§ 15. Повітря, Оксиген, кисень

Навколо нашої планети існує газувата оболонка, яку називають атмосферою (мал. 77). Усі ми живемо на «дні» цього газуватого океану. Приземний шар атмосфери ми називаємо повітрям. Повітря — це складна суміш близько 15 різних газів. Основними компонентами є азот N₂ і кисень О₂. Уміст азоту становить 78 % від об’єму повітря, а кисню — 21 %. Крім того, у повітрі міститься невелика кількість аргону (0,9 %), вуглекислого газу (0,03 %), озону, водяної пари й інших газів (мал. 78). Об’ємні частки кисню й азоту в повітрі визначив А. Лавуазьє у 1774 році.

Мал. 77. Атмосфера Землі — це порівняно тонкий газуватий шар навколо нашої планети. Приблизно п’яту частину нижніх шарів атмосфери становить кисень

Мал. 78. Склад сухого повітря поблизу поверхні Землі

Склад повітря дещо змінюється залежно від місцевості, погодних умов і висоти над рівнем моря. Наприклад, водяної пари в повітрі у вологу та теплу погоду міститься більше, а в суху та холодну — менше. Вуглекислий газ утворюється в результаті горіння та дихання, тому в повітрі великих міст його більше, ніж над лісами та морями. Уміст азоту й кисню у різних місцевостях майже сталий.

У зачинених і непровітрюваних приміщеннях може накопичуватися багато вуглекислого газу. Повітря, що містить понад 0,1 % вуглекислого газу, негативно діє на людину. Тому слід регулярно провітрювати приміщення.

Кисень та озон

Головний компонент повітря — це кисень. Він підтримує дихання, завдяки чому на Землі можуть жити тварини, та горіння, без якого вже неможливе наше життя. У молекулі кисню два атоми Оксигену сполучені один з одним двома хімічними зв’язками (мал. 79а). Графічна формула кисню має такий вигляд:

Як видно з неї, валентність атомів Оксигену і в простій речовині дорівнює II.

Найбільше кисню міститься в нижніх шарах атмосфери (тропосфері). При підйомі вище над землею вміст кисню потроху зменшується. Саме тому при подорожі високо в горах стає важче дихати. У верхніх, дуже розріджених шарах атмосфери кисню майже немає.

Хімічний елемент Оксиген утворює ще одну просту речовину — озон О₃ (мал. 79б). Озон також наявний в атмосфері, але він переважно перебуває на висоті 30-50 км, утворюючи так званий озоновий шар. Озоновий шар захищає нас від шкідливого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Мал. 79. Формули і моделі молекул: а — кисню; б — озону

Фізичні властивості кисню

За звичайних умов кисень — газ без кольору, смаку та запаху. Товстий шар кисню має ясно-блакитне забарвлення.

Кисень малорозчинний у воді — в 1 л води при температурі 20 °С розчиняється 31 мл кисню (0,004 % за масою). Проте цієї кількості достатньо для дихання риб, що живуть у водоймах. Газуватий кисень трохи важчий за повітря: 1 л повітря при температурі 0 °С і звичайному тиску важить 1,29 г, а 1 л кисню — 1,43 г.

Рідкий кисень — це рухома, блакитна рідина, яка кипить при -183 °С (мал. 80). Твердий кисень — це сині кристали, які плавляться при ще нижчій температурі — -218,7 °С.

Мал. 80. Рідкий кисень має блакитне забарвлення

Кисень — парамагнітна речовина, тобто в рідкому і твердому станах він притягується магнітом (мал. 81, с. 110).

Мал. 81. Рідкий кисень притягується магнітом

Часто можна почути, що блакитний колір денного неба пов’язаний із забарвленням кисню. Проте це не зовсім відповідає дійсності. Колір кисню робить свій внесок у забарвлення неба, проте синій колір пов’язаний здебільшого зі складнішим явищем — розсіюванням сонячного світла в повітрі.

Відкриття кисню

Кисень був відкритий у 1774 році Дж. Прістлі. Він досліджував газоподібні речовини, що утворюються при розжарюванні різних речовин сфокусованими за допомогою лінзи сонячними променями (мал. 82). За такого впливу, зокрема на меркурій(ІІ) оксид, виділяється кисень.

