Kyslík

Historie

První experimenty

Jeden z prvních známých pokusů o tom, jak spalování potřebuje vzduch, provedl Řek Filón Byzantský ve 2. století před naším letopočtem. Ve svém díle Pneumatica napsal, že otočení nádoby dnem vzhůru nad hořící svíčkou a její oblití vodou znamená, že se do nádoby dostane trochu vody. Filón se domníval, že je to proto, že se vzduch proměnil v klasický živel oheň. To byl omyl. Dlouho poté Leonardo da Vinci správně přišel na to, že při hoření se spotřebovává vzduch, který vytlačuje vodu do nádoby.

Na konci 17. století Robert Boyle zjistil, že ke spalování je zapotřebí vzduch. Anglický chemik John Mayow k tomu dodal, že oheň potřebuje pouze část vzduchu. Tu nyní nazýváme kyslík (ve formě dioxygenu). Při jednom ze svých pokusů zjistil, že při vložení svíčky do uzavřené nádoby voda stoupá tak, aby nahradila čtvrtinu objemu vzduchu v nádobě, a teprve poté zhasne. Totéž se stalo, když do krabice vložil myš. Z toho vyvodil, že kyslík se používá k dýchání a hoření.

Teorie flogistonu

Robert Hooke, Ole Borch, Michail Lomonosov a Pierre Bayen prováděli v 17. a 18. století pokusy s kyslíkem. Nikdo z nich si nemyslel, že jde o chemický prvek. Důvodem byla pravděpodobně myšlenka flogistonové teorie. Ten podle většiny lidí způsoboval hoření a korozi.

J. J. Becher s ní přišel v roce 1667 a Georg Ernst Stahl ji doplnil v roce 1731. Flogistonová teorie tvrdila, že všechny hořlaviny se skládají ze dvou částí. Jedna část, nazývaná flogiston, se uvolňuje při hoření látky, která ho obsahuje.

Velmi hořlavé materiály, které zanechávají jen malé množství zbytků, jako je dřevo nebo uhlí, byly považovány za flogiston. Věci, které podléhají korozi, jako je železo, byly považovány za látky, které obsahují jen malé množství floglozidu. Vzduch nebyl součástí této teorie.

Discovery

Polský alchymista, filozof a lékař Michael Sendivogius hovořil o látce obsažené ve vzduchu a nazval ji "potravou života"., a touto látkou je kyslík. Sendivogius v letech 1598-1604 zjistil, že jde o stejnou látku, jaká vzniká při tepelném rozkladu dusičnanu draselného. Někteří lidé se domnívají, že to byl objev kyslíku, zatímco jiní s tím nesouhlasí.

Často se také uvádí, že kyslík poprvé objevil švédský lékárník Carl Wilhelm Scheele. Ten v roce 1771 vyrobil kyslík zahřátím oxidu rtuťnatého a některých dusičnanů. Scheele nazval plyn, který vyrobil, "ohnivý vzduch", protože to byl jediný známý plyn, který umožňoval hoření. Svůj objev zveřejnil v roce 1777.

1. srpna 1774 provedl britský duchovní Joseph Priestley pokus, při němž se sluneční světlo zaměřilo na oxid rtuťnatý ve skleněné trubici. Vznikl tak plyn, který nazval "deflogistický vzduch". Zjistil také, že svíčky v tomto plynu hoří jasněji a myši při jeho dýchání žijí déle. Když se plynu nadýchal, řekl (zjednodušeně řečeno): "Bylo to jako normální vzduch, ale moje plíce se poté cítily lehčí a snadnější." Své poznatky zveřejnil v roce 1775. Protože jeho poznatky byly publikovány jako první, bývá označován za objevitele kyslíku.

Francouzský chemik Antoine Lavoisier později prohlásil, že tuto látku také objevil. Priestly ho v roce 1774 navštívil a vyprávěl mu o svém pokusu. V témže roce Scheele také poslal Lavoisierovi dopis, v němž hovořil o svém objevu.

Lavoisierův příspěvek

Lavoisier provedl první hlavní pokusy s oxidací a poprvé správně vysvětlil, jak funguje spalování. Těmito a dalšími pokusy dokázal, že flogistonová teorie je chybná. Snažil se také dokázat, že látka objevená Priestleym a Scheelem je chemický prvek.

