen av olika föreningar, främst silikater ) står för cirka 47 % av massan av den fasta jordskorpan . Marint vatten och sötvatten innehåller en enorm mängd bundet syre - 85,82% (i vikt). Mer än 1500 föreningar av jordskorpan innehåller syre i sin sammansättning [6] .

I atmosfären är innehållet av fritt syre 20,95 volymprocent och 23,10 viktprocent (cirka 10 15 ton [7] ). Men innan de första fotosyntetiska mikroberna uppträdde i arkéerna för 3,5 miljarder år sedan var de praktiskt taget frånvarande i atmosfären. Fritt syre började dyka upp i stora mängder i Paleoproterozoikum (3-2,3 miljarder år sedan) som ett resultat av en global förändring i atmosfärens sammansättning ( syrekatastrof ). Under de första miljarderna åren absorberades nästan allt syre av järnet som löstes i haven och bildade avlagringar av jaspilit . Syre började släppas ut i atmosfären för 3–2,7 miljarder år sedan och nådde 10 % av dagens nivå för 1,7 miljarder år sedan [8] [9] .

Närvaron av stora mängder löst och fritt syre i haven och atmosfären ledde till att de flesta anaeroba organismer dog ut. Emellertid har cellandning med syre tillåtit aeroba organismer att producera mycket mer ATP än anaeroba organismer, vilket gör dem dominerande [10] .

Sedan kambriums början för 540 miljoner år sedan har syrehalten fluktuerat från 15 % till 30 % i volym [11] . I slutet av karbonperioden (för cirka 300 miljoner år sedan) nådde dess nivå en topp på 35 volymprocent, vilket kan ha bidragit till den stora storleken på insekter och groddjur vid denna tidpunkt [12] .

Det mesta av syre på jorden frigörs av havens växtplankton. Ungefär 60 % av det syre som används av levande varelser går åt till sönderfalls- och nedbrytningsprocesser, 80 % av syret som produceras av skogar går åt till sönderfall och nedbrytning av skogsvegetation [13] .

Mänskliga aktiviteter har mycket liten effekt på mängden fritt syre i atmosfären [14] . Med dagens fotosyntestakt kommer det att ta cirka 2000 år att återställa allt syre i atmosfären [15] .

Syre är en beståndsdel i många organiska ämnen och finns i alla levande celler. När det gäller antalet atomer i levande celler är det cirka 25 %, i termer av massfraktion – cirka 65 % [6] .

2016 bevisade danska forskare att fritt syre var en del av atmosfären så tidigt som för 3,8 miljarder år sedan [16] .

Fysiska egenskaper

Under normala förhållanden är syre en färglös, smaklös och luktfri gas .

1 liter av det under normala förhållanden har en massa på 1,429 g , det vill säga lite tyngre än luft . Något löslig i vatten ( 4,9 ml/100 g vid 0°C, 2,09 ml/100 g vid +50°C) och alkohol (2,78 ml/100 g vid +25°C). Det löser sig väl i smält silver (22 volymer O 2 i 1 volym Ag vid +961 ° C). Det löser sig väl i perfluorerade kolväten (20-40 vol %) .

Interatomiskt avstånd - 0,12074 nm. Det är en paramagnet . I flytande form attraheras den av en magnet.

När gasformigt syre  värms upp sker dess  __ _,atomer tilldissociationreversibla

Flytande syre kokar vid ett tryck av 101,325 kPa vid -182,98 °C  och är en ljusblå vätska . Syrets kritiska temperatur är 154,58 K (-118,57 °C), det kritiska trycket är 4,882 MPa [17] .

Fast syre (smältpunkt -218,35 ° C)  - blå kristaller .

6 kristallina faser är kända , varav tre finns vid ett tryck på 1 atm :

Ytterligare tre faser finns vid höga tryck:

Kemiska egenskaper

Ett starkt oxidationsmedel, den mest aktiva icke-metallen efter fluor, bildar binära föreningar ( oxider ) med alla grundämnen utom helium , neon , argon , fluor (syre bildar syrefluorid med fluor , eftersom fluor är mer elektronegativt än syre). Det vanligaste oxidationstillståndet är −2. Som regel fortskrider oxidationsreaktionen med frigöring av värme och accelererar med ökande temperatur (se Förbränning ). Ett exempel på reaktioner som inträffar vid rumstemperatur:

Oxiderar föreningar som innehåller grundämnen med ett icke-maximalt oxidationstillstånd:

Oxiderar de flesta organiska föreningar i förbränningsreaktioner :

Under vissa förhållanden är det möjligt att utföra en mild oxidation av en organisk förening:

Syre reagerar direkt (under normala förhållanden , vid upphettning och/eller i närvaro av katalysatorer ) med alla enkla ämnen utom Au och inerta gaser ( He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn ); reaktioner med halogener sker under påverkan av en elektrisk urladdning eller ultraviolett ljus . Oxider av guld och tunga inerta gaser (Xe, Rn) erhölls indirekt . I alla tvåelementsföreningar av syre med andra element spelar syre rollen som ett oxidationsmedel, förutom föreningar med fluor (se nedan # Syrefluorider ).

