118 элементов. Глава 8. Одно дыхание

Элемент: кислород (Oxygenium)

Химический символ: O

Порядковый номер: 8

Год открытия: 1771-1777

Стандартная атомная масса: 15.99903

Температура плавления: 54.36 К

Температура кипения: 90.188 К

Плотность при стандартных условиях: 1.429 г/л

Скорость звука в кислороде: 330 м/с (газ при 27 °C)

Число стабильных изотопов: 3

Кристаллическая решётка: кубическая

Если говорить о важности химических элементов, входящих в состав биомолекул – белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, то лидера выбрать довольно сложно. Однако на первое место по праву все же нужно поставить кислород – ведь мы им дышим.

Во Вселенной кислород (в первую очередь, его «дважды магический» – восемь протонов и восемь нейтронов – изотоп ¹⁶О) – самый распространённый элемент после водорода и гелия (а в земной коре он и вовсе самый распространённый – 49,2% по массе, не говоря уже об атомарном вкладе – и это неудивительно, ведь все оксиды и силикаты, а также сульфаты и фосфаты содержат в себе по одному, а чаще – по несколько атомов кислорода на формульную единицу).

Интересный факт: поскольку астрономы не считают за металл только эти водород и гелий, то кислород во вселенском масштабе – самый распространённый металл.

Как же образуется этот элемент? У кислорода – три стабильных изотопа. «Шестнадцатый» образуется в звёздах как побочный продукт так называемого «тройного альфа-процесса». Сначала две альфа-частицы соединяются, образуя нестабильный бериллий-8:

⁴Не+⁴Не = ⁸Be

Затем к бериллию присоединяется еще одна альфа-частица, образуя стабильный углерод-12, который дальше участвует в CNO-цикле, который мы подробно описали, рассказывая про азот.

⁸Ne+⁴He=¹²C

Таким образом, суммарно в тройном альфа-процессе три ядра атома гелия «собираются» в один углерод. Однако иногда бывает так, что гелию мало «сообразить на троих», и присоединяется еще одна альфа-частица. Так образуется кислород-16:

¹²С+⁴Не=¹⁶С

Тройной альфа-процесс

Остальные стабильные изотопы кислорода, ¹⁷О и ¹⁸О, образуются в СNO-процессе.

К слову сказать, нестабильных изотопов у кислорода очень много: четырнадцать. От ¹²О до ²⁴О. Из них только ¹⁴О и ¹⁵О «живут» сколько-нибудь значимое время: 70,6 и 122,2 секунды соответственно.

Михал Сендзивой

Ответить на вопрос о том, кто открыл кислород, сложно. Понимание, что в воздухе содержится некий газ, который нужен и для горения, и для дыхания, возникло еще в XVII веке. Еще до 1604 года польский алхимик Михал Сендзивой смог выделить из воздуха некую субстанцию, которую назвал «пищей для жизни». Более того, он смог показать, что эта субстанция вроде бы как совпадает с той, что выделяется при термическом разложении нитрата калия. Но его работы не заметили, хотя современная польская история науки, разумеется, считает Сендзивоя первооткрывателем кислорода.

Этот успех был развит в первую очередь благодаря работам британского химика и врача Джона Мейоу, который прожил всего 39 лет, но успел поставить во второй половине XVII века ряд ставших классическими опытов.

Джон (Иоганнес) Мейоу

Главным предметом в экспериментах Мейоу был стеклянный колпак, который отделялся от остальной атмосферы слоем воды. Когда под него вносилась горящая свеча, то через какое-то время он гасла – и больше ничего зажечь под колпаком не получалось. Та же самая история была и с мышью: какое-то время она под колпаком жила, а затем умирала. А если одновременно под колпак помещали и мышь, и свечу, то и свеча гасла гораздо быстрее, и мышь жила гораздо меньше

Иллюстрации опытов Мейоу

Англичанин сделал вывод: в воздухе присутствует какой-то компонент, который одинаково нужен как для дыхания, так и для горения (более того, Мейоу решил, что через легкие этот компонент попадает в кровь – абсолютно пророчески). Мейоу, видимо, знал о работах Сендзивоя, поскольку сам назвал эту необходимую субстанцию «огненно-воздушным духом» (spiritus igneo-aereus) или «нитро-воздухом» (nitro-aereus). Более того, именно Мейоу сумел определить, что «нитро-воздуха» в воздухе около 20 процентов.

