Svi udišemo zrak koji se uglavnom sastoji od molekula dušika i kisika s manjim dodatkom drugih elemenata. Dakle, kisik je jedan od najvažnijih kemijskih elemenata. Osim toga, njegove molekule postoje u velikom broju kemijskih spojeva koji se koriste u svakodnevnom životu. Stotinjak stranica nije dovoljno za opis svih svojstava ovog elementa, pa ćemo se ograničiti na glavne činjenice iz povijesti, kao i na osnovne karakteristike elementa - valenciju i oksidacijsko stanje kisika, specifičnu težinu, primjenu, osnovna fizička svojstva.
Povijest otkrića kemijskog elementa
Službeni datum otkrića kemijskog elementa "kisik" je 1. kolovoza 1774. godine. Na današnji je dan britanski kemičar J. Priestley završio svoj pokus razgradnje živinog oksida u hermetički zatvorenoj posudi. Na kraju eksperimenta, znanstvenik je dobio plin koji je podržavao izgaranje. Međutim, ovo otkriće prošlo je nezapaženo čak i od samih znanstvenika. Gospodin Priestley je mislio da je uspio izolirati ne novi element, većsastojak zraka. Joseph Priestley podijelio je svoje rezultate s poznatim francuskim znanstvenikom i kemičarem Antoineom Lavoisierom, koji je uspio razumjeti što Englez ne može učiniti. Godine 1775. Lavoisier je uspio ustanoviti da je rezultirajuća "komponenta zraka" zapravo neovisni kemijski element i nazvao ju je kisik, što na grčkom znači "tvori kiseline". Lavoisier je tada vjerovao da se kisik nalazi u svim kiselinama. Nakon toga su izvedene formule kiselina koje nisu sadržavale atome kisika, ali se naziv zadržao.
Kisik - strukturne značajke molekule
Ovaj kemijski element je bezbojni plin, bez mirisa i okusa. Kemijska formula je O2. Kemičari nazivaju obični dvoatomski kisik ili "atmosferski kisik" ili "dioksigen".
Molekula tvari sastoji se od dva vezana atoma kisika. Postoji i molekula koja se sastoji od tri atoma - O3. Ova tvar se zove ozon, više detalja o tome bit će napisano u nastavku. Molekula s dva atoma ima stanje oksidacije kisika od -2, budući da ima dva nesparena elektrona sposobna za stvaranje kovalentne veze. Energija koja se oslobađa tijekom razgradnje (disocijacije) molekule kisika na atome iznosi 493,57 kJ/mol. Ovo je prilično velika vrijednost.
Valencija i oksidacijsko stanje kisika
Pod valentnošću kemijskog elementa podrazumijevaju njegovu sposobnost da veže određeni broj atoma na sebejoš jedan kemijski element. Valencija atoma kisika je dva. Valencija molekule kisika također je jednaka dva, budući da su dva atoma međusobno povezana i imaju sposobnost vezati još jedan atom drugog spoja na svoju strukturu, odnosno stvoriti kovalentnu vezu s njim. Na primjer, molekula vode H2O nastala je stvaranjem kovalentne veze između jednog atoma kisika i dva atoma vodika.
Kisik se nalazi u mnogim poznatim kemijskim spojevima. Postoji čak i zasebna vrsta kemijskih spojeva - oksidi. To su tvari dobivene spajanjem gotovo bilo kojeg kemijskog elementa s kisikom. Oksidacijsko stanje kisika u oksidima je -2. Međutim, u nekim spojevima ovaj pokazatelj može biti drugačiji. O tome će se detaljnije raspravljati u nastavku.
Fizička svojstva kisika
Obični dvoatomski kisik je plin bez boje, mirisa i okusa. U svom normalnom stanju, njegova gustoća je 1,42897 kg/m3. Težina 1 litre tvari je nešto manja od 1,5 grama, odnosno u svom čistom obliku kisik je teži od zraka. Kada se zagrije, molekula se disocira na atome.
