пятница, 1 августа 2014 г.

"Рождающий кислоту". к 240 летию открытия кислорода


Часто приходится читать или слышать о том, без чего «человек не может жить». Но уж без чего действительно не может жить человек, так это без кислорода. Без кислорода человек может выдержать всего лишь несколько минут.

Кислород - газ без запаха и вкуса, встречается в трех ипостасях: атомарного, обыкновенного и озона — самый распространённый на Земле и третий по распространенность во Вселенной (после водорода и гелия) элемент таблицы Менделеева, на его долю (в составе различных соединений (в общей сложности более 1500 соединений), главным образом силикатов) приходится около 47,4 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,12 % по массе. Попадая в легкие, он с помощью красных кровяных телец достигает всех клеток организма. В организме он сжигает пищу, вырабатывая тепло, необходимое для деятельности человека. Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. Все основные классы структурных молекул в живых организмах, таких как белки, углеводы и жиры, содержат кислород, как и основные неорганические соединения, которые входят в состав оболочек клеток, зубов и костей. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %. Круговорот кислорода в природе обеспечивается зелеными растениями, поглощающими из воздуха углекислый газ и освобождающими из него при участии хлорофилла свободный кислород. Поэтому его содержание в атмосфере практически неизменно.


Кислород очень хорошо соединяется с другими элементами. Такая реакция называется «окислением». Мы встречаем медленное окисление повсюду. Ржавеет металл, высыхает краска, алкоголь превращается в уксус – все это окисление. Почти при любом окислении выделяется тепло. При быстром окислении происходит горение, так как тепло выделяется очень быстро, резко повышается температура, и появляется пламя...


С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух, однако очень долго процесс горения оставался непонятным. Лишь в XVII в. Майов и Бойль независимо друг от друга высказали мысль, что в воздухе содержится некая субстанция, которая поддерживает горение, но эта вполне рациональная гипотеза не получила тогда развития, так как представление о горении, как о процессе соединения горящего тела с некой составной частью воздуха, казалось в то время противоречащим столь очевидному акту разложения горящего тела на элементарные составные части. Именно на этой основе на рубеже XVII в. возникла теория флогистона, созданная Бехером и Шталем. С наступлением химико-аналитического периода развития химии (вторая половина XVIII в.) и возникновением "пневматической химии" - одной из главных ветвей химико-аналитического направления - горение, а также дыхание вновь привлекли к себе внимание исследователей.


У кислорода интересная история открытия. Он, можно сказать был открыт трижды. Задержке его открытия способствовали свойства кислорода, такие как газообразность, бесцветность, отсутствие вкуса и запаха.

Интересным фактом является то, что впервые кислород выделили не химики. Это сделал изобретатель подводной лодки К. Дреббель в начале XVII в. Этот газ он использовал для дыхания в лодке, при погружении в воду. Но работы изобретателя были засекречены. Поэтому работы К. Дреббеля не сыграли большой работы для развития химии.


Официально считается, что кислород был открыт1 августа 1774 года, когда английский химик Джозеф Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании с помощью мощной двояковыпуклой линзы без доступа воздуха ртутной окалины, находящейся под стеклянным колпаком. Это твёрдое вещество было известно ещё алхимикам под названием «меркуриус кальцинатус пер се», или жжёная ртуть, на современном же химическом языке это вещество называется оксидом ртути. Получаемый при нагревании оксида ртути неизвестный ему газ он выводил через трубку в сосуд, заполненный не водой, а ртутью, так как Пристли уже ранее убедился в том, что вода слишком хорошо растворяет газы. В собранный газ Пристли из любопытства внёс тлеющую свечу, и она вспыхнула необыкновенно ярко. Уравнение разложения оксида ртути при нагревании выглядит следующим образом:


Вы можете теперь представить, как трудно было изучать химию во времена, когда химические формулы ещё не были изобретены. Вышеприведенное короткое химическое уравнение, Пристли описал в 1774 г. следующим образом: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка «меркуриус кальцинатус пер се». Затем я взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи Солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух. И меня удивило, даже взволновало до глубины моей души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере». Разумеется, такое описание реакции выглядит весьма поэтично по сравнению с обычным химическим уравнением, но, к сожалению, суть произошедшей химической реакции не отражает.


