Kisik (O, atomsko število 8): definicija, lastnosti in pomen za življenje

Prvi poskusi

Enega prvih znanih poskusov o tem, kako zgorevanje potrebuje zrak, je opravil Grk Filon iz Bizanca v 2. stoletju pred našim štetjem. V svojem delu Pneumatica je zapisal, da je obračanje posode z glavo navzdol nad gorečo svečo in oblivanje te posode z vodo pomenilo, da je nekaj vode prišlo v posodo. Filon je menil, da je to zato, ker se je zrak spremenil v klasični element ogenj. To je bilo napačno. Dolgo zatem je Leonardo da Vinci pravilno ugotovil, da se zrak porabi pri zgorevanju, zaradi česar je v posodo pritekla voda.

Robert Boyle je konec 17. stoletja ugotovil, da je za zgorevanje potreben zrak. Angleški kemik John Mayow je k temu dodal, da ogenj potrebuje le del zraka. Tega zdaj imenujemo kisik (v obliki dioksida). V enem od svojih poskusov je ugotovil, da se ob postavitvi sveče v zaprto posodo voda dvigne in nadomesti eno štirinajstino prostornine zraka v posodi, preden ugasne. Enako se je zgodilo, ko je v posodo postavil miško. Na podlagi tega je ugotovil, da se kisik uporablja za dihanje in izgorevanje.

Teorija flogistona

Robert Hooke, Ole Borch, Mihail Lomonosov in Pierre Bayen so v 17. in 18. stoletju s poskusi pridobivali kisik. Nihče od njih ni mislil, da gre za kemijski element. Razlog za to je bila verjetno ideja o flogistonski teoriji. Večina ljudi je verjela, da prav ta povzroča gorenje in korozijo.

J. J. J. Becher jo je sestavil leta 1667, Georg Ernst Stahl pa jo je dopolnil leta 1731. Flogistonska teorija je trdila, da so vsi gorljivi materiali sestavljeni iz dveh delov. En del, imenovan flogiston, se sprošča pri gorenju snovi, ki ga vsebuje.

Za zelo gorljive materiale, ki pustijo le majhno količino ostankov, kot sta les ali premog, so menili, da so narejeni iz flogistona. Stvari, ki korodirajo, kot je železo, naj bi vsebovale le majhno količino. Zrak ni bil del te teorije.

Odkritje

Poljski alkimist, filozof in zdravnik Michael Sendivogius je govoril o snovi v zraku, ki jo je imenoval "hrana življenja", in ta snov je kisik. Sendivogius je med letoma 1598 in 1604 ugotovil, da je ta snov enaka snovi, ki nastane pri termični razgradnji kalijevega nitrata. Nekateri menijo, da je bilo to odkritje kisika, medtem ko se drugi s tem ne strinjajo.

Pogosto pravijo, da je kisik prvi odkril švedski farmacevt Carl Wilhelm Scheele. Leta 1771 je kisik pridobil s segrevanjem živosrebrovega oksida in nekaterih nitratov. Scheele je plin, ki ga je izdelal, poimenoval "ognjeni zrak", saj je bil to edini plin, za katerega je bilo znano, da omogoča zgorevanje. Svoje odkritje je objavil leta 1777.

Britanski duhovnik Joseph Priestley je 1. avgusta 1774 izvedel poskus, pri katerem je sončno svetlobo usmeril na živosrebrov oksid v stekleni cevi. Pri tem je nastal plin, ki ga je poimenoval "deflogistični zrak". Ugotovil je tudi, da so sveče v tem plinu gorele močneje, miši pa so ob njegovem dihanju živele dlje. Ko je vdihnil plin, je dejal (poenostavljeno): "Občutek je bil kot pri običajnem zraku, vendar so bila moja pljuča po tem lažja in lažja." Njegove ugotovitve so bile objavljene leta 1775. Ker so bile njegove ugotovitve objavljene prve, se običajno govori o njem kot o odkritelju kisika.

Francoski kemik Antoine Lavoisier je pozneje dejal, da je to snov odkril tudi on. Priestly ga je obiskal leta 1774 in mu povedal o svojem poskusu. Istega leta je Scheele Lavoisierju poslal tudi pismo, v katerem je opisal svoje odkritje.