Мал. 82. Для добування кисню Прістлі прожарював меркурій(ІІ) оксид НgO у пробірці, наповненій ртуттю. Утворений кисень витискував ртуть і збирався над шаром ртуті

Оскільки в чистому кисні легше дихалося, то відкритий газ Прістлі назвав «покращеним повітрям». Незалежно від Прістлі приблизно в той же час кисень був відкритий і К. Шеєле. Через здатність кисню підтримувати горіння Шеєле назвав його «вогненним повітрям». Шеєле добув кисень раніше, ніж Прістлі, але опублікував свої результати пізніше. Тому першовідкривачем кисню вважають Дж. Прістлі.

Історія відкриття кисню цікаво переплітається з історією появи підводних човнів. Є відомості, що кисень був відкритий ще в XVII столітті голландським ученим К. Дреббелем. Він використовував цей газ для дихання в підводному човні власної конструкції. Але це відкриття належало до військової техніки й трималося в секреті, тому не вплинуло на подальші дослідження.

Джозеф Прістлі (1733-1804)

Англійський хімік, філософ і громадський діяч. Був священнослужителем, а у вільний час займався наукою, володів дев’ятьма мовами. Один із провідних учених у галузі пневмохімії (хімії газів). У 1774 році відкрив кисень. Окрім кисню, вперше добув азот, хлороводень, флуороводень, амоніак, сірчистий газ, вуглекислий газ. Він був першим, хто спеціально розчинив вуглекислий газ у воді, після чого вода стала напрочуд смачною. Так була винайдена газована (содова) вода. За цей винахід йому було присуджено вищу нагороду Лондонського королівського товариства — медаль Коплея. Содова вода стала першим товарним продуктом хімії газів.

Оксиген у природі

Оксиген — один із найважливіших елементів у природі. Крім простих речовин, він також утворює сполуки майже зі всіма хімічними елементами. Виняток становлять тільки інертні елементи — Гелій, Неон, Аргон.

На поверхні нашої планети Оксиген є найпоширенішим елементом (мал. 83, с. 112). У складі сполук з іншими елементами він становить 49 % від маси земної кори. Оксиген міститься у складі найважливіших мінералів літосфери (червоний залізняк, кварц, гіпс, польовий шпат тощо) і речовин, що зумовлюють родючість ґрунтів (гумус і солі).

Мал. 83. Поширеність Оксигену в природі

Карл Вільгельм Шеєле (1742-1786)

Славетний шведський фармацевт і хімік-самоук. У 15 років він став учнем в аптеці в Ґетеборзі, потім працював у багатьох аптеках Швеції. Незважаючи на неодноразові пропозиції посісти посаду професора, уважав за краще залишитися аптекарем. Уже в 32 роки Шеєле був удостоєний звання члена Стокгольмської академії наук. Сучасники про нього говорили: «Аптекар Шеєле не міг доторкнутися до якого-небудь тіла без того, щоб не зробити відкриття». Шеєле відкрив сім хімічних елементів (О, F, Сl, Мn, Мо, Ва, W). Він уперше виділив багато органічних кислот: щавлеву, лимонну, винну, молочну та інші. Відкрив велику кількість цінних неорганічних сполук.

Найпоширеніша сполука Оксигену — це вода Н₂O. Величезні скупчення води — річки, моря й океани — утворюють гідросферу Землі. З урахуванням розчинених речовин гідросфера містить 86-89 % Оксигену за масою.

Оксиген міститься у складі величезної кількості складних речовин: оксидів, кислот, лугів, солей та інших. Живі організми також містять велику кількість Оксигену. У складі різних сполук Оксиген становить близько 60 % маси тіла людини.

У Періодичній системі Оксиген має порядковий номер 8, відповідно заряд ядра атома Оксигену +8 (мал. 84). Хімічний символ елемента — О, відносна атомна маса 16 — це означає, що атом Оксигену в 16 разів важчий за 1/12 маси атома Карбону (мал. 85). У хімічних сполуках Оксиген завжди виявляє валентність II, незважаючи на те, що він розташований у VI групі Періодичної системи.