Při jednom pokusu Lavoisier zjistil, že při zahřívání cínu a vzduchu v uzavřené nádobě nedochází k nárůstu hmotnosti. Zjistil také, že po otevření nádoby se dovnitř dostává vzduch. Poté zjistil, že hmotnost cínu vzrostla o stejné množství, o jaké se zvětšil vniklý vzduch. Své poznatky zveřejnil v roce 1777. Napsal, že vzduch se skládá ze dvou plynů. Jeden nazval "životně důležitý vzduch" (kyslík), který je potřebný pro spalování a dýchání. Druhý nazval "azote" (dusík), což v řečtině znamená "neživý". Takto se dusík dodnes nazývá v některých jazycích, včetně francouzštiny.

Lavoisier přejmenoval "vitální vzduch" na "oxygène", což v řečtině znamená "výrobce z kyselin". Nazval ho tak proto, že se domníval, že kyslík je obsažen ve všech kyselinách, což bylo nesprávné. Mnoho chemiků si uvědomilo, že se Lavoiser ve svém pojmenování mýlil, ale název byl do té doby příliš běžný na to, aby se změnil.

"Kyslík" se stal názvem v angličtině, přestože angličtí vědci byli proti.

Pozdější historie

Podle teorie atomů Johna Daltona mají všechny prvky jeden atom a atomy ve sloučeninách jsou obvykle osamocené. Například se mylně domníval, že voda (_H2O) má vzorec pouze HO. V roce 1805 Joseph Louis Gay-Lussac a Alexander von Humboldt prokázali, že voda se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. V roce 1811 Amedeo Avogadro na základě Avogadrova zákona správně určil, z čeho se voda skládá.

Koncem 19. století vědci zjistili, že vzduch lze stlačením a ochlazením přeměnit na kapalinu a izolovat v něm obsažené sloučeniny. Švýcarský chemik a fyzik Raoul Pictet objevil kapalný kyslík tak, že odpařováním oxidu siřičitého přeměnil oxid uhličitý na kapalinu. Ten pak také odpařoval, aby ochladil plynný kyslík a přeměnil jej na kapalinu. Dne 22. prosince 1877 zaslal Francouzské akademii věd telegram, v němž ji informoval o svém objevu.

Lavoisier v Akademii - Louis Ernest Barrias


Lavoisierův rozklad vzduchu

Vlastnosti

Vlastnosti a molekulární struktura

Při standardní teplotě a tlaku nemá kyslík barvu, zápach ani chuť a je to plyn s chemickým vzorcem O
_{2, který} se nazývá dioxygen.

Dioxygen je chemicky vázán na dva atomy kyslíku. Tuto vazbu lze nazvat různě, ale jednoduše se jí říká kovalentní dvojná vazba. Kyslík je velmi reaktivní a může reagovat s mnoha dalšími prvky. Reakcí kovových prvků s dioxygenem vznikají oxidy, například oxid železitý, který je známý jako rez. Na Zemi existuje mnoho sloučenin oxidů.

Alotropy

Běžný alotrop (druh) kyslíku na Zemi se nazývá dioxygen (O2). Ten je druhou největší součástí zemské atmosféry hned po dinitrogenu (N2). Délka vazby O2 je 121 pm a vazebná energie 498 kJ/mol Díky své energii je O2 využíván složitými organismy, například živočichy.

Ozon (O3) je velmi reaktivní a při vdechování poškozuje plíce. Ozon vzniká v horních vrstvách atmosféry, když se O2 spojí s čistým kyslíkem, který vzniká štěpením O2 ultrafialovým zářením. Ozon pohlcuje velké množství záření v UV části elektromagnetického spektra, a tak ozonová vrstva v horních vrstvách atmosféry chrání Zemi před zářením.

Tetraoxid (O4) byl objeven v roce 2001. Existuje pouze v extrémních podmínkách, kdy je na O2 vyvíjen velký tlak.

Fyzikální vlastnosti

Kyslík se ze vzduchu do vody rozpouští snadněji než dusík. Při stejném množství vzduchu a vody připadá jedna molekula O2 na dvě molekuly N2 (poměr 1:2). To je rozdíl oproti vzduchu, kde je poměr kyslíku a dusíku 1:4. O2 se také snáze rozpouští ve sladké vodě než v mořské. Kyslík kondenzuje při 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) a mrzne při 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Kapalný i pevný O2 je průhledný a má světle modrou barvu.