Kada temperatura medija padne na -189,2 oS kisik mijenja svoju strukturu iz plinovitog u tekući. Ovdje dolazi do vrenja. Kada se temperatura smanji na -218, 35 oS, struktura se mijenja iz tekuće u kristalnu. Na ovoj temperaturi kisik ima oblik plavkastih kristala.
Na sobnoj temperaturi kisik je slabo topiv u vodi - 31 mililitar kisika po litri. Topljivost s drugim tvarima: 220 ml na 1 litru etanola, 231 ml na 1 litru acetona.
Kemijska svojstva kisika
O kemijskim svojstvima kisika može se napisati cijeli Talmud. Najvažnije svojstvo kisika je oksidacija. Ova tvar je vrlo jako oksidacijsko sredstvo. Kisik je u stanju komunicirati s gotovo svim poznatim elementima iz periodnog sustava. Kao rezultat ove interakcije nastaju oksidi, kao što je ranije spomenuto. Stanja oksidacije kisika u spojevima s drugim elementima su u osnovi -2. Primjer takvih spojeva je voda (H2O), ugljični dioksid (CO2), kalcijev oksid, litijev oksid, itd. Ali postoji je određena kategorija oksida, koja se naziva peroksidi ili peroksidi. Njihova značajka je da u tim spojevima postoji skupina peroksida "-O-O-". Ova skupina smanjuje oksidacijska svojstva O2, pa je oksidacijsko stanje kisika u peroksidu -1.
U kombinaciji s aktivnim alkalnim metalima, kisik stvara superokside ili superokside. Primjer takvih formacija je:
- kalijev superoksid (KO2);
- rubidijev superoksid (RbO2).
Njihova karakteristika je da je oksidacijsko stanje kisika u superoksidima -1/2.
U kombinaciji s najaktivnijim kemijskim elementom - fluorom, dobivaju se fluoridi. O njima ćeopisano u nastavku.
Najveće oksidacijsko stanje kisika u spojevima
Ovisno o tome s kojom tvari kisik komunicira, postoji sedam oksidacijskih stanja kisika:
- -2 - u oksidima i organskim spojevima.
- -1 - u peroksidima.
- -1/2 - u superoksidima.
- -1/3 - u anorganskim ozonidima (vrijedi za triatomski kisik - ozon).
- +1/2 - u solima kisikovog kationa.
- +1 – u kisikovom monofluoridu.
- +2 – u kisikovom difluoridu.
Kao što vidite, najveći stupanj oksidacije kisika postiže se u oksidima i organskim spojevima, au fluoridima čak ima i pozitivan stupanj. Ne mogu se sve vrste interakcija provesti prirodno. Neki spojevi zahtijevaju posebne uvjete za stvaranje, na primjer: visoki tlak, visoka temperatura, izloženost rijetkim spojevima koji se gotovo nikada ne nalaze u prirodi. Razmotrite glavne spojeve kisika s drugim kemijskim elementima: oksidima, peroksidima i fluoridima.
Klasifikacija oksida prema kiselinsko-baznim svojstvima
Postoje četiri vrste oksida:
- osnovni;
- acid;
- neutralno;
- amfoterično.
Oksidacijsko stanje kisika u spojevima ovih vrsta je -2.
- Bazični oksidi su spojevi s metalima s niskim stupnjem oksidacije. Obično se pri reakciji s kiselinama dobiva odgovarajuća sol i voda.
- Kiseli oksidi - oksidi nemetala s visokim stupnjem oksidacije. Kada se doda uvoda stvara kiselinu.
- Neutralni oksidi su spojevi koji ne reagiraju ni s kiselinama ni s bazama.
- Amfoterni oksidi su spojevi s metalima koji imaju nisku vrijednost elektronegativnosti. Oni, ovisno o okolnostima, pokazuju svojstva i kiselih i bazičnih oksida.
Peroksidi, oksidacijsko stanje kisika u vodikovom peroksidu i drugim spojevima
Peroksidi su spojevi kisika s alkalnim metalima. Dobivaju se spaljivanjem ovih metala u kisiku. Peroksidi organskih spojeva izrazito su eksplozivni. Mogu se dobiti i apsorpcijom kisikovih oksida. Primjeri peroksida:
- vodikov peroksid (H2O2);
- barijev peroksid (BaO2);
- natrijev peroksid (Na2O2).