Впрочем Пристли не был первым ученым, получившим кислород. Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Вильгельм Шееле. Проживая в Упсале, Шееле, ученик аптекаря, начал изучать природу огня, и ему скоро пришлось задуматься над тем, какое участие принимает в горении воздух. Он уже знал, что сто лет назад Роберт Бойль и другие учёные доказали, что свеча, уголь и всякое другое горючее тело могут гореть только там, где есть достаточно много воздуха. Никто в те времена не мог, однако, толком объяснить, отчего все так происходит и зачем, собственно, воздух нужен горящему телу. Воздух тогда считали элементом - однородным веществом, которое никакими силами нельзя расщепить на еще более простые составные части. Шееле тоже сначала был такого мнения. Но скоро он должен был его изменить после того, как стал проводить опыты с различными химическими веществами в сосудах, плотно закрытых со всех сторон. Какие бы вещества ни пытался Шееле сжигать в закрытых сосудах, он всегда обнаруживал одно и то же любопытное явление: воздух, который находился в сосуде, обязательно уменьшался при горении на одну пятую часть, и по окончании опыта вода обязательно заполняла одну пятую часть объёма колбы, что хорошо видно на представленном ниже рисунке из рукописи Шееле. И его озарила догадка, что воздух не является однородным. Далее он стал изучать разложение нагреванием множества веществ (оксида ртути (как это сделали Пристли и Лавуазье), карбоната ртути и карбоната серебра, а так же селитры KNO3) и получил газ, который поддерживал дыхание и горение. По некоторым данным уже в 1771 г. Карл Шееле при нагреве пиролюзита с концентрированной серной кислотой наблюдал выделение «виртольного воздуха», поддерживающего горение, т.е. кислорода. Карл Шееле хотел раскрыть загадку огня и при этом неожиданно обнаружил, что воздух - не элемент, а смесь двух газов, которые он называл воздухом «огненным» и воздухом «негодным». Это было величайшим из всех открытий Шееле. Шееле описал своё открытие в изданном в 1777 году трактате «О воздухе и огне» (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода)...

Но, ни Пристли, ни Шееле не поняли, что они открыли. Они открыли новый газ. Только и всего. И до конца жизни остались преданными теории флогистона, которая в конце XVIII века стала тормозом для развития науки. Карл Шееле, например, объяснял, что «огненный воздух» имеет большое сродство (влечение) к флогистону, поэтому и сгорает в нем так быстро, а «негодный» воздух не имеет влечения к флогистону, поэтому в нем и гаснет всякий огонь. Это было довольно правдоподобно, но оставалась одна большая загадка, которая казалась совершенно необъяснимой. Куда уходил во время горения «огненный» воздух во время горения из закрытого сосуда? Наконец, он придумал такое объяснение. Когда сгорает какое-нибудь тело, говорил он, то выделяющийся из него флогистон соединяется с «огненным» воздухом и это невидимое соединение настолько летуче, что оно незаметно просачивается сквозь стекло, как вода сквозь сито.

Претензии же сторонников Джозефа Пристли по поводу открытия именно этим учёным кислорода основывались на его приоритете в получении газа, который позднее был признан особым, не известным до тех пор видом газа. Но проба газа, полученного Пристли, не была чистой, и если получение кислорода с примесями считать его открытием, тогда то же в принципе можно сказать обо всех тех, кто когда-либо заключал в сосуд атмосферный воздух. Кроме того, если Пристли был первооткрывателем, то когда в таком случае было сделано открытие? В 1774 г. он считал, что получил закись азота, то есть разновидность газа, которую он уже знал. В 1775 г. он полагал, что полученный газ является дефлогистированным воздухом, но еще не кислородом. То есть, в 1775 г. Джозеф Пристли отождествил газ, полученный им при нагревании красной окиси ртути, с воздухом вообще, но имеющим меньшую, чем обычно, дозу флогистона. Для химика, придерживающегося теории флогистона, это, конечно же, был совершенно неведомый ранее вид газа.

Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают». С флогистоном покончил другой великий химик XVIII века - француз Антуан Лавуазье. И когда это было сделано, то странное исчезновение «огненного воздуха» и многие другие непонятные явления сразу потеряли всю свою загадочность.

Антуан Лавуазье (Lavoisier, Antoine Laurent, 1743-1794), начал свою работу, которая привела его к открытию, после эксперимента Джозефа Пристли в 1774 г., и, возможно, благодаря намеку со стороны Пристли. Из своих собственных опытов и предшествовавших опытов Пристли и Шееле Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь одна пятая часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Пристли сообщил ему в 1774 г. об обнаружении «дефлогистированного воздуха», он сразу понял, что это и есть та самая часть воздуха, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье заключил, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) воздуха и объяснил процесс горения соединением веществ с кислородом.

