Skābeklis — definīcija, īpašības un nozīme dzīvajai dabai

Agrīnie eksperimenti

Vienu no pirmajiem zināmajiem eksperimentiem par to, kā degšanai nepieciešams gaiss, 2. gadsimtā pirms mūsu ēras veica grieķis Filons no Bizantijas. Savā darbā "Pneumatica" viņš rakstīja, ka, apgriežot trauku ar augšu uz leju virs degošas sveces un aplejot šo trauku ar ūdeni, daļa ūdens nonāk traukā. Filons uzskatīja, ka tas notiek tāpēc, ka gaiss pārvēršas klasiskajā uguns elementā. Tas bija nepareizi. Ilgu laiku pēc tam Leonardo da Vinči pareizi noskaidroja, ka degšanas procesā tiek patērēts gaiss, kas liek ūdenim ieplūst traukā.

17. gadsimta beigās Roberts Boils atklāja, ka degšanai ir nepieciešams gaiss. Angļu ķīmiķis Džons Meivs to papildināja, pierādot, ka ugunij nepieciešama tikai daļa gaisa. Tagad mēs to saucam par skābekli (dioksīda veidā). Vienā no saviem eksperimentiem viņš atklāja, ka, ieliekot sveci slēgtā traukā, ūdens, pirms tas izdziest, paceļas, aizvietojot vienu ceturtdaļu no traukā esošā gaisa tilpuma. Tas pats notika, kad kastē ielika peli. No tā viņš secināja, ka skābeklis tiek izmantots elpošanai un degšanai.

Flogistona teorija

Roberts Hūks, Ole Borhs, Mihails Lomonosovs un Pjērs Bejēns 17. un 18. gadsimtā eksperimentos izmantoja skābekli. Neviens no viņiem nedomāja, ka tas ir ķīmisks elements. Iespējams, tā iemesls bija flogistona teorijas ideja. Lielākā daļa cilvēku uzskatīja, ka tieši tas izraisa degšanu un koroziju.

J. J. Behers to izstrādāja 1667. gadā, bet Georgs Ernsts Štāls to papildināja 1731. gadā. Flogistona teorija apgalvoja, ka visi degošie materiāli sastāv no divām daļām. Viena daļa, ko sauc par flogistonu, izdalās, kad to saturošā viela sadeg.

Tika uzskatīts, ka ļoti viegli uzliesmojoši materiāli, kas atstāj tikai nelielu atlikumu, piemēram, koksne vai ogles, ir veidoti no flogistona. Tika uzskatīts, ka vielas, kas korodē, piemēram, dzelzs, satur tikai nelielu daudzumu. Gaiss nebija šīs teorijas sastāvdaļa.

Discovery

Poļu alķīmiķis, filozofs un ārsts Mihails Sendivogijs runāja par gaisā esošo vielu, dēvējot to par "dzīvības barību", un šī viela ir skābeklis. Sendivogijs laikā no 1598. līdz 1604. gadam atklāja, ka šī viela ir tā pati, kas rodas kālija nitrāta termiskās sadalīšanās procesā. Daži uzskata, ka tā bija skābekļa atklāšana, bet citi tam nepiekrīt.

Bieži tiek arī teikts, ka skābekli pirmais atklāja zviedru farmaceits Kārlis Vilhelms Šeile. Viņš 1771. gadā pagatavoja skābekli, karsējot dzīvsudraba oksīdu un dažus nitrātus. Šele viņa iegūto gāzi nosauca par "uguns gaisu", jo tā bija vienīgā zināmā gāze, kas ļāva degt. Savu atklājumu viņš publicēja 1777. gadā.

1774. gada 1. augustā britu garīdznieks Džozefs Prīstlijs veica eksperimentu, kura laikā saules gaisma tika koncentrēta uz dzīvsudraba oksīdu stikla mēģenē. Tā radās gāze, ko viņš nosauca par "deflogistisko gaisu". Viņš arī atklāja, ka šajā gāzē sveces dega spožāk un peles, to elpojot, dzīvoja ilgāk. Kad viņš ieelpoja šo gāzi, viņš teica (vienkāršoti): "Sajūta bija kā parastā gaisā, bet pēc tam manas plaušas jutās vieglākas un vieglākas." Viņa atklājumi tika publicēti 1775. gadā. Tā kā viņa atklājumi tika publicēti pirmie, viņu parasti uzskata par skābekļa atklājēju.

Vēlāk franču ķīmiķis Antuāns Lavazjē paziņoja, ka viņš arī ir atklājis šo vielu. Priestlijs viņu apmeklēja 1774. gadā un pastāstīja par savu eksperimentu. Tajā pašā gadā Šeilijs nosūtīja vēstuli Lavoisjē, kurā vēstīja par savu atklājumu.

