Τι είναι το οξυγόνο; Ενώσεις οξυγόνου

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Το οξυγόνο (O) είναι ένα μη μεταλλικό χημικό στοιχείο της ομάδας 16 (VIa) του περιοδικού πίνακα. Είναι ένα άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο που είναι απαραίτητο για τους ζωντανούς οργανισμούς - ζώα που το μετατρέπουν σε διοξείδιο του άνθρακα και φυτά που χρησιμοποιούν CO₂ ως πηγή άνθρακα και επιστρέφουν O ₂ στην ατμόσφαιρα. Το οξυγόνο σχηματίζει ενώσεις αντιδρώντας σχεδόν με οποιοδήποτε άλλο στοιχείο και επίσης εκτοπίζει τα χημικά στοιχεία από τη σύνδεση μεταξύ τους. Σε πολλές περιπτώσεις, αυτές οι διεργασίες συνοδεύονται από την απελευθέρωση θερμότητας και φωτός. Η πιο σημαντική ένωση οξυγόνου είναι το νερό.

Ιστορικό ανακάλυψης

Το 1772, ο Σουηδός χημικός Carl Wilhelm Scheele έδειξε για πρώτη φορά οξυγόνο θερμαίνοντας νιτρικό κάλιο, οξείδιο του υδραργύρου και πολλές άλλες ουσίες. Ανεξάρτητα από αυτόν, το 1774, ο Άγγλος χημικός Joseph Priestley ανακάλυψε αυτό το χημικό στοιχείο με θερμική αποσύνθεση οξειδίου του υδραργύρου και δημοσίευσε τα ευρήματά του την ίδια χρονιά, τρία χρόνια πριν από τη δημοσίευση. Scheele. Το 1775-1780, ο Γάλλος χημικός Antoine Lavoisier ερμήνευσε τον ρόλο του οξυγόνου στην αναπνοή και την καύση, απορρίπτοντας τη γενικά αποδεκτή τότε θεωρία του φλογιστονίου. Σημείωσε την τάση του να σχηματίζει οξέα όταν συνδυάζεται με διάφορες ουσίες και ονόμασε το στοιχείο oxygène, που στα ελληνικά σημαίνει «παράγοντας οξύ».

Επιπολασμός

Τι είναι το οξυγόνο; Αποτελώντας το 46% της μάζας του φλοιού της γης, είναι το πιο κοινό στοιχείο του. Η ποσότητα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα είναι 21% κατ' όγκο και κατά βάρος στο θαλασσινό νερό είναι 89%.

Στα πετρώματα, το στοιχείο συνδυάζεται με μέταλλα και αμέταλλα με τη μορφή οξειδίων, τα οποία είναι όξινα (για παράδειγμα, θείο, άνθρακας, αλουμίνιο και φώσφορος) ή βασικά (άλατα ασβεστίου, μαγνησίου και σιδήρου) και ως ενώσεις που μοιάζουν με άλατα που μπορούν να θεωρηθούν ότι σχηματίζονται από όξινα και βασικά οξείδια όπως θειικά, ανθρακικά, πυριτικά, αργιλικά και φωσφορικά άλατα. Αν και είναι πολυάριθμα, αυτά τα στερεά δεν μπορούν να χρησιμεύσουν ως πηγές οξυγόνου, καθώς το σπάσιμο του δεσμού ενός στοιχείου με άτομα μετάλλου είναι πολύ ενεργοβόρο.

Λειτουργίες

Αν η θερμοκρασία του οξυγόνου είναι κάτω από -183 °C, τότε γίνεται ένα απαλό μπλε υγρό και στους -218 °C - στερεό. Το καθαρό O₂ είναι 1,1 φορές βαρύτερο από τον αέρα.

Κατά την αναπνοή, τα ζώα και ορισμένα βακτήρια καταναλώνουν οξυγόνο από την ατμόσφαιρα και επιστρέφουν διοξείδιο του άνθρακα, ενώ κατά τη φωτοσύνθεση, τα πράσινα φυτά, παρουσία ηλιακού φωτός, απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα και απελευθερώνουν ελεύθερο οξυγόνο. Σχεδόνόλα τα O₂ στην ατμόσφαιρα παράγονται με φωτοσύνθεση.

