Kyslík (O, O2) – vlastnosti, dýchanie, fotosyntéza a priemyselné využitie

Prvé experimenty

Jeden z prvých známych pokusov o tom, ako spaľovanie potrebuje vzduch, uskutočnil Grék Filón Byzantský v 2. storočí pred Kristom. Vo svojom diele Pneumatica napísal, že otočenie nádoby hore dnom nad horiacou sviečkou a jej obklopenie vodou znamenalo, že časť vody sa dostala do nádoby. Filón si myslel, že je to preto, lebo vzduch sa zmenil na klasický prvok oheň. To bol omyl. Po dlhom čase Leonardo da Vinci správne prišiel na to, že pri horení sa spotreboval vzduch, ktorý vytlačil vodu do nádoby.

Koncom 17. storočia Robert Boyle zistil, že na spaľovanie je potrebný vzduch. Anglický chemik John Mayow k tomu dodal, že oheň potrebuje len časť vzduchu. Tú teraz nazývame kyslík (vo forme dioxygénu). Pri jednom zo svojich pokusov zistil, že pri vložení sviečky do uzavretej nádoby voda stúpa tak, aby nahradila jednu štvrtinu objemu vzduchu v nádobe, a potom zhasla. To isté sa stalo, keď do nádoby vložil myš. Na základe toho prišiel na to, že kyslík sa používa na dýchanie a spaľovanie.

Teória flogistónu

Robert Hooke, Ole Borch, Michail Lomonosov a Pierre Bayen v 17. a 18. storočí robili pokusy s kyslíkom. Nikto z nich si nemyslel, že ide o chemický prvok. Dôvodom bola pravdepodobne myšlienka flogistónovej teórie. Ten podľa väčšiny ľudí spôsoboval horenie a koróziu.

J. J. Becher s ním prišiel v roku 1667 a Georg Ernst Stahl ho doplnil v roku 1731. Podľa flogistónovej teórie sa všetky horľavé látky skladajú z dvoch častí. Jedna časť, nazývaná flogistón, sa uvoľňovala pri horení látky, ktorá ho obsahovala.

Predpokladalo sa, že veľmi horľavé materiály, ktoré zanechávajú len malé množstvo zvyškov, ako napríklad drevo alebo uhlie, sú vyrobené z flogistónu. O veciach, ktoré korodujú, ako napríklad železo, sa predpokladalo, že obsahujú len malé množstvo. Vzduch nebol súčasťou tejto teórie.

Objav

Poľský alchymista, filozof a lekár Michael Sendivogius hovoril o látke vo vzduchu, ktorú nazval "potravou života", a touto látkou je kyslík. Sendivogius v rokoch 1598 až 1604 zistil, že táto látka je rovnaká ako tá, ktorá vzniká pri tepelnom rozklade dusičnanu draselného. Niektorí ľudia sa domnievajú, že to bol objav kyslíka, zatiaľ čo iní s tým nesúhlasia.

Často sa tiež hovorí, že kyslík ako prvý objavil švédsky lekárnik Carl Wilhelm Scheele. Kyslík vyrobil v roku 1771 zahriatím oxidu ortuťnatého a niektorých dusičnanov. Scheele nazval plyn, ktorý vyrobil, "ohnivý vzduch", pretože to bol jediný známy plyn, ktorý umožňoval horenie. Svoj objav uverejnil v roku 1777.

1. augusta 1774 britský duchovný Joseph Priestley uskutočnil experiment, pri ktorom sa slnečné svetlo sústredilo na oxid ortuťnatý v sklenenej trubici. Vznikol tak plyn, ktorý nazval "deflogistický vzduch". Zistil tiež, že sviečky v tomto plyne horia jasnejšie a myši pri jeho dýchaní žijú dlhšie. Keď sa nadýchal plynu, povedal (zjednodušene): "Cítil som sa ako pri normálnom vzduchu, ale moje pľúca boli potom ľahšie a ľahšie." Jeho zistenia boli uverejnené v roku 1775. Keďže jeho zistenia boli publikované ako prvé, zvyčajne sa hovorí, že je objaviteľom kyslíka.

Francúzsky chemik Antoine Lavoisier neskôr povedal, že túto látku objavil tiež. Priestly ho navštívil v roku 1774 a povedal mu o svojom experimente. Scheele v tom istom roku poslal Lavoisierovi aj list, v ktorom hovoril o svojom objave.