Джозеф Пристли

Но обычно считают, что открытие кислорода состоялось в 1770-х годах, силами трех химиков – шведа Карла Шееле, британца Джозефа Пристли и француза Антуана Лавуазье.

Если следовать хронологии, то Шееле получил чистый кислород нагреванием оксида ртути и разнообразных нитратов в 1771-1772 годах. Он назвал газ «огненным воздухом» и описал свои работы в трактате «Лечение воздухом и огнем», который неспешно отослал издателю в 1775 году, так что тот увидел свет только в 1777. Пристли получил кислород (который он назвал дефлогистинированным воздухом) нагреванием оксида ртути в стеклянной трубке посредством увеличительного стекла лишь 1 августа 1774 года, но опубликовал свою работу быстрее – она вышла в 1775 году, и именно поэтому Пристли во многих справочниках называется первооткрывателем кислорода.

Антуан Лавуазье

Но не менее важный вклад сделал Антуан Лоран Лавуазье – именно он в 1777 году сумел показать, что кислород представляет собой именно отдельный элемент (впрочем, перед этим он встречался с Пристли, который рассказал ему, что не весь воздух участвует в горении). Лавуазье в своих опытах показал, что кислород не поддерживает горение, а участвует в нем: Лавуазье смог точно измерить массу кислорода, который нужен был для получения оксида, а затем показать, что ровно на такую же массу увеличивается масса вещества после горения. Процитируем «Популярную библиотеку химических элементов»:

«Лавуазье наблюдал образование красных чешуек «ртутной окалины» и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7 г «ртутной окалины» и получил 2,5 г ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения».

Так было совершено открытие кислорода – и одновременно завершен разгром теории флогистона, гипотетической субстанции, заключенной в горючих веществах и выделяемой из них при горении (ну и еще заново подтверждена такая мелочь, как закон сохранения массы).

Рауль-Пьер Пикте

Дальнейшая история кислорода – это история его сжижения. Здесь тоже приключилась настоящая гонка. В декабре 1877 года два ученых с двойными именами и с разницей в два дня – швейцарец Рауль-Пьер Пикте и француз Луи-Поль Кайете – заявили о том, что им удалось получить жидкий кислород. Правда, в обоих случаях получилось всего несколько быстро испарившихся капель и никаких их свойств измерить не удалось. Пришлось ждать поляков из Ягеллонского университета, Сигизмунда Вроблевского и Кароля Ольшевского, которые смогли получить стабильный жидкий кислород в тот же год, что и жидкий азот – 29 марта 1883 года. А в 1891 году шотландец Джеймс Дьюар смог получать (и хранить в сосудах своего имени) достаточное количество голубоватой жидкости для исследований.

Установка Карете для ожижения газов

К слову, лирическое отступление о жидком кислороде. Помимо голубого цвета, он обладает еще и парамагнитными свойствами. Так что некоторое время жидкий кислород может парить между полюсами сильного магнита вопреки гравитации.

Стакан жидкого кислорода

Жидкий кислород левитирует между полюсами магнита

Как только жидкий кислород смогли получать в значимых количествах, его затребовала промышленность и военные. В первую очередь – как окислитель. Например, первая в мире ракета с жидкостным реактивным двигателем Роберта Годдарда полетела именно на жидком кислороде в качестве окислителя. Им же окислялось топливо знаменитой «Фау-2» – первой ракеты, вышедшей в космос.

Роберт Годдард со своей первой ракетой

В получении жидкого кислорода сыграл важнейшую роль наш соотечественник, нобелевский лауреат Петр Леонидович Капица. Обычно считается, что свою «Нобелевку» он получил только за открытие сверхтекучего гелия. Однако формулировка его половины Нобелевской премии 1978 года (вторую половину получили Пензиас и Вильсон за открытие реликтового излучения) звучит иначе: «За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Заметьте, первым идет «за изобретения». И это не зря: Капица изобрел турбодетандер – турбинное устройство, которое охлаждает кислород за счет механической работы, которые совершают молекулы кислорода, вращая турбину. Мало кто сейчас помнит, что в годы войны турбодетандеры Капицы обеспечили всю промышленность СССР жидким кислородом, а сам он был главой Главкислорода (должность, равная министерской), получив за свои работы в годы войны звание Героя Социалистического Труда.

