Изотопы кислорода

Кислород: свойства, изотопы и способы получения

В атмосфере земли наблюдается повышенное содержание тяжелого изотопа 18О по сравнению с содержанием в морской водой, данное явление называется эффектом Доула. Он возникает из-за того, что для дыхания предпочтительно используется более лёгкий, а значит и более реакционноспособный, 16O, что увеличивает относительный объём 18O в атмосфере.

История слова кислород

Слово кислород своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово кислота. Таким образом слово кислород, в свою очередь, явилось калькой термина оксиген (фр.), предложенного А. Лавуазье, который переводится как порождающий кислоту.

Изотопы кислорода

Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16O связано с тем, что ядро атома 16O состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. Такие ядра обладают особой устойчивостью.

Радиоактивные изотопы кислорода

Также известны радиоактивные изотопы кислорода. Наиболее долгоживущий из них — 15O с периодом полураспада ~120 секунд. Наиболее краткоживущий изотоп 12O имеет период полураспада 5,8⋅10−22 секунд.

Получение кислорода

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация. Также успешно применяются установки, работающие на основе мембранной технологии и использующие принцип адсорбции.

Практическое использование

В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.

Заключение

Изучение свойств и изотопов кислорода играет важную роль в научных и промышленных сферах. Точное понимание данных вопросов позволяет эффективно применять кислород в различных областях деятельности.

Использование кислорода в различных областях

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода в присутствии оксида марганца(IV):

Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли):

Электролиз водных растворов

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза разбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):

Реакция перекисных соединений с углекислым газом

На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

Для соблюдения баланса объёмов поглощённого углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляют надпероксид калия. В космических кораблях для уменьшения веса иногда используется пероксид лития.

Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.

Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.

Сварка и резка металлов

Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.

Компонент ракетного топлива

В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).

В пищевой промышленности

В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), диоксид серы в триоксид серы, аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты. Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении, последние описанные реакции часто проводят в режиме горения.

В сельском хозяйстве

В тепличном хозяйстве для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.

В мировом океане концентрация растворённого O2 больше в холодных водах, меньше — в тёплых

При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.

1 л его при нормальных условиях имеет массу , то есть немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 2,09 мл/100 г при и спирте (2,78 мл/100 г при Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах .

Межатомное расстояние — Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.

При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при — при — — —

Открытие кислорода: история и значимость

Твёрдый кислород (температура плавления — синие кристаллы. Всего известно шесть кристаллических фаз кислорода.

Три фазы существуют при нормальном давлении (1 атм):

При высоких давлениях существуют ещё три фазы:

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ дефлогистированным воздухом). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.

Открытие кислорода

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ огненным воздухом и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Роль Пьера Байена в открытии кислорода

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Выводы Антуана Лавуазье

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела очень большое значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по изменению веса сожжённых элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Таблица: Изотопы кислорода

Пояснения к таблице

Изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента. Они различаются по массовым числам из-за количества нейтронов в ядрах. В частности, у кислорода в природе есть три изотопа: 16О, 17О и 18О. Однако теоретически ученые предсказывают, что можно создать и другие изотопы. Например, 27О и 28О. Кислород-28 особенно интересен: в его ядре находится сразу 20 нейтронов вместо привычных 8–10. Однако никогда раньше физикам не удавалось получить эти молекулы и пронаблюдать вживую их свойства.

Исследование структуры ядер оказалось ключом к развитию атомных технологий

Теперь международная команда исследователей применила метод нейтронного распада с помощью пучков нестабильных ядер фтора-29 (29F). Несколько нейтронов выбросились из вещества, а количество протонов осталось неизменным. Так молекулы фтора превратилась в нужные изотопы кислорода. Ученые заметили, что получившиеся изотопы содержат больше нейтронов, чем обычно, а 28О вообще не имеет замкнутой оболочки для нейтронов.

Этот результат предполагает, что остров инверсии, при котором энергетический разрыв между орбиталями нейтронов ослабевает или исчезает вовсе, распространяется за пределы изотопов фтора 28F и 29F в изотопы кислорода, — объяснил Ёсукэ Кондо из Токийского университета.

Узкие резонансы и теоретические расчеты

Исследователи обнаружили, что оба изотопа существуют в виде узких резонансов – связей более мелких частиц. Физики сравнили энергии распада с результатами своих теоретических моделей. Большинство расчетов предсказывали более сильные энергии. Это показывает, что теоретические расчеты кислорода-27 и -28 слишком сложны и могли быть неверными.

Развитие атомных технологий

Результаты расширили понимание структуры ядра разных изотопов, особенно тех, что богаты нейтронами. Ученые впервые рассмотрели 27О и 28О, и теперь стало возможным изучить другие изотопы с нестандартными структурами. Это ускорит развитие атомных технологий в медицине, промышленности и ядерной энергетике.

Свойства и характеристики кислорода

Запрос Oxygen перенаправляется сюда; о других значениях см. Oxygene.

Химические свойства кислорода

• Символ: O
• Атомный номер: 8
• Группа: 16
• Период: 2
• Электроотрицательность: 3,44

Физические свойства кислорода

• Плотность: 0,00142897 г/см³
• Температура плавления: 54,8 К (-218,35 °C)
• Температура кипения: 90,19 К (-182,96 °C)

Самые долгоживущие изотопы кислорода

Основная статья: Изотопы кислорода

Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов.

Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3). Систематическое название: трикислород. Часто можно почувствовать запах озона после грозы. Озон образует озоновый слой в стратосфере, который образуется там за счёт ионизации кислорода ультрафиолетом.

Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона, фтора (с фтором кислород образует фторид кислорода, так как фтор более электроотрицателен, чем кислород). Наиболее распространённая степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:

При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже #Фториды кислорода).

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

В этой реакции кислород проявляет восстановительные свойства.

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями.

Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — "магическим" — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O.

Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось.

Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O.

Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона.

Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states).

В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти.

Найдена аномальная форма кислорода, опровергающая законы классической химии

Недавно обнаруженный изотоп кислорода бросает вызов всем нашим ожиданиям относительно того, как он должен себя вести.

Hi-Res Images of Chemical Elements/CC BY 3.0

Кислород-28 с самым большим количеством нейтронов, когда-либо наблюдавшихся в ядре атома кислорода. По прогнозам ученых он должен быть стабильным, но на деле быстро распадается. Это обстоятельство ставит под сомнение то, что мы знаем о «магических» числах частиц в ядре атома.

Ядро атома содержит субатомные частицы, называемые нуклонами, состоящими из протонов и нейтронов. Атомный номер элемента определяется количеством имеющихся в нем протонов, но количество нейтронов может варьироваться. Элементы с разным числом нейтронов известны как изотопы; кислород имеет 8 протонов, но может иметь разное количество нейтронов.

Ранее наибольшее количество наблюдаемых нейтронов составляло 18 в изотопе кислорода кислород-26 (8 протонов + 18 нейтронов = 26 нуклонов). Но недавно группа под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института в Японии обнаружила два изотопа кислорода, которые мы никогда раньше не видели: кислород-27 и кислород-28, с 19 и 20 нейтронами соответственно.

Работа выполнялась на RIKEN Radioactive Isotope Beam Factory — циклотронном ускорителе, предназначенном для производства нестабильных изотопов. Сначала команда направила луч изотопов кальция-48 на бериллиевую мишень, чтобы получить более легкие атомы, включая фтор-29, изотоп фтора с 9 протонами и 20 нейтронами.

Затем этот фтор-29 отделился и столкнулся с мишенью из жидкого водорода, чтобы отбить протон и попытаться создать кислород-28. Попытка оказалась удачной, но неожиданной. И кислород-27, и кислород-28 нестабильны, существуют всего лишь мгновение, а затем распадаются на кислород-24 и 3 или 4 свободных нейтрона соответственно. И именно здесь ситуцация с кислородом-28 становится намного интереснее.

И 8, и 20 являются «магическими» числами для протонов и нейтронов соответственно, и это свойство предполагает, что кислород-28 должен быть стабильным. Общее количество каждого из них зависит от того, как каждый добавленный нуклон влияет на стабильность квот протонов и нейтронов, называемых «оболочками».

«Магическое число» в ядерной физике — это количество нуклонов, которые полностью заполнят оболочку, причем каждая новая оболочка отличается от предыдущей большой энергетической щелью. Атомное ядро с протонной и нейтронной оболочками, содержащими магические числа каждого, известно как двойное магическое, и ожидается, что оно будет особенно стабильным.

Большая часть кислорода на Земле, включая воздух, которым мы дышим, представляет собой вдвойне волшебную форму кислорода, кислород-16. Долгое время ожидалось, что кислород-28 станет следующим дважды магическим изотопом кислорода после кислорода-16, но предыдущие попытки найти его не увенчались успехом.

(Интересно, что в 2009 году появились доказательства того, что кислород-24 может быть вдвойне магическим, что позволяет предположить, что и 16 может быть магическим числом).

Работа Кондо и его коллег могла бы объяснить, почему так происходит. Их результаты показывают, что нейтронная оболочка не была заполнена до конца. Это ставит под вопрос, является ли 20 магическим числом для нейтронов?

Интересно, что выводы работы, похоже, согласуются с явлением, известным как остров инверсии для изотопов неона, натрия и магния, когда оболочки из 20 нейтронов не замыкаются. Это распространяется и на фтор-29, а теперь, по-видимому, и на кислород-28.

Дальнейшее понимание странной незамкнутой нейтронной оболочки придется отложить до тех пор, пока исследователи не смогут исследовать ядро в возбужденном состоянии с более высокой энергией. Другие методы образования кислорода-28 также могут оказаться показательными, хотя их гораздо сложнее реализовать.

На данный момент впечатляющие и с трудом достигнутые результаты команды показывают, что вдвойне магические ядра могут быть намного сложнее, чем мы думали.

Биологическая роль кислорода

Аварийный запас кислорода в бомбоубежище

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводили кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.

Токсичные производные кислорода

Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие, как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются токсичными и реакционноспособными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

Нахождение в природе

Накопление O2 в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка. 1. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O2 не производился 2. (2,45—1,85 млрд лет назад) — O2 производился, но поглощался океаном и породами морского дна 3. (1,85—0,85 млрд лет назад) — O2 выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя 4. (0,85—0,54 млрд лет назад) — все горные породы на суше окислены, начинается накопление O2 в атмосфере 5. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) — современный период, содержание O2 в атмосфере стабилизировалось