Kyslík je velmi reaktivní a je třeba ho držet mimo dosah všeho, co může hořet.

Izotopy

V přírodě se vyskytují tři stabilní izotopy kyslíku. Jsou to ^16O, ^17O a ^18O. Přibližně 99,7 % kyslíku tvoří izotop ^16O.

Výskyt

Deset nejběžnějších prvků v Galaxii Mléčné dráhy odhadnutých spektroskopicky
Z	Prvek	Hmotnostní zlomek v částech na milion
1	Vodík	739,000	71 × hmotnost kyslíku (červený sloupec)
2	Helium	240,000	23 × hmotnost kyslíku (červený sloupec)
8	Kyslík	10,400	10400
6	Uhlík	4,600	4600
10	Neon	1,340	1340

Kyslík je hmotnostně nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Po vodíku a heliu je třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Kyslík tvoří asi 0,9 % hmotnosti Slunce. Kyslík tvoří 49,2 % hmotnosti zemské kůry jako součást sloučenin oxidů, například oxidu křemičitého. Je také hlavní součástí pozemských oceánů, kde tvoří 88,8 % hmotnosti. Plynný kyslík je druhou nejčastější součástí atmosféry, tvoří 20,8 % její hmotnosti a 23,1 % jejího objemu. Země je ve srovnání s ostatními známými planetami zvláštní tím, že velké množství její atmosféry tvoří plynný kyslík. Mars má 0,1 % objemu O2, ostatní planety Sluneční soustavy mají méně.

Vysoké množství plynného kyslíku na Zemi je způsobeno koloběhem kyslíku. Ten je řízen především fotosyntézou, při níž se z oxidu uhličitého, vody a sluneční energie vytváří plynný kyslík. Dýchání pak odebírá plynný kyslík z atmosféry a mění ho zpět na oxid uhličitý a vodu. To probíhá stejnou rychlostí, takže množství plynného kyslíku a oxidu uhličitého se kvůli tomu nemění.

Používá

Lékařské stránky

O2 je velmi důležitou součástí dýchání. Proto se používá v medicíně. Používá se ke zvýšení množství kyslíku v krvi člověka, aby mohl více dýchat. Díky tomu se mohou nemocní rychleji uzdravit. Kyslíková terapie se používá k léčbě rozedmy plic, zápalu plic, některých srdečních problémů a všech onemocnění, která člověku ztěžují příjem kyslíku.

Podpora života

Nízkotlaký O2 se používá ve skafandrech, které obklopují tělo plynem. Používá se čistý kyslík, ale pod mnohem nižším tlakem. Pokud by byl tlak vyšší, byl by jedovatý.

Koncentrátor kyslíku v domě pacienta s rozedmou plic

Bezpečnost

Kyslíková norma NFPA 704 říká, že stlačený plynný kyslík není nebezpečný pro zdraví a není hořlavý.

Toxicita

Plynný kyslík (O2) může být při vysokém tlaku nebezpečný pro zvířata včetně člověka. Může způsobit křeče a další zdravotní problémy. Toxicita kyslíku se obvykle začíná projevovat při tlaku vyšším než 50 kilopascalů (kPa), což odpovídá přibližně 50 % kyslíku ve vzduchu při standardním tlaku (vzduch na Zemi má přibližně 20 % kyslíku).

Předčasně narozené děti se dříve umisťovaly do boxů se vzduchem s vysokým obsahem O2. To bylo zastaveno, když některé děti kvůli kyslíku osleply.

Dýchání čistého O2 ve skafandrech nezpůsobuje žádné škody, protože se používá nižší tlak.

Spalování a další nebezpečí

Koncentrované množství čistého O2 může způsobit rychlý požár. Když se koncentrovaný kyslík a paliva přiblíží k sobě, může i malé vzplanutí způsobit obrovský požár. Všichni členové posádky Apolla 1 zahynuli v důsledku požáru způsobeného koncentrovaným kyslíkem, který byl použit ve vzduchu v modulu.

Pokud se kapalný kyslík vylije na organické sloučeniny, jako je dřevo, může explodovat.