Sve ih ujedinjuje činjenica da sadrže kisikovu skupinu -O-O-. Kao rezultat, oksidacijsko stanje kisika u peroksidima je -1.
Jedan od najpoznatijih spojeva sa skupinom -O-O- je vodikov peroksid. U normalnim uvjetima, ovaj spoj je blijedoplava tekućina. Prema svojim kemijskim svojstvima, vodikov peroksid je bliži slaboj kiselini. Budući da je -O-O- veza u spoju slabo stabilna, čak i na sobnoj temperaturi, otopina vodikovog peroksida može se razgraditi na vodu i kisik. Međutim, to je najjače oksidacijsko sredstvo kada je u interakciji s jačim oksidacijskim svojstvimaredukcijski agens posjeduje samo vodikov peroksid. Oksidacijsko stanje kisika u vodikovom peroksidu, kao iu drugim peroksidima, je -1.
Druge vrste peroksida su:
- superoksidi (superoksidi u kojima kisik ima oksidaciju od -1/2);
- anorganski ozonidi (izuzetno nestabilni spojevi koji imaju ozonski anion u svojoj strukturi);
- organski ozonidi (spojevi koji imaju -O-O-O- vezu u svojoj strukturi).
Fluoridi, stanje oksidacije kisika u OF2
Fluor je najaktivniji element od svih trenutno poznatih. Stoga, kada kisik reagira s fluorom, ne dobivaju se oksidi, već fluoridi. Nazvani su tako jer u ovom spoju, ne kisik, već fluor je oksidacijsko sredstvo. Fluoridi se ne mogu dobiti prirodnim putem. Sintetiziraju se samo ekstrahiranjem spajanjem fluora s vodenom otopinom KOH. Fluoridi kisika dijele se na:
- difluorid kisika (OF2);
- kisik monofluorid (O2F2).
Pogledajmo pobliže svaki od spojeva. Kisik difluorid u svojoj strukturi je bezbojni plin s izraženim neugodnim mirisom. Pri hlađenju se kondenzira u žućkastu tekućinu. U tekućem stanju ne miješa se dobro s vodom, ali se dobro snalazi sa zrakom, fluorom i ozonom. Po svojim kemijskim svojstvima, kisikov difluorid je vrlo jako oksidacijsko sredstvo. Oksidacijsko stanje kisika u OF2 je +1, odnosno u ovom spoju fluor je oksidacijsko sredstvo, a kisik redukcijski agens. OF2 vrlo otrovno, u smislu toksičnostipremašuje čisti fluor i približava se fosgenu. Glavna upotreba ovog spoja je kao oksidant za raketno gorivo, budući da kisik difluorid nije eksplozivan.
Monofluorid kisika je obično žućkasta krutina. Otapanjem nastaje crvena tekućina. Snažan je oksidacijski agens i iznimno je eksplozivan u interakciji s organskim spojevima. U ovom spoju kisik pokazuje oksidacijsko stanje jednako +2, odnosno u ovom spoju fluora kisik djeluje kao redukcijsko sredstvo, a fluor djeluje kao oksidacijsko sredstvo.
Ozon i njegovi spojevi
Ozon je molekula koja ima tri atoma kisika povezana jedan s drugim. U svom normalnom stanju, to je plavi plin. Pri hlađenju stvara tamnoplavu tekućinu, blisku indigu. U čvrstom stanju, to su tamnoplavi kristali. Ozon ima oštar miris koji se prirodno može osjetiti u zraku nakon jakog nevremena.
