Az oxigén (O) a periódusos rendszer 16. (VIa) csoportjába tartozó nemfémes kémiai elem. Színtelen, szagtalan és íztelen gáz, amely nélkülözhetetlen az élő szervezetek számára – az azt szén-dioxiddá alakító állatok és a CO2 szénforrásként használó növények számára, és O 2 a légkörbe. Az oxigén szinte bármilyen más elemmel reagálva vegyületeket képez, és a kémiai elemeket is kiszorítja az egymáshoz való kötődésből. Ezeket a folyamatokat sok esetben hő- és fénykibocsátás kíséri. A legfontosabb oxigénvegyület a víz.
Felfedezési előzmények
1772-ben Carl Wilhelm Scheele svéd vegyész mutatta be először az oxigént kálium-nitrát, higany-oxid és sok más anyag melegítésével. Tőle függetlenül 1774-ben Joseph Priestley angol kémikus a higany-oxid hőbontásával fedezte fel ezt a kémiai elemet, és ugyanabban az évben, három évvel a megjelenés előtt publikálta eredményeit. Scheele. Antoine Lavoisier francia kémikus 1775-1780-ban értelmezte az oxigén szerepét a légzésben és az égésben, elutasítva az akkoriban általánosan elfogadott flogiszton-elméletet. Megfigyelte, hogy különféle anyagokkal kombinálva savakat képződik, és elnevezte az elemet oxigénnek, ami görögül azt jelenti, hogy "sav termelődik".
Prevalencia
Mi az oxigén? A földkéreg tömegének 46%-át teszi ki, és a leggyakoribb eleme. Az oxigén mennyisége a légkörben 21 térfogat%, a tengervízben pedig 89%.
A kőzetekben az elem fémekkel és nemfémekkel kombinálódik oxidok formájában, amelyek savasak (például kén, szén, alumínium és foszfor) vagy lúgosak (kalcium-, magnézium- és vassók) és mint sószerű vegyületek, amelyek savas és bázikus oxidokból, például szulfátok, karbonátok, szilikátok, aluminátok és foszfátok képződnek. Bár sok van, ezek a szilárd anyagok nem szolgálhatnak oxigénforrásként, mivel egy elem fématomokkal való kötésének megszakítása túlságosan energiaigényes.
Jellemzők
Ha az oxigén hőmérséklete -183 °C alatt van, akkor halványkék folyadék lesz, -218 °C-on pedig szilárd. A tiszta O2 1,1-szer nehezebb a levegőnél.
A légzés során az állatok és egyes baktériumok oxigént fogyasztanak a légkörből és visszavezetik a szén-dioxidot, míg a fotoszintézis során a zöld növények napfény jelenlétében szén-dioxidot szívnak fel és szabad oxigént bocsátanak ki. Majdnema légkörben lévő összes O2 fotoszintézissel keletkezik.
20 °C-on körülbelül 3 térfogatrész oxigén oldódik 100 rész édesvízben, valamivel kevesebb a tengervízben. Ez szükséges a halak és más tengeri élőlények lélegzéséhez.
A természetes oxigén három stabil izotóp keveréke: 16O (99,759%), 17O (0,037 %) és18O (0,204%). Számos mesterségesen előállított radioaktív izotóp ismert. Ezek közül a leghosszabb életű a 15O (124 s felezési idővel), amelyet emlősök légzésének tanulmányozására használnak.
Allotropes
Az oxigén fogalmának tisztább elképzelése lehetővé teszi annak két allotróp formáját, a kétatomos (O2) és a háromatomos (O3). , ózon). A kétatomos forma tulajdonságai arra utalnak, hogy hat elektron köti meg az atomokat, kettő pedig párosítatlan marad, ami oxigénparamágnesességet okoz. Az ózonmolekulában lévő három atom nincs egyenes vonalban.
Ózon a következő egyenlet szerint állítható elő: 3O2 → 2O3.