Мал. 84. Модель атома Оксигену

Мал. 85. Із Періодичної системи можна дізнатися про порядковий номер Оксигену та його відносну атомну масу

Оксиген є найактивнішим елементом у природі після Флуору. Завдяки цьому він утворює сполуки майже з усіма елементами.

Поняття про оксиди

Сполуки, які окрім Оксигену містять лише один інший хімічний елемент, називають оксидами.

Оксиди — це бінарні сполуки хімічних елементів з Оксигеном.

Щоб розрізняти оксиди, їм присвоюють назви. Назви оксидів складаються з двох слів: назви хімічного елемента (у називному відмінку) та слова «оксид».

Якщо оксид утворено елементом зі змінною валентністю, то також вказують його валентність:

СuО — купрум(ІІ) оксид; Сu₂O — купрум(І) оксид.

Формули оксидів складають за валентністю елементів, що їх утворюють, як було пояснено в § 13.

Своєю назвою елемент Оксиген завдячує А. Лавуазьє. Згідно з теорією Лавуазьє, Оксиген був основним функціональним компонентом кислот, відтак отримав свою назву Охуgenium — «той, що народжує кислоти» (від грец. oxys — кислий та genos — народження).

1. Оксиген — один із найпоширеніших і найважливіших елементів у природі. Він утворює сполуки майже зі всіма відомими елементами. Найбільше Оксигену міститься у гідросфері, також значний вміст Оксигену в літосфері та атмосфері.

2. Оксиген у сполуках завжди двовалентний, його відносна атомна маса дорівнює 16.

3. Кисень і озон — прості речовини, утворені Оксигеном. Найпоширеніша серед них — кисень, що міститься в атмосфері Землі. Кисень — безбарвний газ, трохи важчий за повітря і малорозчинний у воді. Рідкий і твердий кисень має блакитне забарвлення і притягується магнітом.

Контрольні запитання

1. Опишіть фізичні властивості кисню.

2. Опишіть поширеність кисню й озону на Землі.

3. Чи є хімічною реакцією перетворення рідкого кисню на газуватий? А на твердий? Відповідь поясніть.

4. Яка поширеність Оксигену в різних оболонках Землі?

5. Які сполуки Оксигену є у складі земної кори?

6. Наведіть приклади найпоширеніших і найважливіших сполук Оксигену, що трапляються в природі.

7. Які речовини називають оксидами?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Обчисліть відносні молекулярні маси кисню й озону.

2. Обчисліть, у скільки разів кисень важчий за повітря.

3. Навіщо працівники рибних господарств роблять узимку ополонки на льоду річок і озер?

4. Як ви вважаєте, чи можна виділити чистий кисень з повітря дією магніту, якщо інші гази повітря магнітом не притягуються?

5. Уявіть, що перед вами дві однакові закриті колби, наповнені за однакових умов повітрям і киснем. Як можна визначити, у якій із колб міститься кисень? Чи можна це виявити, не відкриваючи колби?

6. З підвищенням температури розчинність газів у воді зменшується. Чи можна заливати в акваріум для риб прокип’ячену охолоджену воду?

7. Використовуючи наведені в параграфі дані, обчисліть: а) масу кисню об’ємом 10 л; б) об’єм кисню масою 10 г.

8. Обчисліть, у скільки разів атом Оксигену важчий за атом: а) Гідрогену; б) Карбону; в) Сульфуру.

9. Складіть формули оксидів: магній оксид, ферум(ІІ) оксид, фосфор(V) оксид, плюмбум(IV) оксид, купрум(І) оксид, хром(ІІІ) оксид.

10. Визначте валентності елементів у наведених оксидах, назвіть ці оксиди: К₂O, CaO, Р₂O₃, NO₂, I₂O₅, SO₃, Сl₂O₇?.

11. Оксиген міститься у мінералах: гематиті Fe₂O₃, кварці SiO₂, піролюзиті МnO₂. У якому з них масова частка Оксигену найбільша?

12 * . Відомо, що максимальний уміст кисню спостерігається в нижніх шарах атмосфери. У міру віддалення від поверхні Землі його вміст зменшується, а у верхніх шарах атмосфери кисню майже немає. Чим це можна пояснити?

Лінгвістична задача

Оксос у перекладі з грецької мови означає «кислий», гідро — «вода», а генеа — «походження». Що означають назви хімічних елементів Оксиген і Гідроген?