Ozon, kao i obični kisik, vrlo je jako oksidacijsko sredstvo. Po kemijskim svojstvima približava se jakim kiselinama. Kada je izložen oksidima, ozon povećava njihovo oksidacijsko stanje oslobađanjem kisika. Ali istodobno se smanjuje stupanj oksidacije kisika. U ozonu kemijske veze nisu tako jake kao u O2, stoga se u normalnim uvjetima, bez napora, može razgraditi u kisik uz oslobađanje toplinske energije. S povećanjem temperature utjecaja na molekulu ozona i smanjenjem tlaka, procesraspad u dvoatomski kisik s oslobađanjem topline se ubrzava. U isto vrijeme, ako postoji visok sadržaj ozona u svemiru, tada ovaj proces može biti popraćen eksplozijom.
Budući da je ozon vrlo jak oksidans i da se u gotovo svim procesima uz njegovo sudjelovanje oslobađa velika količina O2, ozon je izuzetno otrovna tvar. Međutim, u gornjoj atmosferi, ozonski omotač djeluje kao reflektor sunčevog ultraljubičastog zračenja.
Ozon se koristi za stvaranje organskih i anorganskih ozonida pomoću laboratorijskih alata. To su po svojoj strukturi vrlo nestabilne tvari, pa je njihovo stvaranje u prirodnim uvjetima nemoguće. Ozonidi se pohranjuju samo na niskim temperaturama, jer su na uobičajenim temperaturama izuzetno eksplozivni i otrovni.
Upotreba kisika i njegovih spojeva u industriji
Zbog činjenice da su znanstvenici svojedobno saznali koji stupanj oksidacije kisik ima u interakciji s drugim elementima, on i njegovi spojevi naširoko se koriste u industriji. Pogotovo nakon izuma turboekspandera sredinom dvadesetog stoljeća - jedinica sposobne pretvoriti potencijalnu energiju kisika u mehaničku energiju.
Budući da je kisik izuzetno zapaljiva tvar, koristi se u svim industrijama gdje je nužna upotreba vatre i topline. Prilikom rezanja i zavarivanja metala, boce s komprimiranim kisikom također se koriste za jačanje aparata za zavarivanje plamenom. Širokkorištenje kisika u industriji čelika, gdje se komprimirani O2 koristi za održavanje visokih temperatura u visokim pećima. Maksimalno oksidacijsko stanje kisika je -2. Ova se njegova karakteristika aktivno koristi za proizvodnju oksida u svrhu njihovog daljnjeg izgaranja i oslobađanja toplinske energije. Tekući kisik, ozon i drugi spojevi koji sadrže velike količine O2, koriste se kao oksidanti raketnog goriva. Neki organski spojevi oksidirani kisikom koriste se kao eksplozivi.
U kemijskoj industriji kisik se koristi kao oksidacijsko sredstvo za ugljikovodike u kiselim spojevima kao što su alkoholi, kiseline itd. U medicini se koristi pod smanjenim pritiskom za liječenje pacijenata s plućima, za održavanje tjelesne vitalne funkcije. U poljoprivredi se male doze čistog kisika koriste za uzgoj ribe u ribnjacima, za povećanje udjela goveda, itd.
Kisik je moćno oksidaciono sredstvo, bez kojeg je postojanje nemoguće
Gore je puno napisano o tome koji kisik pokazuje oksidacijsko stanje kada reagira s raznim spojevima i elementima, koje vrste kisikovih spojeva postoje, koje vrste su opasne po život, a koje ne. Jedna stvar može ostati neshvatljiva – kako je, uz svu svoju toksičnost i visoku razinu oksidacije, kisik jedan od elemenata bez kojih je život na Zemlji nemoguć? Činjenica je da je naš planet vrlo uravnotežen organizam,koja se prilagodila upravo onim tvarima koje su sadržane u atmosferskom sloju. Sudjeluje u ciklusu, koji izgleda ovako: osoba i sve druge životinje troše kisik i proizvode ugljični dioksid, a biljke u velikoj većini troše ugljični dioksid i proizvode kisik. Sve je na svijetu međusobno povezano, a gubitak jedne karike u ovom lancu može dovesti do prekida cijelog lanca. Ne smijemo zaboraviti na to i zaštititi život na planetu u cjelini, a ne samo njegove pojedinačne predstavnike.