Στους 20 °C, περίπου 3 μέρη όγκου οξυγόνου διαλύονται σε 100 μέρη γλυκού νερού, ελαφρώς λιγότερα στο θαλασσινό νερό. Αυτό είναι απαραίτητο για την αναπνοή των ψαριών και άλλων θαλάσσιων ζώων.

Το φυσικό οξυγόνο είναι ένα μείγμα τριών σταθερών ισοτόπων: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037 %) και¹⁸O (0,204%). Είναι γνωστά αρκετά τεχνητά παραγόμενα ραδιενεργά ισότοπα. Το μακροβιότερο από αυτά είναι το ¹⁵O (με χρόνο ημιζωής 124 δευτερόλεπτα), το οποίο χρησιμοποιείται για τη μελέτη της αναπνοής στα θηλαστικά.

Allotropes

Μια πιο ξεκάθαρη ιδέα για το τι είναι το οξυγόνο, σας επιτρέπει να αποκτήσετε τις δύο αλλοτροπικές του μορφές, τη διατομική (O₂) και την τριατομική (O₃ , όζον). Οι ιδιότητες της διατομικής μορφής υποδηλώνουν ότι έξι ηλεκτρόνια δεσμεύουν τα άτομα και δύο παραμένουν ασύζευκτα, προκαλώντας παραμαγνητισμό οξυγόνου. Τα τρία άτομα στο μόριο του όζοντος δεν βρίσκονται σε ευθεία γραμμή.

Το όζον μπορεί να παραχθεί σύμφωνα με την εξίσωση: 3O₂ → 2O₃.

Η διαδικασία είναι ενδόθερμη (απαιτεί ενέργεια). η μετατροπή του όζοντος ξανά σε διατομικό οξυγόνο διευκολύνεται από την παρουσία μετάλλων μετάπτωσης ή των οξειδίων τους. Το καθαρό οξυγόνο μετατρέπεται σε όζον από μια λαμπερή ηλεκτρική εκκένωση. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα επίσης κατά την απορρόφηση υπεριώδους φωτός με μήκος κύματος περίπου 250 nm. Η εμφάνιση αυτής της διαδικασίας στην ανώτερη ατμόσφαιρα εξαλείφει την ακτινοβολία που θα μπορούσε να προκαλέσειζημιά στη ζωή στην επιφάνεια της Γης. Η πικάντικη μυρωδιά του όζοντος είναι παρούσα σε κλειστούς χώρους με ηλεκτρικό εξοπλισμό που σπινθηρίζει, όπως γεννήτριες. Είναι ένα γαλάζιο αέριο. Η πυκνότητά του είναι 1,658 φορές εκείνη του αέρα και έχει σημείο βρασμού -112°C στην ατμοσφαιρική πίεση.

Το όζον είναι ένας ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας, ικανός να μετατρέπει το διοξείδιο του θείου σε τριοξείδιο, το σουλφίδιο σε θειικό, το ιωδίδιο σε ιώδιο (παρέχοντας μια αναλυτική μέθοδο για την αξιολόγησή του) και πολλές οργανικές ενώσεις σε οξυγονωμένα παράγωγα όπως αλδεΰδες και οξέα. Η μετατροπή των υδρογονανθράκων από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων σε αυτά τα οξέα και αλδεΰδες από το όζον είναι αυτή που προκαλεί την αιθαλομίχλη. Στη βιομηχανία, το όζον χρησιμοποιείται ως χημικός παράγοντας, απολυμαντικό, επεξεργασία λυμάτων, καθαρισμός νερού και λεύκανση υφασμάτων.

Λήψη μεθόδων

Ο τρόπος που παράγεται το οξυγόνο εξαρτάται από το πόση ποσότητα αερίου απαιτείται. Οι εργαστηριακές μέθοδοι είναι οι εξής:

1. Θερμική αποσύνθεση ορισμένων αλάτων όπως χλωρικό κάλιο ή νιτρικό κάλιο:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂.

Η αποσύνθεση του χλωρικού καλίου καταλύεται από οξείδια μετάλλων μεταπτώσεως. Το διοξείδιο του μαγγανίου (πυρολουσίτης, MnO₂) χρησιμοποιείται συχνά για αυτό. Ο καταλύτης μειώνει τη θερμοκρασία που απαιτείται για την παραγωγή οξυγόνου από 400 σε 250°C.

