Výskyt kyslíku v přírodě

Kyslík (chemická značka O, latinsky oxygenium) je plynný chemický prvek, tvořící druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organismů na této planetě.

Historie objevu kyslíku

Jeden z prvních známých experimentů zkoumajících vztah mezi spalováním a vzduchem popsal ve 3. století před naším letopočtem řecký učenec Filón Byzantský. Pozoroval, že po převrácení nádoby přes hořící svíčku a obklopení hrdla nádoby vodou začne voda stoupat. Nesprávně předpokládal, že část vzduchu v nádobě mohla uniknout póry ve skle. Až o mnoho století později, v 15. století, se Leonardo da Vinci zabýval pokusy, při kterých se snažil zjistit, co se děje se vzduchem při hoření a dýchání.

Polský alchymista a lékař Michal Sendivoj na začátku 17. století popsal látku obsaženou ve vzduchu a označil ji jako „cibus vitae“ (potrava života). Na konci 17. století Robert Boyle zjistil, že vzduch je pro spalování nezbytný. Anglický chemik John Mayow ukázal, že oheň potřebuje k hoření pouze část vzduchu, kterou nazval spiritus nitroaereus. Experimentem zjistil, že umístění myši nebo zapálené svíčky do uzavřené nádoby nad vodou způsobí, že voda stoupne a část objemu vzduchu nahradí. Z toho odvodil, že nitroaereus je spotřebováván jak při dýchání, tak při spalování. Robert Hooke, Ole Borch nebo Michail Lomonosov ve svých experimentech v 17. a 18. století rovněž produkovali a izolovali kyslík.

O vysvětlení jevů vznikajících při spalování a korozi se pokoušela v 18. století tzv. flogistonová teorie. Podle této teorie, formulované v roce 1667 německým lékařem a alchymistou Johannem Joachimem Becherem a o něco později zpopularizované Georgem Stahlem, byly všechny hořlavé materiály tvořeny ze dvou částí. Jedna část, nazývaná flogiston, se podle této teorie při spalování uvolnila; zbývající „deflogistikovaná“ část neboli calx byla považována za podstatu spáleného materiálu. Předpokládalo se, že vysoce hořlavé materiály, které zanechávají malé zbytky, jako je dřevo nebo uhlí, jsou převážně z flogistonu; nehořlavé látky, které korodují, například železo, obsahovaly flogistonu velmi málo.

Za objevitele kyslíku je někdy považován švédský lékárník Carl Wilhelm Scheele, který v letech 1771-1772 vyráběl plynný kyslík zahříváním oxidu rtuťnatého a různých dusičnanů. Pojmenoval tento plyn „ohnivý vzduch“, svůj objev však publikoval až v roce 1777. Mezitím nezávisle na Scheeleovi v roce 1774 provedl britský duchovní Joseph Priestley experiment, při kterém zaměřil sluneční světlo na oxid rtuťnatý obsažený ve skleněné trubici. Uvolňovaný plyn pojmenoval „dephlogisticated air“, tedy deflogistikovaný vzduch. Zjistil, že svíčky v plynu hořely jasněji a že myš byla aktivnější a při dýchání tohoto plynu žila déle. Zkusil plyn dýchat také sám a nezaznamenal výraznou odlišnost od běžného vzduchu, ale pociťoval při tom zvláštní lehkost.

Čtěte také: Přírodní zdroje soli

Autorem prvních kvantitativních experimentů s oxidací a prvního správného vysvětlení, jak funguje spalování, byl Antoine Lavoisier. Jeho experimenty vyvrátily flogistonovou teorii a prokázaly, že látka objevená Priestleyem a Scheeleem je chemický prvek. Dokázal také, že vzduch je směsí dvou plynů; pro „dýchatelnou“ část vzduchu, která je nezbytná pro spalování a dýchání, navrhl název oxygen („kyselinu tvořící“), protože se - mylně, jak později prokázal např. Humphry Davy - domníval, že kyslík je nezbytnou složkou všech kyselin.

Původní atomová teorie Johna Daltona z roku 1801 předpokládala, že se každý chemický prvek skládá ze stejných a dále nedělitelných atomů a že prvky ve sloučeninách by za normálních okolností měly mít vůči sobě jednoduché hmotnostní poměry. Koncem 19. století si vědci uvědomili, že vzduch lze zkapalnit a jeho součásti izolovat jeho stlačením a ochlazením. Objev kapalného kyslíku oznámil švýcarský chemik a fyzik Raoul-Pierre Pictet v roce 1877; zkapalněný kyslík ve stabilním stavu ale vyrobili až v roce 1883 polští vědci Zygmunt Wróblewski a Karol Olszewski a v roce 1891 skotský chemik James Dewar dokázal vyrobit dostatečné množství tekutého kyslíku pro další studium.