A folyamat endoterm (energiát igényel); az ózon kétatomos oxigénné történő visszaalakulását átmeneti fémek vagy oxidjaik jelenléte segíti elő. A tiszta oxigén izzó elektromos kisüléssel ózonná alakul. A reakció körülbelül 250 nm hullámhosszú ultraibolya fény elnyelésekor is végbemegy. Ennek a folyamatnak a felső atmoszférában történő előfordulása kiküszöböli az esetleges sugárzásta földfelszíni élet károsodása. Az ózon szúrós szaga olyan zárt terekben van jelen, ahol szikrázó elektromos berendezések, például generátorok találhatók. Ez egy világoskék gáz. Sűrűsége 1,658-szorosa a levegőének, forráspontja atmoszférikus nyomáson -112°C.
Az ózon egy erős oxidálószer, amely képes a kén-dioxidot trioxiddá, a szulfidot szulfáttá, a jodidot jóddá alakítani (analitikai módszert biztosít a kiértékeléséhez), és számos szerves vegyületet oxigéntartalmú származékokká, például aldehidekké és savakká. Az autók kipufogógázaiból származó szénhidrogének ilyen savakká és aldehidekké történő ózon általi átalakulása okozza a szmogot. Az iparban az ózont vegyi anyagként, fertőtlenítőszerként, szennyvízkezelésben, víztisztításban és textilfehérítésben használják.
Módszerek beszerzése
Az oxigéntermelés módja attól függ, hogy mennyi gázra van szükség. A laboratóriumi módszerek a következők:
1. Egyes sók, például kálium-klorát vagy kálium-nitrát hőbomlása:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
A kálium-klorát bomlását átmeneti fém-oxidok katalizálják. Erre gyakran mangán-dioxidot (piroluzit, MnO2) használnak. A katalizátor 400-ról 250 °C-ra csökkenti az oxigénfejlődéshez szükséges hőmérsékletet.
2. Fém-oxidok hőmérsékleti bomlása:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele és Priestley oxigén és higany (II) vegyületét (oxidját) használta fel ennek a kémiai elemnek a előállítására.
3. Fém-peroxidok vagy hidrogén-peroxid hőbomlása:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
Az oxigén légkörből való leválasztására vagy hidrogén-peroxid előállítására szolgáló első ipari módszerek az oxidból bárium-peroxid képződésétől függtek.
4. Víz elektrolízise kis mennyiségű sók vagy savak szennyeződéseivel, amelyek biztosítják az elektromos áram vezetőképességét:
2H2O → 2H2 + O2
Ipari termelés
Ha nagy mennyiségű oxigént kell nyerni, a folyékony levegő frakcionált desztillációját alkalmazzák. A levegő fő alkotóelemei közül ennek van a legmagasabb forráspontja, ezért kevésbé illékony, mint a nitrogén és az argon. Az eljárás során a gáz hűtését használja, amikor az tágul. A művelet fő lépései a következők:
- a levegő szűrve van a részecskék eltávolítására;
- a nedvesség és a szén-dioxid lúgba történő abszorpció útján távozik;
- a levegő összenyomódik, és a kompressziós hőt a normál hűtési eljárások eltávolítják;
- majd belép a benne található tekercsbekamera;
- a sűrített gáz egy része (körülbelül 200 atm nyomáson) kitágul a kamrában, lehűtve a tekercset;
- az expandált gáz visszatér a kompresszorba, és több szakaszon megy keresztül a táguláson és kompresszión, aminek eredményeként a folyadék -196 °C-on a levegő folyékony lesz;
- folyadékot hevítenek az első könnyű inert gázok desztillálására, majd a nitrogén és a folyékony oxigén marad vissza. A többszörös frakcionálás a legtöbb ipari célra elég tiszta terméket eredményez (99,5%).
Ipari felhasználás
A kohászat a legnagyobb tiszta oxigén fogyasztója a magas széntartalmú acélok gyártásához: gyorsabban és könnyebben szabaduljon meg a szén-dioxidtól és egyéb nemfémes szennyeződésektől, mint a levegő használata.
