КИСЛОРОД

КИСЛОРОД (Oxygenium; O) — химический элемент VI группы периодической системы Д. И. Менделеева; важнейший биогенный химический элемент, обеспечивает дыхание всех живых организмов на Земле. В мед. практике обогащенные К. газовые смеси применяют для вдыхания при состояниях, сопровождающихся кислородной недостаточностью: при заболеваниях дыхательных путей (пневмония, отек легких и др.), сердечно-сосудистой системы (декомпенсация сердечной деятельности, коронарная недостаточность, коллапс и др.), при хирургических операциях, проходящих в условиях гипербарической оксигенации, при шоке, при отравлениях окисью углерода, синильной к-той, хлором, фосгеном, при травмах и поражениях, сопровождающихся нарушением функции дыхания и окислительных процессов.

В анестезиологии К. широко используют в смеси со средствами для ингаляционного наркоза, а также назначают в послеоперационном периоде. К. необходим для обеспечения жизнедеятельности человека в космических и подводных кораблях, в авиации, в условиях высокогорья, при проведении подводных работ и т. д. К. эффективен при лечении гельминтозов: аскаридоза и трихоцефалеза. К. обладает антисептическими свойствами, он используется для лечения анаэробной инфекции. Однако длительное дыхание чистым К., особенно если его давление превышает 1 атм, вызывает воспаление слизистых оболочек дыхательных путей и другие патол, изменения в организме.

К. применяется для автогенной сварки и резки металлов, для получения азотной к-ты из азота воздуха, для интенсификации процессов выплавки чугуна и стали. Жидкий К. или жидкий воздух, обогащенный К., в смеси с горючими веществами используются как взрывчатые вещества.

Открытие К. приписывают англ. ученому Пристли (J. Priestley), получившему его в 1774 г. при прокаливании окиси ртути, и швед, химику Шееле (С. W. Scheele), который получил кислород из окиси ртути, селитры, сурика, двуокиси марганца и азотной к-ты в 1771 г., т. е. ранее Пристли, но опубликовал свои исследования в 1777 г. А. Лавуазье в конце 18 в., подтвердив наблюдения Шееле и Пристли, установил элементарную природу К. и то, что он является составной частью воздуха, а также его значение в процессах дыхания и горения. С открытием К. связаны крупные события в развитии естествознания, такие, напр., как крушение флогистонной теории, создание кислородной теории горения, установление сущности процесса дыхания и др.

Порядковый номер К. — 8, ат. вес 15,9994. Атом К. имеет ядро с зарядом +8 и электронными орбитами 1S2 2S2 2р4. В соединениях К. проявляет постоянную валентность, равную 2.

К.— наиболее распространенный элемент в доступной непосредственному исследованию части Земли. Он составляет 49,13% по весу (массе) или 52,3 ат. % земной коры. В свободном состоянии К. находится почти исключительно в атмосфере (23,15% по весу или 21% по объему), в растворенном состоянии — в водах рек, морей и океанов. Основная масса К. в природе находится в виде хим. соединений. К. составляет 88,8% воды, входит в состав большинства минералов и многих органических веществ и является непременной составной частью всех организмов (в организме человека содержится ок. 65% К.). Распространен К. и за пределами нашей планеты. Он обнаружен в составе вещества туманностей и новых звезд. В атмосферах желтых звезд, в т. ч. и Солнца, содержание К. постоянно и составляет ок. 23%. В атмосфере Марса К. значительно меньше, чем в атмосфере Земли, а в каменных метеоритах содержится ок. 36,3% К.

В технике К. получают фракционированной перегонкой жидкого воздуха. Содержащий ок. 1% примесей инертных газов и азота К. накачивают в стальные цилиндры под давлением ок. 150 атм, в которых он и поставляется потребителям. Значительные количества К. получают также электролизом воды. В Лабораториях К. получают обычно или нагреванием бертолетовой соли в присутствии двуокиси марганца (1/3 по массе), являющейся катализатором: 2KClO₃ = =2KCl + 3O₂; или приливанием р-ра перманганата калия к р-ру перекиси водорода: 2KMnO₄ + 3H₂O₂ = 3O₂ + 2MnO₂ + 2KOH + 2H₂O. Последний метод очень удобен для получения точно рассчитанных количеств К.

Количественное определение К. в газовых смесях производят обычно путем поглощения К. щелочным р-ром пирогаллола; в органических соединениях — по разности между массой вещества и суммой масс других элементов, входящих в состав анализируемого вещества.

Известны три аллотропические модификации К.: активный (атомарный) — О, обыкновенный — O₂ и озон (см.) — O₃. Обыкновенный К. представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса; жидкий К. имеет бледно-голубой цвет и обладает магнитными свойствами; твердый К, окрашен в темно-синий цвет и существует в трех кристаллических модификациях.

Ниже приведены важнейшие физ. константы К.

Вес 1 л при 0°, давлении 760 мм рт. ст. на широте 45° - 1,42895 г

Мольный объем при 0° и 760 мм рт. ст - 22,3947 л

Плотность по воздуху - 1,1053

Плотность жидкого К. при t°_кип - 1,118

Плотность твердого К. при -252° - 1,426

t°_кип — 183,00°

t° затвердевания - -218,8°

Критическая температура - —118,9°

Критическое давление - 49,7 атм

Критическая плотность - 0,430

Растворимость в 100 объемах воды:

при 0° - 4,91 объема

при 20° - 3,11 объема

при 100° - 1,70 объема

К. реагирует со всеми хим. элементами, кроме гелия, неона и аргона, образуя нормальные оксиды и пероксиды. В молекулах нормальных оксидов атомы К. связаны всеми своими валентностями с атомами данного элемента, напр.:

В пероксидах атомы К. связаны своими валентностями не только с данным элементом, но и между собой, напр.:

и т. п. С дыхательными пигментами (см.) К. образует непрочные соединения, возникновение и распад которых в живом организме обеспечивают транспорт К.; восстановление К. лежит в основе процесса дыхания.