Lavoisierov príspevok

Lavoisier vykonal prvé hlavné experimenty s oxidáciou a podal prvé správne vysvetlenie fungovania spaľovania. Pomocou týchto a ďalších experimentov dokázal, že flogistónová teória je nesprávna. Snažil sa tiež dokázať, že látka, ktorú objavili Priestley a Scheele, je chemický prvok.

Pri jednom experimente Lavoisier zistil, že pri zahrievaní cínu a vzduchu v uzavretej nádobe nedochádza k nárastu hmotnosti. Zistil tiež, že po otvorení nádoby sa do nej dostal vzduch. Potom zistil, že hmotnosť cínu sa zvýšila o rovnaké množstvo, ako sa zvýšila hmotnosť vzduchu, ktorý vnikol dovnútra. Svoje zistenia uverejnil v roku 1777. Napísal, že vzduch sa skladá z dvoch plynov. Jeden nazval "vitálny vzduch" (kyslík), ktorý je potrebný na spaľovanie a dýchanie. Druhý nazval "azote" (dusík), čo v gréckom jazyku znamená "bez života". Tento názov dusíka sa dodnes používa v niektorých jazykoch vrátane francúzštiny.

Lavoisier premenoval "vitálny vzduch" na "oxygén", čo v gréčtine znamená "výrobca z kyselín". Nazval ho tak preto, lebo si myslel, že kyslík je vo všetkých kyselinách, čo bolo nesprávne. Mnohí chemici si uvedomovali, že Lavoiser sa vo svojom pomenovaní mýlil, ale názov bol dovtedy príliš zaužívaný na to, aby sa zmenil.

"Kyslík" sa stal názvom v anglickom jazyku, aj keď anglickí vedci boli proti nemu.

Neskoršia história

Teória atómov Johna Daltona hovorila, že všetky prvky majú jeden atóm a atómy v zlúčeninách sú zvyčajne osamotené. Napríklad sa mylne domnieval, že voda (_H2O) má vzorec len HO. V roku 1805 Joseph Louis Gay-Lussac a Alexander von Humboldt dokázali, že voda sa skladá z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. V roku 1811 Amedeo Avogadro na základe Avogadrovho zákona správne určil, z čoho sa voda skladá.

Koncom 19. storočia vedci zistili, že stlačením a ochladením vzduchu sa dá premeniť na kvapalinu a izolovať zlúčeniny, ktoré sa v ňom nachádzajú. Švajčiarsky chemik a fyzik Raoul Pictet objavil kvapalný kyslík odparovaním oxidu siričitého, čím sa oxid uhličitý premenil na kvapalinu. Ten sa potom tiež odparoval na ochladenie plynného kyslíka, aby sa zmenil na kvapalinu. Dňa 22. decembra 1877 poslal telegram Francúzskej akadémii vied, v ktorom informoval o svojom objave.

Vlastnosti a molekulová štruktúra

Kyslík pri štandardnej teplote a tlaku nemá farbu, zápach ani chuť a je to plyn s chemickým vzorcom O
_{2, ktorý} sa nazýva kysličník.

Dva atómy kyslíka sú chemicky viazané na seba ako kysličník. Táto väzba sa môže nazývať rôzne, ale jednoducho sa nazýva kovalentná dvojitá väzba. Kyslík je veľmi reaktívny a môže reagovať s mnohými inými prvkami. Oxidy vznikajú pri reakcii kovových prvkov s dioxygénom, napríklad oxid železitý, ktorý je známy ako hrdza. Na Zemi sa nachádza veľa zlúčenín oxidov.

Alotropy

Bežný alotrop (druh) kyslíka na Zemi sa nazýva dioxín (O2). Je to druhá najväčšia časť zemskej atmosféry po dinitrogéne (N2). O2 má dĺžku väzby 121 pm a energiu väzby 498 kJ/mol Vďaka svojej energii je O2 využívaný zložitými organizmami, ako sú živočíchy.

Ozón (O3) je veľmi reaktívny a pri vdychovaní poškodzuje pľúca. Ozón vzniká vo vyšších vrstvách atmosféry, keď sa O2 spája s čistým kyslíkom, ktorý vzniká štiepením O2 ultrafialovým žiarením. Ozón absorbuje veľké množstvo žiarenia v UV časti elektromagnetického spektra, a tak ozónová vrstva v horných vrstvách atmosféry chráni Zem pred žiarením.

Tetraoxid (O4) bol objavený v roku 2001. Existuje len v extrémnych podmienkach, keď je na O2 vyvíjaný veľký tlak.

