Розчинений кисень у воді – його роль та на що впливає

Крім солей, інших хімічних елементів, різних забруднень, мікроорганізмів, найпростіших живих істот, одним із найважливіших компонентів є розчинений у воді кисень.
Це стосується як води з-під крана, так і, що продається, бутильованої, так і води в прісноводних водоймах (природних або штучних), морях та океанах.

Чому розчинений кисень у воді такий важливий ?

Анаеробні організми, здатні жити без кисню, існують, але не вони визначають різноманітність флори та фауни на Земній кулі. Точніше у світовому океані, якщо ми говоримо про кисень у воді. Морські та річкові тварини, риби, ракоподібні, водні комахи – всім їм потрібен розчинений у воді кисень. Оскільки концентрація останнього зменшується, логічно, що його кількість має поповнюватися. Яким чином ?

1. По-перше, як і на суші, це здійснюється через фотосинтез, коли рослини (насамперед дерева – “зелені легені” нашої планети), синтезують під впливом сонячного світла та вуглекислого газу в атмосфері, кисень. Той же цикл відбувається і у воді, яку рослини, що ростуть у воді, насичують цілющими молекулами O₂.
2. По-друге, відбувається постійний обмін зовнішнього шару води з атмосферним повітрям.
3. По-третє, якщо ми говоримо про проточні водойми, то чим активніша річка або струмок (вирує, проходить через пороги, коли утворюються завихрення), кількість розчиненого кисню стає більшою, що покаже оксиметр.

Кити та дельфіни дихають повітрям, оскільки мають легкі та періодично з’являються на поверхні, щоб зробити ковток. Але це виняток із правил. Все ж решта морських, океанських і річкових мешканців, проводять все своє життя під водою і якість їх життя, її тривалість значною мірою залежить від розчиненого кисню у воді.
Якщо річка з часом обмілює, заростає, на дні накопичується дедалі більша кількість померлих істот, які розкладаються, концентрація кисню зменшується (його використовуються бактерії – могильники), припливу нового немає і з часом кількість видів скорочується. Водойма вмирає, що добре видно на прикладі боліт.
Першими вимирають види, яким потрібна чиста вода з великою кількістю кисню.
У домашніх умовах, якщо брати акваріуми, ситуація вирішується людьми – безперервно працює насос, що нагнітає повітря, яке частково розчиняється та насичує воду, таким чином риби існують у комфортному середовищі.
У великих ставках, наприклад при розведенні риби, це зробити неможливо через масштаби. Але можна, наприклад, почистити дно, щоб прибрати сміття, останки померлих риб, нез’їдений корм, що забруднює воду. Це непрямим шляхом збільшує кількість кисню.
Але існують і інші причини, що визначають кількість кисню у воді, на які людина майже не впливає.

• Тиск атмосфери. Чим він більший, тим сильніше повітряний стовп тисне на воду та інтенсивніше процеси повітряної дифузії.
• Температура повітря. Спекотного літа, коли стоїть пекло, справжнє лихо з киснем, і оксиметр відобразить, що його кількість катастрофічно падає. І навіть якщо риби будуть підніматися до поверхні води, то їх постійне перебування у верхніх шарах може призвести до загибелі, оскільки вода занадто гаряча. А чим більше замор риби, тим більше на дні накопичується мертвих останків, що ще більше погіршує ситуацію. Таким чином утворюється “смертельна петля” – замкнуте коло зменшення кисню у воді.
• Вітер і хвилі. Навпаки найсприятливішим чином впливають на кисень, збільшуючи його кількість.
• Кількість рослин, що виростають у воді, що виробляють у процесі життєдіяльності кисень.

Ми вже згадали про оксиметри – як портативні так і стаціонарні лабораторні прилади для вимірювання кисню у воді, але вони входять до цілої групи обладнання, яка призначена для комплексного дослідження параметрів якості води: кондуктометри, PH,ОВП,TDS метри.
Але сьогодні ми говоримо саме про кисень. І отже, періодично вимірювати його зміст вкрай важливо.