Аналіз води основні показники, розшифровка

Якість водопровідної води в багатьох регіонах України залишає бажати кращого. Тому природне бажання споживача – дізнатися про склад рідини, що тече з крана. Найнадійніший спосіб – зробити аналіз води, показники якого наочно продемонструють її склад. Але, отримавши на руки сертифікат аналізу, деякі не завжди можуть розібратися, що там до чого. Правильна розшифровка показників аналізу питної води надзвичайно важлива. Отже, про що ж говорять показники аналізу води зі свердловини або водогону?

Загальний аналіз води – з чого почати

У першу чергу, варто визначитися, який саме аналіз вам потрібен. Відповідно, буде відрізнятися ціна дослідження і кількість показників. Наприклад, в лабораторії «УкрХімАналіз» пропонують три види досліджень: повний аналіз води (50 показників), а також розширений (30 показників) і базовий (20 показників) аналізи.

У базовий аналіз входять, зокрема, такі основні параметри якості води як кольоровість, каламутність, жорсткість води, вміст в ній нітратів, хлору, амонію і т.п. Даний тип аналізу призначений, в першу чергу, для порівняльної характеристики, – зазначає завідувач відділом хімічного аналізу ТОВ «УкрХімАналіз» Григорій Кримець. Наприклад, порівняти якість води з фільтром і без нього, порівняти воду з двох свердловин або зі свердловини і водогону. Для отримання більш повної характеристики краще зробити розширений аналіз води на основні показники.

Для отримання об’єктивних результатів потрібно правильно зробити забір проби для аналізу питної води. Вода набирається тільки в чисту, попередньо підготовлену тару. Не варто набирати воду в пляшки з-під соку, лимонаду або інших напоїв, навіть, якщо вони ретельно вимиті. Бажано, щоб при транспортуванні вода була захищена від прямого потрапляння сонячних променів. Для окремих показників аналізу питної води важливий і час доставки в лабораторію (від 2 до 4 годин після забору проби).

І ось ви отримали на руки сертифікат аналізу питної води. Для всіх показників повинен бути вказаний не тільки вміст тієї чи іншої речовини в даному зразку, а й допустима концентрація, згідно з державними санітарними нормами «Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людини». Перевищення допустимих норм говорить про те, що така концентрація того чи іншого компонента може завдати шкоди здоров’ю.

Аналіз питної води – розшифровка показників

Розширений хімічний аналіз води – це 30 показників, розшифрувавши які можна отримати цілком вичерпну картину про якість води з водогону або свердловини. Зокрема, даний вид аналізу враховує такий важливий параметр як хімічне споживання кисню. Він показує, скільки кисню йде на окислення органічних речовин. ХСК визначає 95% всіх органічних речовин, що містяться у воді. Це один з основних показників, що характеризують чистоту води. З ним корелюються ще два параметри: перманганатна окиснюваність (показує приблизно половину всіх органічних речовин і органічний вуглець (показує вміст вуглецю в цих речовинах). Два останніх показники входять тільки в повний аналіз води.

Загальний аналіз води включає і такий показник як жорсткість. До речі, саме за ним бракується близько половини всіх досліджуваних в лабораторії зразків, – зазначає завідувач відділом хімічного аналізу ТОВ «УкрХімАналіз» Григорій Кримець. Жорстка вода містить надлишок солей кальцію і магнію. Постійно вживаючи таку воду, ви можете помітити, що суттєво погіршився стан шкіри і волосся. І це тільки зовнішні прояви. Солі відкладаються в організмі, що призводить до хвороб суглобів, а також появи каменів в нирках і жовчному міхурі. Допустима жорсткість води – не більше 7 ммоль / дм3. Розшифровка показників аналізу води, допоможе зрозуміти, наскільки жорстку воду ви вживаєте.

Ще один важливий аспект якості води – фенольний показник. Феноли це органічні сполуки ароматичного ряду, які застосовуються у виробництві різних фенолоальдегідних смол, поліамідів, епоксидних смол, антиоксидантів і т.п. При попаданні в організм вони здатні викликати важкі отруєння. Зокрема, феноли надають токсичну дію на нирки і головний мозок. Так, наприклад, коли в 1990 році в Уфі в річку потрапили відходи підприємства «Хімпром», це було серйозною екологічною катастрофою.