Fyzikálne vlastnosti

Kyslík sa zo vzduchu do vody rozpúšťa ľahšie ako dusík. Keď je vo vode rovnaké množstvo vzduchu a vody, na každé 2 molekuly N2 pripadá jedna molekula O2 (pomer 1:2). To je rozdiel oproti vzduchu, kde je pomer kyslíka k dusíku 1:4. O2 sa tiež ľahšie rozpúšťa v sladkej vode ako v morskej vode. Kyslík kondenzuje pri teplote 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) a mrzne pri teplote 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Kvapalný aj tuhý O2 je priehľadný a má svetlomodrú farbu.

Kyslík je veľmi reaktívny a musí sa držať ďalej od všetkého, čo môže horieť.

Izotopy

V prírode sa vyskytujú tri stabilné izotopy kyslíka. Sú to ^16O, ^17O a ^18O. Približne 99,7 % kyslíka tvorí izotop ^16O.

Výskyt

Kyslík je hmotnostne najrozšírenejším prvkom na Zemi. Po vodíku a héliu je tretím najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Približne 0,9 % hmotnosti Slnka tvorí kyslík. Kyslík tvorí 49,2 % hmotnosti zemskej kôry ako súčasť oxidických zlúčenín, napríklad oxidu kremičitého. Je tiež hlavnou súčasťou pozemských oceánov, kde tvorí 88,8 % hmotnosti. Plynný kyslík je druhou najčastejšou súčasťou atmosféry, tvorí 20,8 % jej hmotnosti a 23,1 % jej objemu. Zem je v porovnaní s ostatnými známymi planétami zvláštna, pretože veľké množstvo jej atmosféry tvorí plynný kyslík. Mars má 0,1 % objemu O2, pričom ostatné planéty Slnečnej sústavy majú menej.

Vysoké množstvo plynného kyslíka na Zemi je spôsobené kyslíkovým cyklom. Ten je riadený najmä fotosyntézou, ktorá vytvára plynný kyslík z oxidu uhličitého, vody a slnečnej energie. Dýchanie potom odoberá plynný kyslík z atmosféry a mení ho späť na oxid uhličitý a vodu. Deje sa to rovnakou rýchlosťou, takže množstvo plynného kyslíka a oxidu uhličitého sa kvôli tomu nemení.

Lekárske

O2 je veľmi dôležitou súčasťou dýchania. Z tohto dôvodu sa používa v medicíne. Používa sa na zvýšenie množstva kyslíka v krvi, aby sa mohlo uskutočniť viac dýchania. Vďaka tomu sa môžu chorí ľudia rýchlejšie uzdraviť. Kyslíková terapia sa používa na liečbu rozedmy pľúc, zápalu pľúc, niektorých srdcových problémov a všetkých ochorení, ktoré človeku sťažujú príjem kyslíka.

Podpora života

Nízkotlakový O2 sa používa vo vesmírnych skafandroch, ktoré obklopujú telo plynom. Čistý kyslík sa používa, ale pri oveľa nižšom tlaku. Ak by bol tlak vyšší, bol by jedovatý.

Kyslíkový predpis NFPA 704 hovorí, že stlačený plynný kyslík nie je nebezpečný pre zdravie a nie je horľavý.

Toxicita

Pri vysokom tlaku môže byť plynný kyslík (O2) nebezpečný pre zvieratá vrátane ľudí. Môže spôsobiť kŕče a iné zdravotné problémy. Toxicita kyslíka sa zvyčajne začína prejavovať pri tlaku vyššom ako 50 kilopascalov (kPa), čo sa rovná približne 50 % kyslíka vo vzduchu pri štandardnom tlaku (vzduch na Zemi má približne 20 % kyslíka).

Predčasne narodené deti sa zvyknú umiestňovať do boxov so vzduchom s vysokým obsahom O2. Toto sa prestalo používať, keď niektoré deti oslepli z kyslíka.

Dýchanie čistého O2 v skafandroch nespôsobuje žiadne škody, pretože sa používa nižší tlak.

Spaľovanie a iné nebezpečenstvá

Koncentrované množstvo čistého O2 môže spôsobiť rýchly požiar. Ak sa koncentrovaný kyslík a palivá priblížia k sebe, môže aj malé vznietenie spôsobiť obrovský požiar. Celá posádka Apolla 1 zahynula pri požiari kvôli koncentrovanému kyslíku, ktorý sa používal vo vzduchu kapsule.

Ak sa kvapalný kyslík vyleje na organické zlúčeniny, napríklad na drevo, môže vybuchnúť.