В начале 1775 г. Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух как таковой без изменений (за исключением того, что)... он оказывается более чистым, более пригодным для дыхания». К 1777 г., вероятно, не без второго намека Пристли, Лавуазье пришел к выводу, что это был газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Правда, сам Пристли как сторонник теории флогистона с таким выводом никогда не смог бы согласиться.

Весы Лавуазье.
В борьбе со сторонниками теории флогистона у Лавуазье был замечательный союзник, который хорошо помогал ему в работе. Шееле и Пристли тоже имели такого союзника, но они не всегда пользовались его услугами и не придавали большого значения его советам. Главным помощником Лавуазье были... весы. Приступая к какому-нибудь опыту, Лавуазье почти всегда тщательно взвешивал все вещества, которые должны были подвергнуться химическому превращению, а по окончании опыта снова взвешивал.

Как и Шееле, Лавуазье тоже пробовал сжигать фосфор в закрытой колбе. Но Лавуазье не терялся в догадках, куда исчезала пятая часть воздуха при горении. Весы дали ему на этот счет совершенно точный ответ. Перед тем как положить кусок фосфора в колбу и поджечь, Лавуазье его взвесил. А когда фосфор сгорел, Лавуазье взвесил всю сухую фосфорную кислоту, которая осталась в колбе. По теории флогистона фосфорной кислоты должно было получиться меньше, чем было фосфора до горения, так как, сгорая, фосфор разрушался и терял флогистон. Если даже допустить, что флогистон вовсе не имеет веса, то фосфорная кислота должна весить ровно столько, сколько весил фосфор, из которого она получилась. Однако выяснилось, что белый иней, осевший на стенках колбы после горения, весит больше сгоревшего фосфора. Следовательно, та самая часть воздуха, которая якобы исчезла из колбы, в действительности вовсе не уходила из неё, а просто присоединилась во время горения к фосфору. От этого соединения и получилась фосфорная кислота. Теперь мы называем это вещество фосфорным ангидридом. Лавуазье понимал, что горение фосфора не исключение. Его опыты показали, что всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.

Свои опыты по изучению горения веществ Лавуазье начал в 1772 г. и к концу года представил в Академию некоторые показавшиеся ему важными результаты. В прилагаемой им записке сообщалось, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения становится больше, чем вес исходных веществ, за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, при этом выделяется значительное количество воздуха. В 1877 г. ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук. Сделанные им выводы существенно ослабляли основы теории флогистона, а окончательное поражение ей было нанесено исследованиями состава воды. В 1783 г. Лавуазье, повторив опыты Кавендиша по сжиганию «горючего» воздуха (водорода), сделал вывод, что «вода не есть вовсе простое тело», а является соединением водорода и кислорода. Её можно разложить пропусканием водяного пара через раскаленный докрасна ружейный ствол. Последнее он доказал совместно с лейтенантом инженерных войск Ж.Мёнье.

Ломоносов Михаил Васильевич
(кисти Николая Овечкина. 1989 г.)
Интересно, что гениальный ученый Михаил Васильевич Ломоносов еще за пятнадцать лет до Лавуазье сравнивал вес запаянной реторты с металлом до и после прокаливания. «Деланы опыты в заплавленных накрепко сосудах, чтобы исследовать: прибывает ли вес металла от чистого жара», - записал Ломоносов в 1756 г., и в двух строчках прибавил результат: «Оными опытами нашлось, что... без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере». Так Ломоносов нанес сильный удар по разделявшейся химиками того времени теории флогистона. Но мало этого: Ломоносов сделал из своих опытов и другой замечательный вывод, что «все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому, так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте». Этими словами великий ученый выразил один из важнейших законов химии - закон сохранения вещества. К слову, слово "кислород" (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени так же обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygène), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

Так кто же, в конце концов, является первооткрывателем кислорода? И когда он был открыт? Претензии Антуана Лавуазье на этот счёт являются более убедительными и основательными, но даже и они оставляют под собой почву для очень больших сомнений.