Vlastnosti kyslíku

• Chemický prvek kyslík je za normálních podmínek bezbarvý, dvouatomový plyn.
• Pokud bychom jej zkapalnili, měl by lehce namodralou barvu.
• Kyslík je velmi reaktivní permanentní plyn, nezbytný pro existenci života na naší planetě.
• Slučování kyslíku s ostatními prvky se nazývá hoření, pokud je látka zahřátá na zápalnou teplotu.
• Jde prakticky vždy o exotermní reakci, která vede k uvolnění značného množství tepelné energie.
• Kyslík je velmi reaktivní prvek a přímo se slučuje téměř se všemi prvky, pouze s halogeny reaguje neochotně.
• Slučovací reakce kyslíku jsou zpravidla silně exotermní.
• Ve sloučeninách vystupuje nejčastěji v oxidačním stavu -II, v peroxidech se vyskytuje s formálním oxidačním číslem -I, ve sloučeninách s fluorem má kyslík kladné oxidační číslo I.

Výskyt kyslíku v přírodě

• Na Zemi je kyslík velmi rozšířeným prvkem.
• V zemské kůře je kyslík majoritním prvkem, je přítomen téměř ve všech horninách. Jeho obsah je odhadován na 46 až 50 hmotnostních procent.
• Ve vesmíru je zastoupení kyslíku podstatně nižší.
• V přírodě se kyslík nalézá ve vzduchu a v obrovské řadě sloučenin, z nichž nejdůležitější je voda.
• Mineralogicky popsány byly téměř 4000 nerostů s obsahem kyslíku.
• V zemské kůře je kyslík zastoupen podílem více než 47 %.
• Přírodní kyslík je směsí 3 stabilních izotopů (99,76 % ¹⁶O, 0,048 % ¹⁷O, 0,2 % ¹⁸O).
• Kyslík (O₂) je jeden z hlavních biogenních prvků vyskytujících se v organismu. Nejrozšířenější prvek v zemské kůře (kolem 49 %). Vázaný je obsažen ve vodě, v řadě anorganických a organických látek. Bezbarvý plyn těžší než vzduch. Při teplotě -183 °C kondenzuje na modrou kapalinu.
• Kyslík však můžeme najít i v ozónové vrstvě, a to ve formě ozónu O₃, asi 25 až 30 km nad povrchem Země a vytváří přirozenou ochranu proti slunečnímu UV záření. Bohužel, ozónová vrstva je na mnoha místech Země výrazně zeslabena.

Sloučeniny kyslíku

• Záporně dvojmocný kyslík je přítomen ve velmi široké škále sloučenin.
• Kyslík je přítomen ve většině anorganických kyselin a jejich solí.
• Alkalické sloučeniny hydroxidy se vyznačují přítomnosti skupiny -OH.
• Ve valenci O^−I vystupuje kyslík v peroxidech, nejznámější z nich je peroxid vodíku H₂O₂. Tato kapalná sloučenina má silné oxidační účinky a v praxi se používá ve formě svých vodných roztoků v medicíně pro dezinfekci a v chemii jako oxidační činidlo.
• Pouze fluor vykazuje větší elektronegativitu než kyslík a tvoří s ním několik fluoridů, v nichž se kyslík vyskytuje v mocenství O^+I i O^+II.
• Kyslík se vyskytuje ve velkém množství organických látek. Řada těchto sloučenin je součástí všech živých organismů, protože kyslík patří mezi základní biogenní prvky.

Základními sloučeninami kyslíku jsou oxidy. Oxidy nekovů jsou obvykle plynné látky s kyselinotvorným charakterem. Oxidy polokovů jsou tvrdé krystalické látky s polymerní strukturou a slabě kyselým nebo amfoterním charakterem. Oxidy kovů jsou krystalické látky s vysokou teplotou tání, mají iontovou strukturu a jsou zásadotvorné, výjimku tvoří oxidy kovů s oxidačním číslem větším než V, jsou to obvykle těkavé kapaliny nebo plyny s molekulovou strukturou, bývají vždy kyselinotvorné. Oxidy některých kovů bývají amfoterní, např. ZnO nebo Al₂O₃.

Některé oxidy, např. oxid uhelnatý CO, oxid dusný N₂O nebo oxid chloričitý ClO₂, jsou za normálních podmínek plynné látky. Zvláštním typem oxidů jsou suboxidy, jedná se o sloučeniny ve kterých má elektopozitivnější prvek oxidační číslo menší než I.

Dalšími sloučeninami kyslíku jsou peroxidy, pro které je charakteristická vzájemná kovalentní vazba dvou kyslíkových atomů, kyslík se proto v peroxidech jeví jako elektrochemicky jednomocný. Nejdůležitějším peroxidem je peroxid vodíku H₂O₂.

Čtěte také: Výskyt rtuti v přírodě

Peroxid vodíku je velice slabá dvojsytná kyselina (disociační konstanta pKA=11,62), která se samovolně rozkládá na vodu a volný kyslík. Vůči většině látek se peroxid vodíku chová jako silné oxidační činidlo, ale v přítomnosti některých extrémně silných oxidačních látek (např. PbO₂ nebo KMnO₄) vystupuje naopak jako redukční činidlo.