Lavoisierjev prispevek

Lavoisier je opravil prve glavne poskuse o oksidaciji in podal prvo pravo razlago o delovanju zgorevanja. S temi in drugimi poskusi je dokazal, da je flogistonska teorija napačna. Poskušal je tudi dokazati, da je snov, ki sta jo odkrila Priestley in Scheele, kemični element.

V enem od poskusov je Lavoisier ugotovil, da se masa pri segrevanju kositra in zraka v zaprti posodi ne poveča. Ugotovil je tudi, da je zrak pritekel v posodo, ko je bila odprta. Nato je ugotovil, da se je masa kositra povečala za enako količino, kot se je povečala masa zraka, ki je pritekel v notranjost. Svoje ugotovitve je objavil leta 1777. Zapisal je, da je zrak sestavljen iz dveh plinov. Enega je imenoval "vitalni zrak" (kisik), ki je potreben za zgorevanje in dihanje. Drugega je poimenoval "azote" (dušik), kar v grškem jeziku pomeni "brez življenja". To je še vedno ime za dušik v nekaterih jezikih, vključno s francoščino.

Lavoisier je "vitalni zrak" preimenoval v "oxygène", kar v grščini pomeni "proizvajalec iz kislin". Tako ga je poimenoval, ker je mislil, da je kisik v vseh kislinah, kar je bilo napačno. Številni kemiki so spoznali, da se je Lavoiser pri svojem poimenovanju motil, vendar je bilo ime takrat že preveč razširjeno, da bi ga spremenili.

"Kisik" je postal ime v angleškem jeziku, čeprav so angleški znanstveniki temu nasprotovali.

Poznejša zgodovina

Teorija atomov Johna Daltona je trdila, da imajo vsi elementi en atom in da so atomi v spojinah običajno sami. Tako je na primer napačno menil, da ima voda (_H2O) formulo samo HO. Leta 1805 sta Joseph Louis Gay-Lussac in Alexander von Humboldt dokazala, da je voda sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika. Leta 1811 je Amedeo Avogadro na podlagi Avogadrovega zakona pravilno ugotovil, iz česa je sestavljena voda.

Konec 19. stoletja so znanstveniki ugotovili, da je mogoče zrak spremeniti v tekočino in izolirati spojine v njem s stiskanjem in ohlajanjem. Švicarski kemik in fizik Raoul Pictet je odkril tekoči kisik z uparjanjem žveplovega dioksida, da bi ogljikov dioksid spremenil v tekočino. Z izparevanjem je nato ohladil tudi plinski kisik, da bi ga spremenil v tekočino. O svojem odkritju je 22. decembra 1877 poslal telegram Francoski akademiji znanosti.

Lastnosti in molekularna struktura

Pri standardni temperaturi in tlaku kisik nima barve, vonja ali okusa in je plin s kemijsko formulo O
_{2, ki} se imenuje dioksygen.

Kot pri dioksidu sta dva kisikova atoma kemično povezana drug z drugim. Ta vez se lahko imenuje različno, vendar preprosto kovalentna dvojna vez. Kisik je zelo reaktiven in lahko reagira s številnimi drugimi elementi. Ko kovinski elementi reagirajo z dioksidom, nastanejo oksidi, na primer železov oksid, ki ga poznamo kot rjo. Na Zemlji je veliko oksidnih spojin.

Alotropi

Na Zemlji je najpogostejši alotrop kisika, ki se imenuje dioksygen (O2). To je drugi največji del Zemljinega ozračja, takoj za dinatrogenom (N2). Dolžina vezi O2 je 121 pm, energija vezi pa 498 kJ/mol Zaradi svoje energije O2 uporabljajo kompleksna življenja, kot so živali.

Ozon (O3) je zelo reaktiven in ob vdihavanju poškoduje pljuča. Ozon nastaja v zgornjih plasteh ozračja, ko se O2 združi s čistim kisikom, ki nastane, ko se O2 razcepi zaradi ultravijoličnega sevanja. Ozon absorbira veliko sevanja v ultravijoličnem delu elektromagnetnega spektra, zato plast ozona v zgornjih plasteh ozračja ščiti Zemljo pred sevanjem.