Всё дело в том, что подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к неправильному выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. Лавуазье даже ввел для кислорода название «oxygenium» (от греч. «окис» - кислый, и «геннао» - рождаю) - «рождающий кислоты». И в 1777 г., и до конца своей жизни Лавуазье настаивал на том, что кислород представляет собой атомарный «элемент кислотности» и что кислород как газ образуется только тогда, когда этот «элемент» соединяется с «теплородом», с «материей теплоты». Можем ли мы на этом основании говорить, что кислород в 1777 г. ещё не был открыт? Подобный соблазн может возникнуть, и возникает. Элемент кислотности был изгнан из химии только после 1810 г., а понятие теплорода умирало еще до 60-х годов ХIХ века. Кислород стал рассматриваться в качестве обычного химического вещества еще до этих событий, но открытие кислорода, по всей видимости, является плодом коллективного разума и взаимоиндуцирующего творчества всех перечисленных в данном очерке учёных. То, о чем писал Лавуазье в своих статьях, начиная с 1777 г., было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения. Эта теория была ключом для перестройки химии, причем такой основательной, что её обычно называют революцией в химии. Задолго до того, как Лавуазье сыграл свою роль в открытии нового газа, он был убежден, что в теории флогистона было что-то неверным, и что горящие тела поглощают какую-то часть атмосферы. Многие соображения по этому вопросу он сообщил в заметках, отданных на хранение во Французскую Академию в 1772 г. Работа Лавуазье над вопросом о существовании кислорода дополнительно способствовала укреплению его прежнего мнения, что где-то был допущен просчёт. Она подсказала ему то, что он уже готов был открыть, - природу вещества, которое при окислении поглощается из атмосферы.


Как бы там ни было, и кто бы ни открыл этот газ, в настоящее время кислород очень широко используется во многих областях человеческой деятельности. Его применяют для интенсификации химических процессов во многих производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород, ацетилен) сжигают в специальных горелках. Смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами, называемые оксиликвитами, обладают очень сильными взрывчатыми свойствами и применяются при подрывных работах. Жидкий кислород используется в ракетном топливе. В медицине кислород используют для поддержания жизни больных с затрудненным дыханием и для лечения некоторых заболеваний. Однако чистым кислородом при нормальном давлении долго дышать нельзя – это опасно для здоровья.


Но подробнее хочу остановиться на одном из очень полезных и вкусных применениях кислорода - кислородных коктейлях.

"Кислоро́дный кокте́йль — насыщенный кислородом напиток, образующий пенную «шапку». Для формирования структуры коктейля используются пищевые пенообразователи — преимущественно это специальные композиции для кислородных коктейлей, иногда спум-смеси, ещё реже экстракт корня солодки или сухой яичный белок. Санатории, дома отдыха и прочие заведения оздоровительного направления часто добавляют в состав коктейля витаминизирующие ингредиенты. Вкус кислородного коктейля полностью зависит от компонентов его основы, сам же кислород вкуса и запаха не имеет. Считается, что он обладает тонизирующими свойствами. Используется в терапевтических и профилактических целях как одно из сопутствующих средств оксигенотерапии. Может способствовать устранению синдрома хронической усталости и избавлению от гипоксии, активизации клеточного метаболизма и т. д." (Википедия)

В состав кислородного коктейля входят 3 основных компонента: кислород, вкусовая жидкая основа и пищевой пенообразователь.

Источниками кислорода могут быть: баллоны, заполненные медицинским кислородом, портативные баллончики с кислородно-воздушной смесью, концентраторы кислорода, вырабатывающие воздушную смесь с концентрацией кислорода до 95 %, даже кислородные подушки.

В качестве жидкой основы коктейля используют соки (яблочный, грушевый, виноградный, вишневый, облепиховый, малиновый), сиропы, воду, молоко и морсы. Не рекомендуется использовать маслянистые и газированные жидкости, а также соки с мякотью, так как они препятствуют образованию однородной пены. Для лечебно-профилактических целей в качестве основы подойдут целебные настои растений и трав, например, боярышника, бессмертника, пустырника и шиповника.

Третьей составляющей кислородного коктейля является пенообразующий компонент, благодаря которому происходит формирование пены в напитке. Если раньше приходилось использовать «подручные» пенообразователи (сырой яичный белок, способный вызвать сальмонеллез, и спиртосодержащий сироп корня солодки), то сейчас появился большой выбор безопасных композиции для кислородных коктейлей.