Syre bildar peroxider med oxidationstillståndet för syreatomen formellt lika med -1.

I denna reaktion uppvisar syre reducerande egenskaper.

Syrefluorider

Syre stöder andningsprocesser , förbränning , sönderfall .

I sin fria form finns grundämnet i två allotropa modifikationer: O 2 och O 3 ( ozon ). Som fastställts 1899 av Pierre Curie och Maria Skłodowska-Curie , under påverkan av joniserande strålning, omvandlas O 2 till O 3 [23] [24] .

Får

Destillation av flytande luft

För närvarande, inom industrin, erhålls syre från luften. Den huvudsakliga industriella metoden för att erhålla syre är kryogen destillation . Också välkända och framgångsrikt använda inom industrin är syreanläggningar som arbetar på basis av membranteknologi, samt använder principen om adsorption.

Laboratorier använder industriellt syre som tillförs i stålcylindrar under ett tryck på cirka 15 MPa .

Nedbrytning av syrehaltiga ämnen

Små mängder syre kan erhållas genom att värma kaliumpermanganat KMnO 4 :

Reaktionen av den katalytiska nedbrytningen av väteperoxid H 2 O 2 i närvaro av mangan (IV) oxid används också :

Syre kan erhållas genom katalytisk nedbrytning av kaliumklorat ( bertoletsalt ) KClO3 :

Nedbrytningen av kvicksilver(II)oxid (vid t = 100 °C) var den första metoden för syresyntes:

Elektrolys av vattenlösningar

Laboratoriemetoder för att producera syre inkluderar metoden för elektrolys av utspädda vattenlösningar av alkalier, syror och vissa salter (sulfater, alkalimetallnitrater):

Reaktionen av peroxidföreningar med koldioxid

I ubåtar och orbitalstationer erhålls det vanligtvis genom reaktion av natriumperoxid och koldioxid som andas ut av en person:

För att balansera volymerna av absorberad koldioxid och frigjort syre tillsätts kaliumsuperoxid . Rymdfarkoster använder ibland litiumperoxid för att minska vikten .

Applikation

Den utbredda industriella användningen av syre började i mitten av 1900-talet , efter uppfinningen av turboexpanders  - anordningar för att kondensera och separera flytande luft.

I metallurgi

Omvandlarmetoden för stålproduktion eller mattbearbetning är förknippad med användningen av syre. I många metallurgiska enheter, för effektivare förbränning av bränsle , används en syre-luftblandning i brännare istället för luft.

Svetsning och skärning av metaller

Syre i blå cylindrar används ofta för flamskärning och svetsning av metaller.

Raketbränslekomponent _

Flytande syre , väteperoxid , salpetersyra och andra syrerika föreningar används som oxidationsmedel för raketbränsle . En blandning av flytande syre och flytande ozon  är ett av de mest kraftfulla oxidationsmedlen för raketbränsle (den specifika impulsen från en väte-ozonblandning överstiger den specifika impulsen för ett väte - fluor- och väte - syre-fluorid -par ).

I medicin

Medicinskt syre lagras i blå högtrycksgasflaskor av metall med olika kapaciteter från 1,2 till 10,0 liter under tryck upp till 15 MPa (150 atm ) och används för att berika andningsgasblandningar i anestesiutrustning , vid andningssvikt , för att stoppa en bronkial attack , eliminering av hypoxi av något ursprung, med tryckfallssjuka , för behandling av patologi i mag-tarmkanalen i form av syrecocktails . Stora medicinska institutioner kan inte använda komprimerat syre i cylindrar, utan flytande syre i ett stort Dewar- kärl. För individuell användning fylls medicinskt syre från cylindrar med speciella gummerade behållare - syrekuddar . För att tillföra syre eller en syre-luftblandning samtidigt till ett eller två offer på fältet eller på ett sjukhus, används syrgasinhalatorer av olika modeller och modifieringar. Fördelen med en syreinhalator är närvaron av en kondensor-luftfuktare av gasblandningen, som använder fukten från utandningsluften. För att beräkna mängden syre som finns kvar i cylindern i liter , multipliceras vanligtvis trycket i cylindern i atmosfärer (enligt reducertrycksmätaren ) med cylindervolymen i liter. Till exempel i en cylinder med en kapacitet på 2 liter visar tryckmätaren ett syretryck på 100 atm. Volymen syre är i detta fall 100 × 2 = 200 liter [25] .