Кисень у водопровідній воді

Часте відключення води через пориви, ремонти, негативно впливає на процеси корозії трубопроводів. Якщо мова звичайно йде про металеві труби. Коли вода рухається місяцями постійно, то для активізації процесів руйнівної іржі (FE(OH)₂), кисню, що переноситься водою, мало. Корозія йде, але не так швидко. А от якщо воду ввімкнули-відключили, атмосферний кисень надходить до вологої внутрішньої поверхні, і корозія різко посилюється, що видно по іржавій воді, яка спочатку йде з-під крана, після включення води. Плюс мікроорганізми утворюють у процесі своєї життєдіяльності небезпечний для здоров’я слиз. І все це тече потім трубами в наші будинки.
Вміст кисню на станціях подачі води відіграє велику роль і тому, що це впливає на смакові якості води. “Безкиснева вода” не така смачна.

Крім самих металів, кисень окислює марганець та залізо у воді, що призводить до утворення шлаків, зменшення поперечного перерізу та погіршення циркулювання води в системі. А за високої температури теплоносія, корозійні процеси посилюються у кілька разів.

Як видалити кисень з води? Для цього призначені деаератори (air (англ.) – повітря), засновані на термічному, вакуумному методі або застосуванні хімічних реагентів.

§22. Оксиген як хімічний елемент. Кисень – проста речовина

Більш детально властивості простих речовин неметалів розглянемо на прикладі кисню.

Оксиген як хімічний елемент

Оксиген (від слова Оxygenium – «той, що народжує вогонь») – це неметалічний елемент, оскільки він утворює прості речовини які є неметалами. Оксиген – один із найпоширеніших елементів у природі.

Атомний номер – 8 (тому що, в ядрі атома 8 протонів, а навколо ядра рухається 8 електронів)

Відносна атомна маса – A_r(O) = 16.

Валентність у сполуках – ІІ.

Кисень як проста речовин

Пригадай! Які речовини називаються «простими»?

Елемент Оксиген утворює дві прості речовини кисень (О₂) й озон (О₃).

Молекула кисню складається з двох атомів Оксигену. Кисень – найпоширеніша і найважливіша проста речовина Оксигену. Разом з азотом і незначною кількістю інших газів він утворює атмосферу Землі (входить до складу повітря 21% по об’єму). Розчиненим у воді киснем дихають рослини і тварини.

Хімічна формула простої речовини кисню – О₂.

Відносна молекулярна маса кисню: M_r(O₂) = 32;

Фізичні властивості кисню

За звичайних умов це безбарвний газ без смаку, запаху і кольору, трохи важчий за повітря (M_r повітря = 29), малорозчинний у воді. При температурі +20ºС у 100 л води розчиняється близько 3 л кисню.

У разі охолодження під тиском до температури –183ºС він перетворюється на блакитну рідину, яка за температури –219ºС твердне, утворюючи сині кристали.

Кисень можна «перелити» з посудини, де він знаходиться, в іншу посудину як звичайну рідину, тому що він важчий за повітря.

Утворення кисню в природі

У природі кисень утворюється у зелених рослинах внаслідок фотосинтезу із вуглекислого газу і води під дією сонячного світла. Спрощено схему цього процесу можна зобразити так: СО₂ + Н₂О О₂ + органічні речовини.

За допомогою штучних супутників виявлено, що значну масу кисню наша Земля отримує від частинок водяної пари. У найвищих шарах атмосфери під дією сонячної радіації молекули води розпадаються на водень і кисень.

Добування кисню

У лабораторії кисень добувають розкладом деяких складних оксигеновмісних сполук.

1. Дуже чистий кисень добувають розкладом калій перманганату. Якщо зібрати прилад, як показано на рис., і в пробірці нагрівати калій перманганат KMnO₄, то в циліндрі над водою почне збиратися кисень, витискуючи з циліндра воду. Під час нагрівання калій перманганат розкладається на три нові речовини: калій манганат (K₂MnO₄), манган(IV) оксид (MnO₂) і кисень (О₂). Розкладання калій перманганату можна виразити таким хімічним рівнянням:

Вата необхідна для того, щоб затримати тверді продукти реакції розкладу.

Рис. 67. Добування кисню і збирання його витісненням води: 1 – вата; 2 – вода.

2. Добути кисень можна також нагріванням калій хлорату KClO₃ (бертолетової солі). Розкладання цієї солі відбувається дуже повільно, тому, щоб прискорити його розклад, реакцію проводять за наявності MnO₂. Калій хлорат спочатку плавиться, а потім бурхливо розкладається на дві речовини – кисень і калій хлорид (KCl):

Манган (ІV) оксид при цьому не витрачається і до складу продуктів реакції не входить. Він служить каталізатором.