Существует 3 основных способа, как сделать кислородный коктейль:

Способ 1. С использованием кислородного коктейлера
В емкость коктейлера налить жидкую основу и насыпать композицию. Перемешать жидкость до полного растворения порошка. Подать кислород в коктейлер. Полученную кислородную пену принять в порционные стаканы. Этот способ чаще всего используется в санаториях, детских садах, школах, где за небольшой промежуток времени необходимо сделать много одинаковых по вкусу порций кислородного коктейля.

Способ 2. С использованием кислородного миксера
В емкость (стеклянный бокал, одноразовый стакан) налить жидкую основу и насыпать композицию. Подать кислород, включить венчик миксера и взбить содержимое стакана до получения густой однородной пены. Данный способ идеален тем, кто делает бизнес на продаже кислородных коктейлей. Миксер позволяет не только получать густую и плотную пену, но и подходить индивидуально к каждой порции, используя различные вкусовые основы.

Способ 3. С использованием трубки с аэратором
В емкость (стеклянный бокал, одноразовый стакан) налить жидкую основу, насыпать композицию и тщательно перемешать. Подсоединить трубку с аэратором к источнику кислорода (кислородный концентратор, кислородный баллончик) и подавать кислород до заполнения емкости пеной. Аэратор должен быть полностью погружен в жидкость. Этот способ считается оптимальным для домашнего изготовления кислородных коктейлей.


Еще 1 способ от akak.ru. Без кислородных балонов

Купите сок. Он должен быть красным! Т.е. всякие там яблочные, персиковые и апельсиновые, конечно, тоже подходят, но лучше пенятся именно красные. И без всякого осадка – мякоти. Лучше всего подходят вишневый или виноградный сок. Можно вместо сока взять отвар из трав или чего-либо. Тогда он получится еще и полезным. в общем - что угодно!
Возьмите вазу или стакан. Налейте сока как виски – на два пальца (в высоту=)).
САМОЕ главное: Капните сиропа корня солодки. ВНИМАНИЕ! рассчитывать нужно из такой пропорции: 2 столовые ложки на литр сока. У вас чуть-чуть, так что максимум – чайная ложка, и то, это будет уже много. Все хорошенько размешайте. Пробуйте, экспериментируйте. Особенно с солодкой. нужно найти ту грань, при которой она не чувствуется на вкус (мне не нравится) и держит хорошо пузыри.
Теперь самое простое: Опускаете шланг (трубочку) с распылителем в смесь и начинаете дуть. Можно ртом надувать, а можно насосом для шариков (в первом случае получится углекислородный коктейль, а во втором – атмосферный). Можно также купить баллончик кислорода в аптеке. Но он стоит достаточно дорого и вкус не меняется совсем (как говорится – если нет разницы…). Учтите, что чем медленнее вы будете дуть, тем лучше будет пена.
И учтите еще, что кислородный коктейль нельзя готовить впрок — его нужно пить сразу же после приготовления - со временем пена опадает.


В ходе клинических исследований, проведенных российскими учеными, было выявлено[источник не указан 60 дней], что кислородный коктейль может оказывать следующее влияние на организм:

Уменьшать вредное воздействие окружающей среды на организм человека
Снижать утомляемость, способствовать устранению синдрома хронической усталости и гипоксии
Улучшать сон
Активизировать клеточный метаболизм
Улучшать состояние сердечно-сосудистой, пищеварительной, дыхательной и нервной систем организма
Стимулировать сердечное и мозговое кровообращение
Оптимизировать уровень сахара в крови, повышать гемоглобин
Стимулировать работу иммунной системы
Способствовать нормальному развитию плода в период беременности.


Российские медицинские учреждения могут рекомендовать женщинам в период беременности, спортсменам, детям и подросткам, жителям больших городов с плохой экологической обстановкой, людям, страдающим от гипоксии, заболеваний сердечно-сосудистой и пищеварительной систем, от проблем с иммунитетом, при бессоннице, хронической усталости и наличии лишнего веса принимать кислородные коктейли в комбинации с другими средствами лечения и профилактики.

После принятия коктейля могут начаться приступы метеоризма. При наличии серьёзных заболеваний перед применением напитка следует проконсультироваться с врачом. Противопоказаниями к употреблению кислородных коктейлей могут быть:

Острые приступы бронхиальной астмы
Жёлчнокаменная болезнь
Астматический статус
Гипертермия
Дыхательная недостаточность
Интоксикация организма
Мочекаменная болезнь
Язвенная болезнь
Аллергическая реакция на определенные компоненты коктейля.

Комментариев нет :

Отправить комментарий