I livsmedelsindustrin

Inom livsmedelsindustrin registreras syre som en livsmedelstillsats E948 [26] , som drivmedel och förpackningsgas.

I den kemiska industrin

Inom den kemiska industrin används syre som oxidationsmedel i många synteser , till exempel oxidation av kolväten till syrehaltiga föreningar ( alkoholer , aldehyder , syror ), svaveldioxid till svaveltrioxid , ammoniak till kväveoxider vid framställning av salpetersyra . På grund av de höga temperaturer som utvecklas under oxidation utförs de sist beskrivna reaktionerna ofta i förbränningsläge .

Inom jordbruket

I ett växthus för tillverkning av syrecocktails , för viktökning hos djur, för att berika vattenmiljön med syre i fiskodling .

Syrets biologiska roll

De flesta levande varelser ( aerober ) andas syre. Syre används i stor utsträckning inom medicin. Vid hjärt-kärlsjukdomar, för att förbättra metaboliska processer, introduceras syreskum ("syrecocktail") i magen . Subkutan administrering av syre används för trofiska sår, elefantiasis , kallbrand och andra allvarliga sjukdomar. Konstgjord ozonanrikning används för att desinficera och deodorisera luft och rena dricksvatten . Den radioaktiva isotopen av syre 15 O används för att studera hastigheten på blodflödet, lungventilation .

Giftiga derivat av syre

Vissa derivat av syre (de så kallade reaktiva syrearterna ), såsom singletsyre , väteperoxid , superoxid , ozon och hydroxylradikalen , är mycket giftiga produkter. De bildas i processen för aktivering eller partiell reduktion av syre. Superoxid (superoxidradikal), väteperoxid och hydroxylradikal kan bildas i celler och vävnader i människo- och djurkroppen och orsaka oxidativ stress .

Syretoxicitet

Långvarig inandning av rent syre kan få farliga konsekvenser för kroppen. Det är säkert att andas under lång tid vid normalt tryck med blandningar som innehåller upp till 60 % syre. Att andas 90 % syre i 3 dagar leder till takykardi, kräkningar, lunginflammation, kramper. Med ökande tryck accelererar och intensifieras den toxiska effekten av syre. Unga människor är mer känsliga för de toxiska effekterna av syre än äldre [27] .

Isotoper

Syre har tre stabila isotoper: 16 O, 17 O och 18 O, vars medelhalt är 99,759 %, 0,037 % respektive 0,204 % av det totala antalet syreatomer på jorden. Den skarpa övervikten av de lättaste av dem, 16 O, i blandningen av isotoper beror på att kärnan i 16 O-atomen består av 8 protoner och 8 neutroner (dubbel magisk kärna med fyllda neutron- och protonskal). Och sådana kärnor, som följer av teorin om strukturen hos atomkärnan, har en speciell stabilitet.

Radioaktiva syreisotoper med masstal från 12 O till 28 O är också kända. Alla radioaktiva syreisotoper har en kort halveringstid , den längsta av dem är 15 O med en halveringstid på ~120 sekunder. Den kortaste livslängden isotopen 12 O har en halveringstid på 5,8⋅10 −22 sekunder.