2. Θερμοκρασία αποσύνθεσης οξειδίων μετάλλων:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Ο Scheele και ο Priestley χρησιμοποίησαν μια ένωση (οξείδιο) οξυγόνου και υδραργύρου (II) για να λάβουν αυτό το χημικό στοιχείο.

3. Θερμική αποσύνθεση μεταλλικών υπεροξειδίων ή υπεροξειδίου του υδρογόνου:

2BaO + O₂ → 2BaO₂.
2BaO₂ → 2BaO +O₂.
BaO₂ + H₂SO₄ → H₂ O₂ + BaSO₄.
2H₂O₂ → 2H₂O +O _2.

Οι πρώτες βιομηχανικές μέθοδοι για τον διαχωρισμό οξυγόνου από την ατμόσφαιρα ή για την παραγωγή υπεροξειδίου του υδρογόνου εξαρτήθηκαν από το σχηματισμό υπεροξειδίου του βαρίου από το οξείδιο.

4. Ηλεκτρόλυση νερού με μικρές ακαθαρσίες αλάτων ή οξέων, που παρέχουν την αγωγιμότητα του ηλεκτρικού ρεύματος:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Βιομηχανική παραγωγή

Εάν είναι απαραίτητο να ληφθούν μεγάλοι όγκοι οξυγόνου, χρησιμοποιείται κλασματική απόσταξη υγρού αέρα. Από τα κύρια συστατικά του αέρα, έχει το υψηλότερο σημείο βρασμού και επομένως είναι λιγότερο πτητικό από το άζωτο και το αργό. Η διαδικασία χρησιμοποιεί ψύξη του αερίου καθώς διαστέλλεται. Τα κύρια βήματα της λειτουργίας είναι τα εξής:

ο αέρας φιλτράρεται για την αφαίρεση σωματιδίων.
η υγρασία και το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνονται με απορρόφηση σε αλκάλια.
ο αέρας συμπιέζεται και η θερμότητα της συμπίεσης αφαιρείται με κανονικές διαδικασίες ψύξης.
μετά εισέρχεται στο πηνίο που βρίσκεται μέσακάμερα;
μέρος του συμπιεσμένου αερίου (σε πίεση περίπου 200 atm) διαστέλλεται στον θάλαμο, ψύχοντας το πηνίο.

Το

διογκωμένο αέριο επιστρέφει στον συμπιεστή και περνά από διάφορα στάδια επακόλουθης διαστολής και συμπίεσης, με αποτέλεσμα ένα υγρό στους -196 °C ο αέρας γίνεται υγρός.

Το

υγρό θερμαίνεται για να αποσταχθούν τα πρώτα ελαφρά αδρανή αέρια, μετά το άζωτο και παραμένει υγρό οξυγόνο. Η πολλαπλή κλασματοποίηση παράγει ένα προϊόν αρκετά καθαρό (99,5%) για τους περισσότερους βιομηχανικούς σκοπούς.

Βιομηχανική χρήση

Η μεταλλουργία είναι ο μεγαλύτερος καταναλωτής καθαρού οξυγόνου για την παραγωγή χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα: απαλλαγείτε από το διοξείδιο του άνθρακα και άλλες μη μεταλλικές ακαθαρσίες γρηγορότερα και ευκολότερα από τη χρήση αέρα.

Η επεξεργασία λυμάτων με οξυγόνο υπόσχεται την αποτελεσματικότερη επεξεργασία των υγρών αποβλήτων από άλλες χημικές διεργασίες. Η αποτέφρωση απορριμμάτων σε κλειστά συστήματα με χρήση καθαρού O₂.

. γίνεται ολοένα και πιο σημαντική

Το λεγόμενο οξειδωτικό πυραύλων είναι υγρό οξυγόνο. Pure O₂ Χρησιμοποιείται σε υποβρύχια και καταδυτικές καμπάνες.