Каталізатори – це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, але не входять до складу її продуктів.

Каталізатори широко використовують у промисловості. Вони прискорюють хімічні реакції, а отже, підвищують продуктивність хімічних процесів.

3. Добувати кисень можна також розкладом гідроген пероксиду за наявності каталізатора манган(IV) оксиду (MnO₂):

Рис. 68. Прискорення реакції розкладання гідроген пероксиду за наявності манган(IV) оксиду. Кисень збирають методом витіснення повітря.

4. Джозеф Прістлі добував кисень, нагріваючи меркурій(ІІ) оксид (HgO) за допомогою великої скляної лінзи, що фокусувала на сполуці сонячне світло:

5. Кисень можна добути також розкладом води постійним електричним струмом:

Отже, у результаті цих реакцій з однієї речовини утворюється кілька нових речовин. Такі реакції належать до реакцій розкладу.

Реакцією розкладу називають таку хімічну реакцію, у результаті якої з однієї складної речовини утворюється дві або більше простих чи складних речовин.

У промисловості кисень добувають із повітря. Спочатку повітря піддають глибокому охолодженню, аж до його перетворення на рідину. Потім температуру добутого рідкого повітря поступово підвищують. Першим з нього починає виділятися газ азот, а рідина збагачується киснем. (Температура кипіння рідкого азоту –196ºС, кисню –183ºС).

Збирання кисню

Добутий кисень можна зібрати двома способами:

Оскільки кисень мало розчиняється у воді, він витісняє воду із циліндра. Гази, які у воді розчиняються, у такий спосіб зібрати неможливо.

Кисень трохи важчий за повітря, тому посудину, в яку збирають кисень, витісненням повітря тримають дном донизу.

Щоб переконатися, що посудина наповнилася киснем, до її отвору підносять жевріючу скіпку. Якщо посудина наповнилася киснем по самі вінця, скіпка спалахує біля її шийки. Щоб зберегти кисень для дослідів, його збирають у газометр витісненням з нього води.

Чистий кисень зберігають у газоподібному стані під тиском у балонах, пофарбованих у блакитний колір.

Підсумок

• Кисень – проста речовина, утворена двома атомами Оксигену.
• Добувають кисень розкладом деяких складних оксигеновмісних сполук:
• У реакціях розкладу з однієї речовини утворюється дві або більше речовин.
• Каталізатори – речовини, які прискорюють хімічні реакції.
• Збирають кисень витісненням повітря і води.

1. Який хімічний елемент найпоширеніший у земній корі?
2. Що таке каталізатор?
3. Що ви знаєте про хімічний елемент Оксиген?
4. Які прості речовини утворює елемент Оксиген?
5. Дайте характеристику кисню.
6. Які фізичні властивості кисню ви знаєте?
7. З яких речовин можна добути кисень?
8. Як перевірити наявність кисню в пробірці?
9. Які реакції називають реакціями розкладу?

Фронтальна робота

Усно

277. У яких випадках йдеться про кисень як просту речовину, а в яких – про Оксиген як хімічний елемент:
а) входить до складу багатьох сполук, які є основою побудови організмів тварин і рослин;
б) розчинений у воді, підтримує життєдіяльність водних організмів;
в) виділяється рослинами у процесі фотосинтезу;

278. Які з наведених процесів призводять до зниження вмісту кисню в повітрі: горіння палива, дихання живих організмів, фотосинтез, насадження лісових масивів?

Письмово

279. Закінчіть реакції розкаду речовин:
2HgO
2KClO₃
2KMnO₄ →
Який з них найвигідніший і чому?

280. Каталізатори – це речовини, які:
а) прискорюють хімічні реакції;
б) сповільнюють хімічні реакції;
в) не впливають на хімічні реакції.

281. До складу води Оксиген входить як:
а) проста речовина;
б) хімічний елемент.

282. Молекулярна маса кисню:
а) 16;
б) 32;
в) 64.

283. У промисловості кисень добувають:
а) електролізом води;
б) розкладом гідропіриту;
в) перегонкою рідкого повітря.

284. Збирання кисню шляхом витискування повітря ґрунтується на тому, що:
а) кисень важчий за повітря;
б) кисень легший за повітря;
в) кисень не змішується з повітрям.