Lavojē devums

Lavoisjē veica pirmos galvenos eksperimentus par oksidēšanos un sniedza pirmo pareizo skaidrojumu par to, kā darbojas degšana. Viņš izmantoja šos un citus eksperimentus, lai pierādītu, ka flogistona teorija ir nepareiza. Viņš arī centās pierādīt, ka Prīstlija un Šeila atklātā viela ir ķīmisks elements.

Vienā eksperimentā Lavoisjē atklāja, ka, sildot alvu un gaisu slēgtā traukā, masa nepalielinās. Viņš arī atklāja, ka, atverot trauku, tajā ieplūst gaiss. Pēc tam viņš konstatēja, ka alvas masa ir palielinājusies par tikpat daudz, cik palielinājās ieplūdušā gaisa masa. Savus atklājumus viņš publicēja 1777. gadā. Viņš rakstīja, ka gaiss sastāv no divām gāzēm. Vienu no tām viņš sauca par "vitālo gaisu" (skābekli), kas nepieciešams degšanai un elpošanai. Otru viņš nosauca par "azotu" (slāpekli), kas grieķu valodā nozīmē "nedzīvs". Tas joprojām ir slāpekļa nosaukums dažās valodās, tostarp franču valodā.

Lavoisjē pārdēvēja "vitālo gaisu" par "oxygène", kas grieķu valodā nozīmē "skābju ražotājs". Viņš to tā nosauca tāpēc, ka uzskatīja, ka skābeklis ir visās skābēs, taču tas bija nepareizi. Daudzi ķīmiķi saprata, ka Lavoisērs savā nosaukumā bija kļūdījies, bet nosaukums līdz tam bija pārāk izplatīts, lai to mainītu.

"Skābeklis" kļuva par nosaukumu angļu valodā, lai gan angļu zinātnieki bija pret to.

Vēlākā vēsture

Džona Daltona atomu teorija apgalvoja, ka visiem elementiem ir viens atoms un atomi savienojumos parasti ir vieni. Piemēram, viņš kļūdaini uzskatīja, ka ūdens (_H2O) formula ir tikai HO. Žozefs Luijs Gejs Lusaks un Aleksandrs fon Humbolts 1805. gadā pierādīja, ka ūdens sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma. Līdz 1811. gadam Amedeo Avogadro, pamatojoties uz Avogadro likumu, pareizi noteica, no kā sastāv ūdens.

19. gadsimta beigās zinātnieki atklāja, ka gaisu var pārvērst šķidrumā un tajā esošos savienojumus var izolēt, to saspiežot un atdzesējot. Šveiciešu ķīmiķis un fiziķis Rauls Pikē atklāja šķidro skābekli, iztvaicējot sēra dioksīdu, lai pārvērstu oglekļa dioksīdu šķidrumā. Pēc tam tas tika iztvaicēts, lai atdzesētu skābekļa gāzi un pārvērstu to šķidrumā. Viņš 1877. gada 22. decembrī nosūtīja telegrammu Francijas Zinātņu akadēmijai par savu atklājumu.

Īpašības un molekulārā struktūra

Standarta temperatūrā un spiedienā skābeklim nav krāsas, smaržas vai garšas, un tas ir gāze ar ķīmisko formulu O
_{2, ko} sauc par dioksogēnu.

Divi skābekļa atomi ir ķīmiski saistīti viens ar otru. Šo saiti var saukt dažādi, bet vienkārši par kovalento dubulto saiti. Skābeklis ir ļoti reaktīvs un var reaģēt ar daudziem citiem elementiem. Metālu elementiem reaģējot ar dioksīdu, veidojas oksīdi, piemēram, dzelzs oksīds, ko sauc par rūsu. Uz Zemes ir daudz oksīdu savienojumu.

Allotropi

Uz Zemes sastopamais skābekļa alotrops (veids) ir dioksīds (O2). Tas ir otra lielākā Zemes atmosfēras daļa aiz dinitrogēna (N2). O2 saites garums ir 121 pm un saites enerģija 498 kJ/mol Tā kā O2 ir enerģētiski spēcīgs, to izmanto sarežģītas dzīvas būtnes, piemēram, dzīvnieki.

Ozons (O3) ir ļoti reaktīvs un, to ieelpojot, bojā plaušas. Ozons veidojas atmosfēras augšējos slāņos, O2 savienojoties ar tīru skābekli, kas rodas, O2 sadaloties ultravioletā starojuma ietekmē. Ozons absorbē daudz elektromagnētiskā spektra UV starojuma, tāpēc ozona slānis atmosfēras augšdaļā aizsargā Zemi no starojuma.

Tetraoksogēns (O4) tika atklāts 2001. gadā. Tas eksistē tikai ekstremālos apstākļos, kad uz O2 tiek radīts liels spiediens.