Tetraoksygen (O4) je bil odkrit leta 2001. Obstaja le v ekstremnih razmerah, ko je O2 pod velikim pritiskom.

Fizikalne lastnosti

Kisik se iz zraka lažje raztopi v vodi kot dušik. Če je v zraku in vodi enaka količina vode, je na vsaki dve molekuli N2 ena molekula O2 (razmerje 1:2). To je drugače kot v zraku, kjer je razmerje med kisikom in dušikom 1 : 4. O2 se tudi lažje raztaplja v sladki kot v morski vodi. Kisik se kondenzira pri 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) in zamrzne pri 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Tako tekoči kot trdni O2 sta prosojna in svetlo modre barve.

Kisik je zelo reaktiven in ga je treba hraniti stran od vsega, kar lahko gori.

Izotopi

V naravi obstajajo trije stabilni izotopi kisika. To so ^16O, ^17O in ^18O. Približno 99,7 % kisika je izotopa ^16O.

Dogodek

Kisik je po masi najpogostejši element na Zemlji. Je tretji najpogostejši element v vesolju za vodikom in helijem. Približno 0,9 % mase Sonca je kisik. Kisik kot del oksidnih spojin, kot je silicijev dioksid, predstavlja 49,2 % mase Zemljine skorje. Prav tako je glavni del zemeljskih oceanov, saj predstavlja 88,8 % mase. Plinski kisik je drugi najpogostejši del atmosfere, saj predstavlja 20,8 % njene mase in 23,1 % njene prostornine. Zemlja je v primerjavi z drugimi znanimi planeti nenavadna, saj velik del njenega ozračja predstavlja plinski kisik. Mars ima 0,1 volumenskega odstotka O2, ostali planeti Osončja pa manj.

Velika količina plinastega kisika na Zemlji je posledica kisikovega kroga. Ta je v glavnem odvisen od fotosinteze, ki iz ogljikovega dioksida, vode in sončne energije proizvaja kisik. Dihanje nato odvzame kisik iz ozračja in ga spremeni nazaj v ogljikov dioksid in vodo. To se dogaja z enako hitrostjo, zato se količina plinastega kisika in ogljikovega dioksida zaradi tega ne spreminja.

Medicinska stran

O2 je zelo pomemben del dihanja. Zato se uporablja v medicini. Uporablja se za povečanje količine kisika v krvi posameznika, tako da je dihanje lahko bolj intenzivno. Tako lahko bolnik hitreje ozdravi, če je bolan. Kisikova terapija se uporablja za zdravljenje emfizema, pljučnice, nekaterih težav s srcem in vseh bolezni, zaradi katerih oseba težje sprejema kisik.

Življenjska podpora

O2 pod nizkim tlakom se uporablja v vesoljskih oblekah, ki telo obdajajo s plinom. Uporablja se tudi čisti kisik, vendar pod veliko nižjim tlakom. Če bi bil tlak višji, bi bil strupen.

Kodeks NFPA 704 za kisik navaja, da stisnjen kisik ni nevaren za zdravje in ni vnetljiv.

Toksičnost

Plinski kisik (O2) je pri visokem tlaku lahko nevaren za živali, tudi za ljudi. Povzroča lahko krče in druge zdravstvene težave. Toksičnost kisika se običajno začne pojavljati pri tlaku nad 50 kilopaskalov (kPa), kar je enako približno 50 % kisika v zraku pri standardnem tlaku (zrak na Zemlji ima približno 20 % kisika).

Nedonošenčke so včasih nameščali v škatle z zrakom z visoko vsebnostjo O2. To so prekinili, ko so nekateri dojenčki zaradi kisika oslepeli.

Dihanje čistega O2 v vesoljskih oblekah ne povzroča poškodb, ker je tlak nižji.

Zgorevanje in druge nevarnosti

Koncentrirane količine čistega O2 lahko povzročijo hiter požar. Če se koncentrirani kisik in gorivo približata, lahko že majhen vžig povzroči velik požar. Vsa posadka Apolla 1 je umrla v požaru zaradi koncentriranega kisika, ki je bil uporabljen v zraku kapsule.

Če se tekoči kisik razlije na organske spojine, kot je les, lahko eksplodira.