Στη χημική βιομηχανία, το οξυγόνο έχει αντικαταστήσει τον κανονικό αέρα στην παραγωγή ουσιών όπως η ακετυλίνη, το οξείδιο του αιθυλενίου και η μεθανόλη. Οι ιατρικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τη χρήση του αερίου σε θαλάμους οξυγόνου, συσκευές εισπνοής και θερμοκοιτίδες μωρών. Ένα αναισθητικό αέριο εμπλουτισμένο με οξυγόνο παρέχει υποστήριξη ζωής κατά τη διάρκεια της γενικής αναισθησίας. Χωρίς αυτό το χημικό στοιχείο, ένας αριθμός απόβιομηχανίες που χρησιμοποιούν φούρνους τήξης. Αυτό είναι το οξυγόνο.

Χημικές ιδιότητες και αντιδράσεις

Η υψηλή ηλεκτραρνητικότητα και η συγγένεια ηλεκτρονίων του οξυγόνου είναι τυπικά στοιχεία που παρουσιάζουν μη μεταλλικές ιδιότητες. Όλες οι ενώσεις οξυγόνου έχουν αρνητική κατάσταση οξείδωσης. Όταν δύο τροχιακά γεμίζουν με ηλεκτρόνια, σχηματίζεται ένα ιόν O^2-. Στα υπεροξείδια (O₂^2-) κάθε άτομο θεωρείται ότι έχει φορτίο -1. Αυτή η ιδιότητα της αποδοχής ηλεκτρονίων με ολική ή μερική μεταφορά καθορίζει τον οξειδωτικό παράγοντα. Όταν ένας τέτοιος παράγοντας αντιδρά με μια ουσία δότη ηλεκτρονίων, η δική του κατάσταση οξείδωσης μειώνεται. Η αλλαγή (μείωση) της κατάστασης οξείδωσης του οξυγόνου από μηδέν σε -2 ονομάζεται αναγωγή.

Υπό κανονικές συνθήκες, το στοιχείο σχηματίζει διατομικές και τριατομικές ενώσεις. Επιπλέον, υπάρχουν πολύ ασταθή μόρια τεσσάρων ατόμων. Στη διατομική μορφή, δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε μη δεσμευτικά τροχιακά. Αυτό επιβεβαιώνεται από την παραμαγνητική συμπεριφορά του αερίου.

Η έντονη αντιδραστικότητα του όζοντος εξηγείται μερικές φορές με την υπόθεση ότι ένα από τα τρία άτομα βρίσκεται σε «ατομική» κατάσταση. Μπαίνοντας στην αντίδραση, αυτό το άτομο διασπάται από το O₃, αφήνοντας μοριακό οξυγόνο.

Το μόριο O₂ είναι ασθενώς αντιδραστικό σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις περιβάλλοντος. Το ατομικό οξυγόνο είναι πολύ πιο ενεργό. Η ενέργεια διάστασης (O₂ → 2O) είναι σημαντική καιείναι 117,2 kcal ανά mole.

Συνδέσεις

Με τα μη μέταλλα όπως το υδρογόνο, ο άνθρακας και το θείο, το οξυγόνο σχηματίζει ένα ευρύ φάσμα ομοιοπολικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων οξειδίων μη μετάλλων όπως το νερό (H₂O), διοξείδιο του θείου (SO₂) και διοξείδιο του άνθρακα (CO₂); οργανικές ενώσεις όπως αλκοόλες, αλδεΰδες και καρβοξυλικά οξέα. κοινά οξέα όπως ανθρακικό (H₂CO₃), θειικό (H₂SO4_{) και άζωτο (HNO}3_{); και αντίστοιχα άλατα όπως θειικό νάτριο (Na}2_SO4_{), ανθρακικό νάτριο (Na}2 _CO 3_{) και νιτρικό νάτριο (NaNO}3_{). Το οξυγόνο υπάρχει με τη μορφή του ιόντος O}2- ^{στην κρυσταλλική δομή των στερεών οξειδίων μετάλλων, όπως η ένωση (οξείδιο) του οξυγόνου και του ασβεστίου CaO. Τα υπεροξείδια μετάλλων (KO}2_{) περιέχουν το O}2- ^{ιόν, ενώ τα υπεροξείδια μετάλλων (BaO2}), περιέχει το ιόν O₂_2-. Οι ενώσεις οξυγόνου έχουν κυρίως κατάσταση οξείδωσης -2.