Fizikālās īpašības

Skābeklis no gaisa ūdenī izšķīst vieglāk nekā slāpeklis. Ja gaisa un ūdens daudzums ir vienāds, uz katrām divām N2 molekulām ir viena O2 molekula (attiecība 1:2). Tas atšķiras no gaisa, kur skābekļa un slāpekļa attiecība ir 1:4. O2 vieglāk izšķīst saldūdenī nekā jūras ūdenī. Skābeklis kondensējas 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) temperatūrā un sasalst 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Gan šķidrais, gan cietais O2 ir caurspīdīgs un gaiši zilā krāsā.

Skābeklis ir ļoti reaktīvs, un tas ir jātur prom no visa, kas var degt.

Izotopi

Dabā ir trīs stabili skābekļa izotopi. Tie ir ^16O, ^17O un ^18O. Aptuveni 99,7 % skābekļa ir ^16O izotops.

Notikums

Skābeklis ir masas ziņā visizplatītākais elements uz Zemes. Tas ir trešais visumā izplatītākais elements pēc ūdeņraža un hēlija. Aptuveni 0,9 % Saules masas ir skābeklis. Skābeklis veido 49,2 % no Zemes garozas masas oksīdu savienojumu, piemēram, silīcija dioksīda, sastāvā. Tas ir arī galvenā Zemes okeānu sastāvdaļa, veidojot 88,8 % no Zemes masas. Skābekļa gāze ir otra izplatītākā atmosfēras sastāvdaļa, kas veido 20,8 % no tās masas un 23,1 % no tās tilpuma. Zeme ir dīvaina salīdzinājumā ar citām zināmajām planētām, jo lielu tās atmosfēras daļu veido skābekļa gāze. Marsa atmosfērā ir 0,1 % O2 tilpuma, bet pārējo Saules sistēmas planētu atmosfērā O2 ir mazāk.

Augstais skābekļa gāzes daudzums uz Zemes ir saistīts ar skābekļa ciklu. To galvenokārt kontrolē fotosintēze, kas no oglekļa dioksīda, ūdens un Saules enerģijas veido skābekļa gāzi. Pēc tam elpošana paņem skābekļa gāzi no atmosfēras un pārvērš to atpakaļ oglekļa dioksīdā un ūdenī. Tas notiek vienādā ātrumā, tāpēc skābekļa gāzes un oglekļa dioksīda daudzums nemainās.

Medicīnas

O2 ir ļoti svarīga elpošanas sastāvdaļa. Tāpēc to izmanto medicīnā. To lieto, lai palielinātu skābekļa daudzumu cilvēka asinīs un varētu veikt vairāk elpošanas. Tas var palīdzēt slimam cilvēkam ātrāk kļūt veselam, ja viņš ir slims. Skābekļa terapiju izmanto, lai ārstētu emfizēmu, pneimoniju, dažas sirds problēmas un citas slimības, kas apgrūtina skābekļa uzņemšanu.

Dzīvības atbalsts

Zemspiediena O2 izmanto kosmosa skafandros, kas apsedz ķermeni ar gāzi. Tiek izmantots tīrs skābeklis, bet ar daudz zemāku spiedienu. Ja spiediens būtu augstāks, tas būtu indīgs.

Skābekļa NFPA 704 nosaka, ka saspiestā skābekļa gāze nav bīstama veselībai un nav uzliesmojoša.

Toksicitāte

Augstā spiedienā skābekļa gāze (O2) var būt bīstama dzīvniekiem, tostarp cilvēkiem. Tas var izraisīt krampjus un citas veselības problēmas. Skābekļa toksicitāte parasti sākas pie spiediena, kas pārsniedz 50 kilopaskālus (kPa), kas atbilst aptuveni 50 % skābekļa gaisā pie standarta spiediena (gaisā uz Zemes ir aptuveni 20 % skābekļa).

Priekšlaicīgi dzimušos bērnus ievieto kastēs ar gaisu, kurā ir augsts O2 daudzums. Tas tika pārtraukts, kad daži bērni no skābekļa kļuva akli.

Tīra O2 elpošana kosmosa skafandros nerada bojājumus, jo tiek izmantots zemāks spiediens.

Degšanas un citi apdraudējumi

Koncentrēts tīra O2 daudzums var izraisīt ātru aizdegšanos. Ja koncentrēts skābeklis un degviela atrodas tuvu kopā, neliela aizdegšanās var izraisīt lielu ugunsgrēku. Apollo 1 apkalpe visi gāja bojā ugunsgrēkā, jo kapsulas gaisā tika izmantots koncentrēts skābeklis.

Ja šķidrais skābeklis tiek izliets uz organiskiem savienojumiem, piemēram, koka, tas var eksplodēt.