Az oxigénes szennyvízkezelés ígéretet tesz a folyékony szennyvíz más kémiai eljárásoknál hatékonyabb kezelésére. Egyre fontosabbá válik a hulladékégetés zárt rendszerekben tiszta O2.
Az úgynevezett rakétaoxidálószer folyékony oxigén. Tiszta O2 Tengeralattjárókban és búvárharangokban használják.
A vegyiparban az oxigén felváltotta a normál levegőt az olyan anyagok előállítása során, mint az acetilén, az etilén-oxid és a metanol. Az orvosi alkalmazások közé tartozik a gáz oxigénkamrákban, inhalátorokban és baba inkubátorokban való felhasználása. Az oxigénnel dúsított érzéstelenítő gáz életfenntartást nyújt az általános érzéstelenítés során. E kémiai elem nélkül számosolvasztókemencéket használó iparágak. Ez az oxigén.
Kémiai tulajdonságok és reakciók
Az oxigén nagy elektronegativitása és elektronaffinitása jellemző azokra az elemekre, amelyek nem fémes tulajdonságokat mutatnak. Minden oxigénvegyület negatív oxidációs állapotú. Ha két pályát elektronokkal töltenek meg, O2- ion képződik. A peroxidokban (O22-) feltételezzük, hogy minden atom töltése -1. Az elektronok teljes vagy részleges átvitelével történő elfogadásának ez a tulajdonsága határozza meg az oxidálószert. Amikor egy ilyen szer reagál egy elektrondonor anyaggal, saját oxidációs állapota csökken. Az oxigén oxidációs állapotának nulláról -2-re történő változását (csökkenését) redukciónak nevezzük.
Normál körülmények között az elem két- és háromatomos vegyületeket képez. Ezenkívül vannak rendkívül instabil négyatomos molekulák. A kétatomos formában két párosítatlan elektron helyezkedik el nem kötőpályán. Ezt a gáz paramágneses viselkedése is megerősíti.
Az ózon intenzív reakcióképességét néha azzal a feltételezéssel magyarázzák, hogy a három atom közül az egyik "atomi" állapotban van. A reakcióba lépve ez az atom disszociál az O3-ból, így molekuláris oxigén marad.
Az O2 molekula gyengén reaktív normál környezeti hőmérsékleten és nyomáson. Az atomi oxigén sokkal aktívabb. A disszociációs energia (O2 → 2O) jelentős és117,2 kcal/mol.
Kapcsolatok
A nemfémekkel, mint a hidrogén, a szén és a kén, az oxigén kovalens kötésű vegyületek széles skáláját képezi, beleértve a nemfémek oxidjait, például a vizet (H2O), kén-dioxid (SO2) és szén-dioxid (CO2); szerves vegyületek, például alkoholok, aldehidek és karbonsavak; általános savak, például szénsav (H2CO3), kénsav (H2SO4) és nitrogén (HNO3); és a megfelelő sók, például nátrium-szulfát (Na2SO4), nátrium-karbonát (Na2 CO 3) és nátrium-nitrát (NaNO3). Az oxigén O2- ion formájában van jelen a szilárd fémoxidok kristályszerkezetében, mint például az oxigén és a kalcium CaO vegyülete (oxidja). A fém szuperoxidok (KO2) az O2- iont tartalmazzák, míg a fém-peroxidok (BaO) 2), tartalmazza az O22- iont. Az oxigénvegyületek oxidációs állapota főleg -2.
Alapvető funkciók
Végül felsoroljuk az oxigén főbb tulajdonságait:
- Elektron konfiguráció: 1s22s22p4.
- Atomszám: 8.
- Atomtömeg: 15,9994.
- Forráspont: -183,0 °C.
- Olvadáspont: -218,4 °C.
- Sűrűség (ha az oxigénnyomás 1 atm 0 °C-on): 1,429 g/l.
- Oxidációs állapotok: -1, -2, +2 (fluort tartalmazó vegyületekben).