Пётр Леонидович Капица

Твердый кислород не менее интересен, чем жидкий. Хотя бы потому, что известно минимум шесть фаз твердого кислорода, три из которых существуют при нормальном давлении. Многие открытия в этой области были сделаны уже после выхода книги «Популярная библиотека химических элементов».

Фазовая диаграмма кислорода из статьи S. Klotz, Th. Strassle, A. L. Cornelius, J. Philippe, Th. Hansen. Magnetic Ordering in Solid Oxygen up to Room Temperature // Phys. Rev. Lett. 104, 115501 (2010) с разделением разных фаз в δ-O₂

α-О₂— существует при температуре ниже 23,65 K; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии кристаллической решетки.

β-O₂— существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 K; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку.

γ-O₂— существует при температурах от 43,65 до 54,21 K; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию.

δ-O₂— существует в интервале температур 20—240 K и давлениях в 6—8 ГПа, представляет собой оранжевые кристаллы ромбической симметрии Fmmm. Эту структуру так и называют иногда — “оранжевый кислород. Любопытно, что исследование 2010 года показывает, что в оранжевом кислороде есть сразу три различных магнитных структуры, каждая из которых является антиферромагнитной.

Магнитные структуры в оранжевом кислороде

ε-фаза уже не содержит бинарных молекул, в ней наблюдаются молекулы O₄ (по данным инфракрасной спектроскопии) или O₈ (по данным рентгеноструктурного анализа). Эта фаза существует при давлении от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного, моноклинная сингония.

ζ-O_n появляется при давлении более 96 ГПа, это уже металлическое состояние кислорода, открытое в 1990 году, с характерным металлическим блеском, при низких температурах (ниже 0,6 К) переходит в сверхпроводящее состояние.

Ну и, конечно, все мы хорошо знакомы с аллотропной модификацией кислорода – озоном, молекула которого содержит не два, а три атома кислорода. Слово «озон» происходит от греческого öξω – пахну. Мы, кстати, еще вспомним это слово, когда поговорим об осмии. Запах озона хорошо знаком всем, кто присутствовал при коротком замыкании: озон образуется при пропускании электрического разряда через воздух. Его открыл нидерландский физик и ботаник Мартин Ван Марум всего через семь лет после работ Лавуазье. Кстати, жидкий озон очень красив – он представляет собой жидкость цвета индиго.

Шумиху на тему озонового слоя и озоновой дыры все помнят – и дискуссия о том, насколько были виновны в ней фреоны, до сих пор продолжается и среди ученых, и в прессе. Озонирование сейчас активно применяется для обеззараживания питьевой воды.

Самый сложный разговор – о применении кислорода и о его химии. Конечно же, каждый из нас использует кислород еще до рождения – мы им дышим. Но о том, как это происходит, мы поговорим, когда дело дойдет до железа (равно как и разговор о том, как растения производят кислород, мы отложим до главы о магнии). Конечно же, главная химическая и биохимическая функция кислорода – это окисление. Именно на окислительных свойствах кислорода построена целая отрасль биологии – редокс-биология. Классики этой области – Уильям Кэлин, Питер Рэтклифф и Грегг Семенза получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине 2019 года.

Двойные соединения кислорода и других элементов – оксиды – одни из наиболее распространенных неорганических соединений. Это и углекислый и угарный газы, это и основная составляющая кварцевого песка (диоксид кремния), это и ржавчина, и, конечно же, «самый главный для жизни минерал»: вода.

Кислород используют повсеместно: «выжигая» углерод в чугуне, получают сталь. Окисляя все и вся, озон прекрасно дезинфицирует воздух. Радиозотоп ¹⁵О используют в позитронно-эмиссионной томографии, а пищевая добавка E948 – самый обычный кислород – используется в пищевой промышленности как пропеллент (распылитель, например, взбитых сливок). Кислородная терапия, перекись водорода (привет блондинкам 50-х), сварка и резка металлов – ацетилен-кислородная сварка известна с 1901 года. Кислород – жизнь, и кислород – смерть.

Текст: Алексей Паевский

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.

Материал подготовлен ИОНХ РАН для проекта «Виртуальный музей химии: продолжение осмотра» при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Проект выполняется в рамках Десятилетия науки и технологий