Se även

Anteckningar

Kommentarer
  1. Området för atommassavärdena anges på grund av heterogeniteten i fördelningen av isotoper i naturen.
Källor
  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Grundämnenas atomvikter 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , nr. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
  2. Ledare: Knunyants I. L. (chefredaktör). Chemical Encyclopedia: i 5 vol. - M . : Soviet Encyclopedia, 1990. - T. 2. - S. 387. - 671 sid. — 100 000 exemplar.
  3. Dioxygen // Big Encyclopedia of Oil and Gas
  4. J. Priestley, Experiment and Observations on Different Kinds of Air, 1776.
  5. W. Ramsay, The Gases of the Atmosphere (The History of Their Discovery), Macmillan and Co, London, 1896.
  6. 1 2 Knunyants I. L. et al. Chemical Encyclopedia. - Moskva: Soviet Encyclopedia, 1990. - T. 2. - S. 387-389. — 671 sid. — 100 000 exemplar.
  7. Ya. A. Ugay. Allmän och oorganisk kemi. - Moskva: Högre skola, 1997. - S. 432-435. — 527 sid.
  8. Crowe, SA; Døssing, LN; Beukes, NJ; Bau, M.; Kruger, SJ; Frei, R.; Canfield, D.E. Atmosfärisk syresättning för tre miljarder år  sedan . — Naturen, 2013. — Iss. 501 , nr. 7468 . - s. 535-538 . - doi : 10.1038/nature12426 . — PMID 24067713 .
  9. Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. Biology, 7:e upplagan. - San Francisco: Pearson - Benjamin Cummings, 2005. - S. 522-23. - ISBN 0-8053-7171-0 .
  10. Freeman, Scott. Biologisk vetenskap, 2:a. - Upper Saddle River, NJ: Pearson - Prentice Hall, 2005. - P. 214, 586. - ISBN Biological Science, 2nd.
  11. Berner, Robert A. Atmosfäriskt syre över Phanerozoic tid . - Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 1999. - doi : 10.1073/pnas.96.20.10955 . — PMID 10500106 .
  12. Butterfield, NJ Syre, djur och oceanisk ventilation: En alternativ  vy . - Geobiologi, 2009. - Iss. 7 , nr. 1 . - S. 1-7 . - doi : 10.1111/j.1472-4669.2009.00188.x . — PMID 19200141 .
  13. "Ljusa planeter" finns i havet
  14. Bildandet av syre i naturen och dess produktion inom teknik. © Zooteknikfakulteten vid Moskvas jordbruksakademi
  15. Dole, Malcolm. Journal of General Physiology  . - 1965. - Iss. 49 , nr. 1 . doi : 10.1085 /jgp.49.1.5 . — PMID 5859927 .
  16. TASS: Vetenskap - Forskare: syre i jordens atmosfär dök upp 800 miljoner år tidigare än man tidigare trott
  17. Ryabin V. A. et al. , Termodynamiska egenskaper hos substanser, 1977 , sid. 127.
  18. 1 2 3 Databas för oorganisk kristallstruktur
  19. Yu. A. Freiman, HJ Jodl. Fast syre // Fysikrapporter. - 2004. - T. 401 , nr 1-4 . - S. 1-228 . - doi : 10.1016/j.physrep.2004.06.002 .
  20. Hiroshi Fujihisa, Yuichi Akahama, Haruki Kawamura, Yasuo Ohishi, Osamu Shimomura, Hiroshi Yamawaki, Mami Sakashita, Yoshito Gotoh, Satoshi Takeya och Kazumasa Honda. O 8 klusterstruktur för Epsilon-fasen av fast syre // Fysisk. Varv. Lett.. - 2006. - T. 97 . - S. 085503 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.085503 .
  21. Lars F. Lundegaard, Gunnar Weck, Malcolm I. McMahon, Serge Desgreniers, Paul Loubeyre. Observation av ett O 8 molekylärt gitter i ε-fasen av fast syre   // Natur . - 2006. - Vol. 443 . - S. 201-204 . - doi : 10.1038/nature05174 .
  22. Margaret-Jane Crawford och Thomas M. Klapötke. Trifluoroxoniumkatjonen, OF 3 +  (engelska)  // Journal of Fluorine Chemistry. - 1999. - Vol. 99 , iss. 2 . - S. 151-156 . - doi : 10.1016/S0022-1139(99)00139-6 .
  23. Curie P., Curie M. Effets chimiques produits par les rayons de Becquerel  (franska)  // Comptes rendus de l'Académie des Sciences :tidskrift. - 1899. - Vol. 129 . - s. 823-825 .
  24. Strålningskemi // Encyklopedisk ordbok för en ung kemist. 2:a uppl. / Komp. V. A. Kritsman, V. V. Stanzo. - M . : Pedagogy , 1990. - S. 200 . — ISBN 5-7155-0292-6 .
  25. En guide för akutläkare / Mikhailovich V.A. - 2nd ed., Revised. och ytterligare - L . : Medicin, 1990. - S. 28-33. — 544 sid. - 120 000 exemplar.  - ISBN 5-225-01503-4 .
  26. Food-Info.net: E-nummer: E948: Oxygen .
  27. Skadliga kemikalier: Oorganiska föreningar av grundämnen i grupperna V-VIII. Katalog. - L., 1989. - S. 150-170

Litteratur

Från BDT:

Länkar