Průmyslová výroba peroxidu vodíku se provádí oxidací 2-ethyl-9,10-dihydroanthracenu na 2-ethylanthrachinon vzdušným kyslíkem.

Superoxidy jsou sloučeniny kyslíku s kovy, ve kterých vystupuje kyslík ve formě superoxidového aniontu [O=O]^-. Je známo pouze několik superoxidů alkalických kovů, nejstabilnější je superoxid draselný KO₂, nejméně stabilní je superoxid sodný NaO₂. Superoxidy se dají připravit spalovaním roztaveného kovu v kyslíku.

Mezi další zajímavé sloučeniny kyslíku patří ozonidy, což jsou binární sloučeniny ozonu O₃ s elektropozitivními prvky. Mezi známé ozonidy patří ozonidy alkalických kovů, např. ozonid lithný LiO₃, ozonid sodný NaO₃ a ozonid draselný KO₃. Všechny ozonidy jsou tmavě červené krystalické látky iontové povahy, jsou stabilní pouze za nízkých teplot, při vyšší teplotách podléhají samovolnému rozkladu. Ozonid lithný a sodný se rozkládají explozivně.

Do této skupiny řadíme oxidy, peroxid vodíku a peroxidy kovů. Oxidy jsou binární sloučeniny kyslíku s jinými prvky, v nichž kyslík s oxidačním číslem -II. je jejich elektronegativnější složkou.

Čtěte také: Recyklace kyseliny tereftalové

Výroba a využití kyslíku

Průmyslová výroba kyslíku se provádí frakční destilací kapalného vzduchu podle Lindeho nebo frakčním zkapalňováním vzduchu podle Clauda. V menší míře se kyslík vyrábí také elektrolýzou vody. Kyslík se prakticky výlučně vyrábí destilací zkapalněného vzduchu.

Vyrobený kyslík se uchovává buď ve zkapalněném stavu ve speciálních Dewarových nádobách (viz obrázek) nebo plynný v ocelových tlakových lahvích. Vzhledem k vysoké reaktivitě čistého kyslíku je nezbytné, aby se nedostal do přímého kontaktu s organickými látkami.

Přímé uplatnění nalézá kyslík zejména v metalurgii, jako okysličovadlo v raketové technice a jako balicí plyn v potravinářství (E 948). Peroxid vodíku slouží jako dezinfekční, bělící a oxidační činidlo.

V medicíně se čistý kyslík používá při operacích a traumatických stavech pro podporu pacientova dýchání a lepšímu okysličení organismu. Směsi kyslíku s inertními plyny slouží potápěčům k potlačení dekompresní nemoci. Také vysokohorští horolezci a letci se v nutných případech uchylují k dýchání čistého kyslíku. I piloti stíhacích letadel jsou vybaveni směsmi stlačených plynů, jejichž základní složkou je kyslík.

Američtí astronauti programu Apollo dýchali také atmosféru z téměř čistého kyslíku, což umožnilo snížit tlak v kabině zhruba na třetinu běžné hodnoty a tak odlehčit její hermetickou konstrukci. To se ale stalo osudným posádce Apolla 1, která ve vysoce hořlavé atmosféře uhořela.

Při hoření směsi kyslíku s acetylenem lze dosáhnout teploty cca 3 150-3 200 °C. Při výrobě oceli je nutné především odstranit z matrice železa přebytečný uhlík, který je ve formě karbidu železa. Tento přebytečný uhlík spolu s dalšími příměsmi se odstraňuje spálením obvykle v tzv. kyslíkových konvertorech.

Vliv počasí na obsah kyslíku ve vodě

Velký vliv na množství kyslíku ve vodě má atmosférický tlak, nadmořská výška a vývoj počasí. S klesajícím tlakem klesá obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě. Všeobecně platí, čím teplejší voda, tím menší obsah kyslíku. Proto například v létě před bouřkou doprovázenou poklesem tlaku, dochází k poklesu kyslíku ve vodě až na spodní hodnoty.

Shrnutí

• Kyslík (O) je vysoce reaktivní nekovový prvek, nezbytný pro život většiny organismů na Zemi, kde je klíčový pro buněčné dýchání a procesy hoření.
• Jeho protonové číslo je 8 a v periodické tabulce se řadí mezi chalkogeny (16. skupina).
• Za běžných podmínek je to bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, tvořící dvouatomové molekuly O₂.
• Kyslík tvoří 21 % zemské atmosféry a je nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře, vázaný ve vodě, oxidech a silikátech.

tags: #vyskyt #kysliku #v #prirode

Oblíbené příspěvky:

• Recenze malých odpadkových košů
• Životopis Maroše Kramára
• Život hmyzu v odpadcích
• Udržitelnost a kalkulačka ekologické stopy
• Staré traktory a emise