Притому, що вміст фенолів у воді може призвести до серйозних наслідків для здоров’я, за санітарно-хімічними показниками безпеки та якості питної води, їх наявність в воді буде перевірятися в Україні тільки з 2020 року. Тому краще зробити хімічний аналіз води, показники якого і допоможуть зрозуміти, містяться в вашому водогоні феноли чи ні. Насправді, періодична поява фенолів може бути пов’язано з неякісними трубами, – кажуть фахівці. Феноли можуть з’являтися, коли при ремонті використовуються неякісні матеріали: труби, прокладки, рідкі ущільнювачі, герметики для труб. Вони і містять в своєму складі феноли, які потім потрапляють у воду. Рішення проблеми – встановлення фільтра.

Якщо здаєте воду на аналіз зі свердловини, зверніть увагу на такі показники як вміст нітратів і фосфатів. Вони можуть бути перевищені, якщо поруч з вашою присадибною ділянкою знаходяться промислові або сільськогосподарські підприємства.

Як читати результати аналізів? Нормативне значення 30 показників

Взагалі, як стверджують фахівці, фільтр здатний впоратися з більшістю «водних» проблем. Потрібно тільки підібрати відповідну модель, щоб і зайвого не переплатити, і поліпшити якість води.

Киснева вода

Існує безліч різних технологій зі створення “живої” води. На цьому тижні читачка нашого блогу запитала, що таке “киснева вода”, і чим вона відрізняється від звичайної. Тож ми спробуємо дати відповіді на найпоширеніші питання по цій темі.

Втім, додамо невеликий спойлер, наука стверджує, що кисень у воді, яку ми п’ємо, не пов’язаний з його кількістю у нашій крові.

Розчинений кисень в природних водах

Показник розчиненого кисню для питної води не нормується ніде у світі, оскільки, по-перше, він не впливає на її якість, а, по-друге, не несе важливої непрямої інформації. Далі ми розкажемо чому цей показник важливий для природних вод і не є інформативним для питної води.

Що стосується природних водойм, в такому разі вміст розчиненого кисню у воді відіграє важливу роль, фактично являє собою оцінку життєздатності флори й фауни водойми.

Вода насичується киснем, контактуючи з атмосферою і наповнюючись природними опадами, які завжди містять більше газів, а також в процесі фотосинтезу водоростей всередині водойми. Знижується ж рівень кисню в процесах гниття, розкладання органічних продуктів, розмноження водоростей (заростання водойм).

У свердловинних водах, незалежно від горизонту, кисню практично немає, відповідно немає й аеробних мікроорганізмів. Зате є розчинне двовалентне залізо, яке при потраплянні на повітря схильне досить швидко окиснюватися до нерозчинного тривалентного.

У питній воді живих бактерій бути не повинно, інших живих організмів теж. Тому визначення кисню у воді для пиття не несе будь-якої змістове навантаження.

Що таке киснева вода?

Завдяки своїм фізичним і хімічним властивостям вода здатна бути сильним розчинником. У ній можуть розчинятися органічні й неорганічні солі, а також більшість газів.

Якщо говорити про кисневу воду, то вона є прикладом системи, яка складається з рідини (води – H₂O) і розчиненого газу — кисню (O₂). В одному літрі води при 20°C може розчинитися 31 мл кисню. Для порівняння наведемо також розчинність інших газів: 879 мл для вуглекислого газу, і 2,3 літра для хлору.

Фактично, киснева вода — це та ж газована вода, тільки замість вуглекислого газу (CO₂) вона штучно насичена киснем під надлишковим тиском і закрита кришкою.

Від чого залежить розчинність кисню?

Основними факторами є температура й тиск. Чим вища температура, тим нижча розчинність кисню в воді, і навпаки. З цієї причини вода після кип’ятіння практично позбавлена будь-яких розчинених газоподібних речовин. Доречно відзначити, що мембрани зворотного осмосу здатні пропускати молекули розчиненого кисню.

Також важливу роль відіграє тиск, чим він вищий, тим більше газу поміститися в об’ємі води. З цієї причини в пластикові пляшки вуглекислий газ задувається під великим тиском, а потім герметично закривається кришкою. Звідси при відкритті пляшки характерний “пшик”, який супроводжує виділення скупченого нерозчиненого газу.

