§ 17. Повітря, його склад. Оксиген. Кисень, його фізичні властивості

Повітря — природна суміш газів. Це ви знаєте з курсу природознавства. Які гази й у якій кількості входять до складу повітря? Пригадати ці відомості вам допоможуть діаграми на рисунку 17.1.

Рис. 17.1. Середній склад сухого повітря: об’ємні (1) і масові (2) частки (у частках від одиниці й відсотках) газів у ньому

Окрім азоту, кисню, вуглекислого газу, у повітрі є водяна пара, озон, домішки пилу, інших газів тощо (докладніше про склад повітря – у таблиці 6 Додатка).

Відкриття кисню дотепер залишається предметом наукової дискусії істориків хімії.

Цікаво і пізнавально

У VIII столітті китайський алхімік Мао Хоа вважав: повітря складається з двох частин, одна з яких підтримує горіння й дихання, а інша – ні.

Є підстави вважати відкривачами кисню щонайменше трьох дослідників: шведського хіміка Карла Вільгельма Шеєле (рис. 17.2.1), англійського священика Джозефа Прістлі (рис. 17.2.2) і французького хіміка Антуана Лорана Лавуазьє (рис. 17.2.3).

Рис. 17.2.1. Шеєле Карл Вільгельм (1742-1786). Шведський хімік і фармацевт. Член Королівської шведської академії наук. Хімію вивчав самотужки. Уперше добув багато неорганічних і органічних речовин, зокрема кисень

Рис. 17.2.2. Прістлі Джозеф (1733-1804). Англійський хімік, філософ, член Лондонського королівського товариства. Відкрив кисень. Проводив експерименти з повітрям, забрудненим різними газами. Виявив, що «повітря, зіпсоване горінням або диханням», стає придатним для дихання внаслідок життєдіяльності зелених частин рослин, одним з продуктів якої є кисень

Рис. 17.2.3. Лавуазьє Антуан Лоран (1743-1794). Французький хімік. Член Паризької академії наук. Його праці сприяли перетворенню хімії на науку, яка ґрунтується на точних вимірюваннях. Експериментально обґрунтував основний закон хімії – закон збереження маси речовин; визначив склад повітря; уперше правильно пояснив явище горіння як процес взаємодії речовин із киснем; довів, що процес дихання подібний до процесу горіння

Перше повідомлення про одержання безбарвного газу, в якому свічка горить яскравіше, ніж у повітрі, а тліюча скіпка спалахує, було зроблено в 1775 році Дж. Прістлі на засіданні Лондонського королівського товариства. Кількома роками раніше кисень добув К. Шеєле і назвав його «вогненним повітрям». Однак він необачливо забарився з оприлюдненням свого відкриття: трактат «Про повітря й вогонь» побачив світ лише 1777 року.

Тим часом у 1775 році А. Лавуазьє повторив досліди Дж. Прістлі та вдосконалив їхню методику. У виступі на засіданні Паризької академії наук учений повідомив, що йому вдалося отримати та описати властивості «найчистішої частини повітря, яке нас оточує». А. Лавуазьє назвав цей складник повітря життєвою основою (спробуйте пояснити чому).

Цікаво і пізнавально

Термін «кисень» уперше запровадив Антуан Лавуазьє 1777 року.

Про кількісний склад повітря. Щоб перевірити правильність міркувань великих хіміків минулого, відтворимо історію досліду. Помістимо в посудину з водою чашку для випарювання, у якій закріпимо свічку (рис. 17.3.1). Запалимо її й хутко накриємо скляним дзвоном, попередньо розміченим на п’ять рівних частин.

З курсу природознавства ви знаєте: поки у дзвоні є кисень – свічка горітиме. Під час горіння кисень витрачатиметься, тож вода заповнюватиме простір, що вивільнився. Тому її рівень у дзвоні підвищиться. Свічка погасне, коли кисню у дзвоні не залишиться (рис. 17.3.2).

Результати експерименту засвідчили: рівень води в циліндрі підвищився на одну поділку. Це означає, що об’єм повітря зменшився приблизно на одну п’яту частину. Тобто об’ємна частка кисню в повітрі становить близько 20 % (порівняйте здобуті експериментальні дані з тими, що наведено на діаграмі, зображеній на рисунку 17.1.1). Однак зауважимо, що внаслідок згоряння парафіну свічки утворюється газувата речовина – вуглекислий газ CO₂ й водяна пара H₂O. Це ускладнює точність визначення частки кисню під час згаданого історичного досліду.

