§ 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.

2. Хімічні властивості кисню

Кисень — речовина, яка легко вступає в хімічні реакції і з металами, і з неметалами. Внаслідок цих реакцій утворюються складні речовини — оксиди .

Взаємодія кисню з речовинами називається окисненням .
Окиснення може відбуватися бурхливо, з інтенсивним виділенням тепла і світла, або повільно.
Горіння — це реакція окиснення речовин, що відбуваються з виділенням тепла і світла.

Не усі речовини реагують з киснем однаково. Інколи реакції окиснення відбуваються без виділення світла, а теплота виділяється поступово. Це реакції повільного окиснення .

Процеси окиснення відбуваються і у живих організмах. Такі процеси називають диханням.

Під час процесу дихання також мають місце реакцій окиснення органічних речовин, внаслідок чого виділяється енергія, яка забезпечує роботу усіх органів.

Під час взаємодії з киснем з кількох простих речовин утворюються складні речовини. Такі реакції називаються реакціями сполучення.

Реакції сполучення — це реакції, під час яких з двох або більше вихідних речовин утворюється одна складна речовина.

Цікаві факти про кисень

Чи можна уявити собі життя без кисню? Звичайно ж, немає, принаймні, на нашій планеті. Учені не виключають можливості того, що в інших зоряних системах може існувати життя не функціонує зовсім за іншими принципами, але на Землі ніщо живе, крім деяких видів бактерій, не може існувати без кисню. Якого, до речі, в земній атмосфері набагато менше, ніж азоту, але нам для дихання необхідний саме кисень, а вже в якому нешкідливому для зв газі він розчинений — справа десята.

Факти про кисень

1. Відкритий цей елемент був лише у 18-му столітті, незважаючи на те, що він є настільки важливим, і оточує нас всюди.
2. Кисень сприяє горінню інших елементів, але не горить сам.
3. Перші згадки про цю унікальну речовину зустрічаються ще в рукописах 8-го століття китайського алхіміка Мао Хоа.
4. Кисень розчиняється у воді майже в два рази краще, ніж азот. Якби у цього елемента була така ж розчинність, як у азоту, в морях, озерах і річках було б набагато менше кисню, що зробило б життя набагато важче для величезної кількості живих організмів.
5. В нашій атмосфері на кисень припадає 21%. Решта — азот і зовсім небагато інших газів.
6. Наземні дерева і рослини виробляють тільки половину кисню в атмосфері нашої планети. Іншу половину, за оцінками вчених, виробляють здатні до фотосинтезу водорості — фітопланктон, розподілені по світовому океану (цікаві факти про водорості).
7. Занадто велика кількість кисню може привести до отруєння і навіть смерті.