Можливо ви звертали увагу, що якщо пляшка з газованою водою нагріється на сонці, то вона роздувається, а після охолодження знову зменшується. Цей ефект обумовлений тим, що розчинність вуглекислого газу (як і будь-якого іншого) падає, і він виділяється з води утворюючи в вільному просторі пляшки зайвий тиск, а при охолодженні знову розчиняється.

Вміст кисню у воді

У літрі звичайної водопровідної води міститься 2,5 – 3,5 мілілітри кисню, в чистих річках його вміст може досягати 20 мл, а в забруднених стоками водоймах кисень може бути й відсутнім.

Як ми писали вище, у воді може розчинитися й більше кисню, наприклад, виробники подібної “кисневої води” стверджують, що в їх продукті може міститися до 90 млО₂/л. Група вчених провела дослідження складу кисневої води п’яти різних брендів, і дійсно в 4 з 5 кількість значно перевищувала концентрацію кисню у звичайній водопровідній воді, а в одній з проб була ідентичною. Правда, в момент відкриття ємності граничний вміст дорівнював вже не більше, ніж 80 млО₂/л, оскільки при нормальних умовах кисень прагне виділитися в атмосферу. Щоб дізнатися скільки кисню в воді, потрібно провести певні дослідження. У лабораторних умовах експеримент проводиться найчастіше методом титрування. Для домашніх експериментів підійдуть тест-смужки й краплинні тести, які варто шукати в магазинах акваріумістів.

Чи може людина дихати шлунком?

Якщо почитати різноманітні маркетингові матеріали, можна подумати, що киснева вода дійсно має певні терапевтичні властивості. Але всі доводи розсіюються в момент повернення в шкільний курс біології.

“Кожна клітина організму має здатність засвоювати кисень”, – кажуть вони, і це правда, просто вона трохи скорочена. Анатомія, тобто наука про людину, говорить нам про те, що разом з повітрям кисень потрапляє в легені, а там контактує з альвеолами, які пронизані сіткою тонких кровоносних судин. Вони ж здатні вбирати кисень з повітря і виводити вуглекислий газ. Далі кисень потрапляє в еритроцити, де зв’язується з залізом в складі гемоглобіну, а вже потім транспортується по тканинах організму. Інших методів дихання у людини немає, хоча вони можливі для рослин і кишковопорожнинних організмів (наприклад, медузи).

Тепер трохи про цифри. Один єдиний вдих в спокійному стані становить близько 500 мл, кисень в загальному обсязі становить 21%, тобто приблизно 105 мл. А ось максимальна концентрація кисню в штучно насиченій воді сягає не більше 90 мл/л. Тобто для того, щоб у ваш стравохід потрапила аналогічна одному вдиху кількість кисню з води необхідно випити трохи більше ніж літр рідини. Зауважте, робити це треба одним духом, оскільки в нормальних умовах гази моментально випаровуються на волю, адже так працюють закони фізики.

Що стосується травного тракту, то кисень там є і без збагаченої води — в складі кишкових газів. Він потрапляє туди шляхом проковтування повітря під час їжі. Загальний обсяг цих газів становить від 150 до 500 мл. У різних відділах травної системи вміст кисню відрізняється. У шлунку їх 15-16%, найімовірніше навіть більше, ніж у банці кисневої води, далі кількість кисню зменшується.

Що стосується прямого запитання про дихання шлункових тканин, наука не заперечує, що капілярна сітка навколо шлунка здатна вбирати кисень.

Навіть існує дослідження на лабораторних кроликах, яке підтвердило, що якщо в шлунок тварини ввести певну кількість (близько 2% їх ваги) води, пересиченої киснем, то його вміст в кровоносних судинах черевної порожнини зросте. Що стосується людей, то споживання води, яка перенасичена киснем, ні до яких змін параметрів крові не привело, про що говорять, наприклад, ця, ця і ще кілька десятків статей, що описують реальні медичні випробування в спеціалізованих наукових журналах.

Ми не знайшли обґрунтованих і підтверджених фактами досліджень, тому, як ви здогадалися, частини з описом позитивного ефекту такої води в цій статті не буде.