Рис. 17.3. Визначення об’ємної частки кисню в повітрі

Склад молекули кисню вперше правильно визначив італійський науковець Амедео Авогадро (рис. 17.4). Він експериментально встановив відносну молекулярну масу кисню й дійшов висновку, що його молекула складається з двох атомів Оксигену (рис. 11.1).

Пригадайте хімічний знак Оксигену. Зазначте валентність (за потреби скористайтеся таблицею 15.1) і запишіть значення відносної атомної маси цього хімічного елемента.

Запишіть і вимовте хімічну формулу кисню. Обчисліть його відносну молекулярну масу. Простою чи складною речовиною є кисень?

Рис. 17.4. Авогадро Амедео (1776-1856). Італійський фізик і хімік (юрист за освітою). Популярність його імені пов’язана з відкриттями в галузі фізики й хімії. У 1811 році заклав основи молекулярної теорії. Цього ж року відкрив закон, названий його ім’ям. Винайшов метод визначення молекулярних мас, першим правильно обчислив атомні маси низки хімічних елементів

Фізичні властивості кисню. За звичайних умов кисень – безбарвний газ, без смаку й запаху. Його густина трохи більша за густину повітря. Твердий кисень плавиться за температури -218 °С. Рідкий кисень кипить за температури -183 °С. Кисень у рідкому стані – блакитна рухлива рідина. Скраплений кисень зберігають у посудинах Дьюара.

Цікаво і пізнавально

У лабораторіях і в промисловості посудину Дьюара використовують для зберігання зрідженого кисню, азоту, гелію. Побутовий термос – різновид посудини Дьюара.

Кисень малорозчинний у воді: за нормальних умов (0 °С, 1 атм) у воді об’ємом 100 л розчиняється кисень об’ємом 5 л. За 20 °С і тиску 1 атм у воді такого самого об’єму розчиняється кисень об’ємом 3,1 л.

Чи не кожен акваріуміст використовує компресори для аерації води. Поясніть, чому в спеку потреба в аерації зростає.

Які фізичні властивості кисню використовують для його збирання в посудину, ви дізнаєтеся з § 20.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Хімічний символ Оксигену – О, відносна атомна маса – 16, валентність – ІІ.
• Молекула кисню складається з двох атомів Оксигену. Відносна молекулярна маса кисню – 32.
• За звичайних умов кисень – безбарвний газ, без смаку й запаху, малорозчинний у воді.
• Густина кисню трохи більша за густину повітря.
• Кисень кипить за температури -183 °С.
• Рідкий кисень – блакитна рухлива рідина.
• Температура плавлення кисню -218 °С.

Перевірте себе

• 1. Який склад повітря?
• 2. Уміст якого газу в повітрі найбільший?
• 3. Хто відкрив кисень?
• 4. Як експериментально можна визначити приблизний уміст кисню в повітрі?
• 5. Який науковець уперше правильно визначив відносну молекулярну масу кисню і склад його молекули?
• 6. Яка відносна атомна маса Оксигену? Валентність?
• 7. Скільки атомів у молекулі кисню? Яка його хімічна формула?
• 8. Які фізичні властивості кисню?

Застосуйте свої знання й уміння

• 9. Чому кисень, випущений з балона, накопичується в нижній частині виробничого приміщення, заповнює всі приямки та траншеї і надовго там затримується?
• 10. Чому жива троянда, яку занурили в посудину з рідким киснем, стала крихкою (рис. 17.5)?

Рис. 17.5

• 11*. Чому науковці тривалий час вважали повітря чистою речовиною, а не сумішшю?
• 12. Класифікуйте речовини, що є в повітрі (тут і далі див. таблицю 6 Додатка), на прості й складні.
• 13. Порівняйте якісний і кількісний склад: а) кисню О₂ й озону O₃; б) кисню O₂, азоту N₂ й водню H₂; в) вуглекислого газу CO₂ й нітроген(ІV) оксиду NO₂.
• 14. Визначте валентності хімічних елементів у складних речовинах, які є в повітрі.
• 15. Обчисліть відносні молекулярні маси складних речовин, які є в повітрі.
• 16*. Прокоментуйте висловлювання відомого вченого-хіміка А. Лавуазьє: «. Не робити жодного висновку, який не випливав би безпосередньо з досліду і спостереження, не пропонувати нічого понад те, що підтверджує дослід, і нічого не добавляти там, де факти мовчать».

Творча майстерня

• 17. Підготуйте презентацію «Історія відкриття кисню».
• 18. За матеріалами Інтернету підготуйте повідомлення про дивовижні властивості рідкого кисню.

Дізнайтеся більше про кисень (с. 179).

§ 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.

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.