К. воздуха играет исключительную роль в процессах горения и медленного окисления. Обычное горение представляет собой быстрое окисление горючего вещества К., сопровождаемое столь значительным выделением тепла, что продукты горения, накаливаясь, испускают свет. В чистом К. горение происходит более энергично, чем в воздухе,— тлеющая лучинка, помещенная в чистый К., ярко вспыхивает и горит очень интенсивно (качественная проба на К.).

К процессам медленного окисления при участии К. воздуха относятся: 1) ржавление (коррозия) металлов; 2) окисление многих минералов при их выветривании; 3) окисление высыхающих масел с образованием твердых смол; 4) гниение и тление остатков растений и животных, в результате которых уничтожаются многие вредные для здоровья человека и животных вещества; 5) дыхание человека, животных и растений, при к-ром потребляется К., идущий на окисление хим. составных частей клеток и тканей организма, вследствие чего освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организма (см. Дыхание).

Убыль К. в природе вследствие многочисленных процессов окисления восполняется зелеными растениями, поглощающими из воздуха углекислый газ и освобождающими из него при участии хлорофилла свободный К. (см. Фотосинтез). В результате такого круговорота К. содержание его в воздухе остается практически неизменным.

См. также Воздух.

Радиоактивный кислород

Природный К. состоит из трех стабильных изотопов: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037%) и ¹⁸O (0,204%). Известны также 5 его радиоактивных изотопов. Все они ультракороткоживущие, имеют весьма мальве периоды полураспада: ¹³O — ок. 0,008 сек., ¹⁴O — 76,5 сек., ¹⁵O — 123 сек., ¹⁹O — 29,1 сек. и ²⁰O — 14 сек.

В мед. исследованиях нашел применение изотоп ¹⁵O. Он распадается с испусканием позитронов с энергией Еβ+ = 1,7376 МэВ (99,90%) и аннигиляционного гамма-излучения с Еγ = 0,511 МэВ (199,80%), а также путем электронного захвата (0,10%).

Изотоп ¹⁶О получают на ускорителях заряженных частиц, облучая мишени из азота протонами или дейтронами, реже — мишени из углерода и кислорода альфа-частицами. Наиболее распространен способ получения этого радионуклида с помощью циклотрона по ядерной реакции ¹⁴N (d, n) —> ¹⁵O (см. Изотопы). Газообразный азот пропускают через специальную мишень — сосуд с тонким магниевым окном для впуска бомбардирующих частиц. После облучения дейтронами таз, в к-ром образуется ¹⁵O, очищается от примесей окислов азота, озона и воды и по системе проточной газовой коммуникации быстро подается на место использования — в лабораторию, находящуюся вблизи от циклотрона. Далее, используя различные экспресс-методы, с помощью автоматизированной аппаратуры получают также простейшие меченные кислородом-15 хим. соединения (C¹⁵O, С¹⁵O₂, H₂¹⁵O), которые, как и исходный ¹⁵O₂ или ¹⁵OO, применяют для мед. диагностических исследований.

С помощью соединений, содержащих ¹⁵O, проводят исследования функции легких, в частности вентиляции легких, изучают скорость кровотока, процесс поглощения кислорода, его метаболизм в сердечной мышце и головном мозге. Эти исследования обычно проводят за 4—8 вдохов кислорода, окиси или двуокиси углерода, имеющих начальную объемную удельную активность (или радиоактивную концентрацию) по ¹⁵O 5—7 мКи/л. В этом случае лучевая нагрузка при одноразовом вдохе (отнесенная к радиоактивной концентрации в 1 мКи/л) для легких составляет 8—16 миллирад, для крови 2—6 миллирад, для гонад 0,6—3,6 миллирад.

Радиоизотопы К. обладают малой радиотоксичностью. Детектирование и измерение активности препаратов, содержащих ¹⁵O, производят по его гамма-излучению. Для радиодиагностических исследований применяют так наз. позитронные камеры.

См. также Радиоизотопные исследования.

Медицинский кислород

Обычно мед. К. применяют в смеси с воздухом в концентрации 20—80% . Применяемая по специальным показаниям для ингаляции смесь К. (95%) с углекислым газом (5%) носит название карбоген.

Выпускают мед. К. в стальных цельнотянутых баллонах, окрашенных в синий цвет. Хранят в прохладном месте. Арматура, прокладки, трубопроводы, контактирующие со сжатым К., не должны иметь следов жиров и масел, т. к. быстрое окисление жиров и масел, протекающее экзотермически, может повести к возгоранию и взрыву. В аптеках К. отпускают в специальных кислородных подушках.

См. также Кислородно-дыхательная аппаратура.

Библиография Жиронкин А. Г. Кислород, Физиологическое и токсическое действие, Л., 1972, библиогр.; Машковский М. Д. Лекарственные средства, ч. 2, с. 71, М., 1977; P e м и Г. Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972;Чугаев Л. А. Открытие кислорода и теория горения в связи с философскими учениями древнего мира, Пг., 1919; Matthews С. М. E. а. о. Radioactive gases, в кн.: Radioactive pharmaceuticals, ed. by A. Andrews a. o., p. 567, Oak Ridge, 1966, bibliogr.; Oxygen transport to tissue- II, ed. by J. Grote a. D. Reneau, N. Y., 1976.

В. П. Мишин; В. В. Бочкарев (рад.), В. В. Чурюканов (фарм.).