285. Збирання кисню шляхом витискування води ґрунтується на тому, що:
а) кисень добре розчиняється у воді;
б) кисень погано розчиняється у воді;
в) кисень легший за воду.

286. Де трапляється кисень у вільному стані:
а) в атмосфері;
б) розчинений у воді;
в) в мінералах;
г) у складі молекули води?

287. Що означають такі записи: О, 2О₂, 5О, 3Al₂O₃, О₂?

288. Для добування кисню в лабораторії учням видано речовини:
а) KClO₃;
б) KMnO₄;
в) H₂O₂;
г) MnO₂.
Напишіть рівняння відповідних реакцій і вкажіть умови їх перебігу.

289. Складіть хімічні формули сполук, утворених Оксигеном і такими хімічними елементами:
К(І), С(ІІ), Al(III), Mn(IV), Cr(VI), Cu(I), Cu(II), N(V), N(III).

290. Визначте валентність хімічних елементів у сполуках: Fe₂O₃, SO₂, SO₃, SnO₂, Li₂O, As₂O₅, NO, N₂O.

291. Обчисліть масову частку Оксигену у:
а) калій перманганаті (KMnO₄);
б) калій хлораті (KClO₃); в) воді.

292. Розставте коефіцієнти у схемах реакцій:

293. Напишіть рівняння реакції добування кисню електролізом води. На прикладі цієї реакції проілюструйте розрахунками закон збереження маси.

294. Напишіть твір-роздум «Чи можливе життя без кисню?»

Для допитливих

Світовий пріоритет відкриття кисню належить Китаю. У VIII столітті китайський учений Моа-Хао встановив наявність в повітрі газу, що підтримує дихання і горіння.

Карл Вільгельм
Шеєле (1742–1786)
Шведський хімік. У 1772 році встановив, що повітря складається з кисню й азоту.

На початку XVII століття винахідник підводного човна К. Дреббель виділив кисень і використовував його на своєму човні. Його винахід мав військовий характер, тому відомості були засекречені.

Джозеф Прістлі
(1733–1804)
Англійський учений. У 1774 році розкладанням меркурій(ІІ) оксиду добув кисень і вивчив його властивості.

Кисень відкрили майже одночасно два видатні хіміки другої половини XVIII століття – швед К. Шеєле й англієць Джозеф Прістлі. Шеєле добув кисень раніше, але його трактат «Про вогонь і повітря» був опублікований у 1777 році, пізніше, ніж повідомлення Прістлі. Провівши серію дослідів, він дійшов висновку, що повітря містить «вогняний» газ, який підтримує дихання і горіння (кисень) і «зіпсований» газ, який горіння не підтримує (азот). Помер Шеєле у віці 44 років. Причиною смерті було отруєння речовинами, які він добував.

Д. Прістлі добув кисень розкладанням меркурій(ІІ) оксиду світлом від збільшувального скла.

«Мене здивувало, – писав Прістлі, – більше, ніж я міг передати словами, що свічка в цьому газі горіла надзвичайно блискучим полум’ям». Прістлі впустив одну мишу в посудину зі звичайним повітрям, а другу – в таку ж посудину, але з газом, який він добув. Перша миша скоро задихнулася, а друга в цей час ще почувалася добре і жваво рухалася. Прістлі й сам спробував дихати добутим газом і переконався, що дихати ним особливо легко і приємно.

В англійському місті Лідсі є бронзова скульптура молодої людини в модному одязі другої половини XVIIІ століття: на голові у нього – перука, у правій руці – збільшувальне скло, а в лівій – тигель. Так був увіковічнений у пам’яті людей видатний учений Д. Прістлі.

Ґрунтовним дослідником властивостей кисню вважають французького хіміка А. Лавуазьє, який, на відміну від попередників, що тільки відкрили новий газ, створив кисневу теорію горіння. Він довів, що кисень є складовою частиною повітря, а Оксиген входить до складу багатьох речовин.

Домашній експеримент

Попіл – каталізатор

Спробуємо запалити шматочок рафінаду в полум’ї спиртівки. Цукор при цьому не загоряється, а лише плавиться і набуває темного забарвлення. Посипте поверхню цукру попелом від цигарки і знову внесіть його в полум’я спиртівки. Цукор загориться і буде горіти рівним блакитним полум’ям навіть поза полум’ям спиртівки.