Egy egyszerű anyag oxigén jellemzőire utal. Oxigén: az elem kémiai tulajdonságai

A kémia megjelenése óta az emberiség számára világossá vált, hogy körülöttük minden egy anyagból áll, amely kémiai elemeket is tartalmaz. Az anyagok sokféleségét különféle vegyületek biztosítják egyszerű elemek. A mai napig 118 kémiai elemet fedeztek fel és vettek fel D. Mengyelejev periódusos rendszerébe. Közülük érdemes kiemelni néhány olyan vezető szerepet, amelyek jelenléte meghatározta a szerves élet kialakulását a Földön. Ez a lista a következőket tartalmazza: nitrogén, szén, oxigén, hidrogén, kén és foszfor.

Oxigén: a felfedezés története

Mindezek az elemek, valamint számos más elem hozzájárult ahhoz, hogy bolygónkon az élet olyan formában alakuljon ki, ahogyan most megfigyeljük. Az összes összetevő közül az oxigén nagyobb mennyiségben fordul elő a természetben, mint más elemek.

Az oxigént, mint különálló elemet 1774. augusztus 1-jén fedezték fel. Egy közönséges lencsével történő hevítéssel higanykőből levegőt nyert kísérlet során felfedezte, hogy a gyertya szokatlanul erős lánggal ég.

Priestley sokáig próbált ésszerű magyarázatot találni erre. Akkoriban ez a jelenség a "második levegő" nevet kapta. Valamivel korábban a tengeralattjáró feltalálója, K. Drebbel a 17. század elején izolálta az oxigént, és légzésre használta találmányában. De kísérletei nem befolyásolták az oxigén szerepének megértését az élő szervezetek energiacseréjében. Antoine Laurent Lavoisier francia kémikus azonban elismerten az oxigént hivatalosan felfedező tudós. Megismételte Priestley kísérletét, és rájött, hogy a keletkező gáz külön elem.

Az oxigén szinte minden egyszerű gázzal kölcsönhatásba lép, kivéve az inert gázokat és a nemesfémeket.

Oxigén keresése a természetben

Bolygónk elemei közül az oxigén foglalja el a legnagyobb részt. Az oxigén eloszlása ​​a természetben nagyon változatos. Kötött és szabad formában egyaránt jelen van. Erős oxidálószer lévén rendszerint kötött állapotban van. Az oxigén jelenléte a természetben, mint különálló kötetlen elem, csak a bolygó légkörében rögzíthető.

Gáz formájában van jelen, és két oxigénatom kombinációja. A légkör teljes térfogatának körülbelül 21%-át teszi ki.

A levegőben lévő oxigénnek a szokásos formáján kívül izotróp formája van ózon formájában. három oxigénatomból áll. Az ég kék színe közvetlenül összefügg ennek a vegyületnek a felső légkörben való jelenlétével. Az ózonnak köszönhetően a Napunkból érkező kemény rövidhullámú sugárzás elnyelődik és nem éri el a felszínt.

Az ózonréteg hiányában a szerves élet elpusztulna, mint a mikrohullámú sütőben sült étel.

Bolygónk hidroszférájában ez az elem kettővel kötött formában van, és vizet képez. Az óceánokban, tengerekben, folyókban és a felszín alatti vizekben az oxigén arányát az oldott sókat figyelembe véve mintegy 86-89%-ra becsülik.

A földkéregben az oxigén kötött formában van, és a leggyakoribb elem. Részesedése körülbelül 47%. Az oxigén jelenléte a természetben nem korlátozódik a bolygó héjára, ez az elem minden szerves lény része. Részesedése átlagosan eléri a 67%-át össztömeg minden elemet.

Az oxigén az élet alapja

A magas oxidatív aktivitás miatt az oxigén könnyen egyesül a legtöbb elemmel és anyaggal, oxidokat képezve. Az elem nagy oxidáló ereje biztosítja a jól ismert égési folyamatot. Az oxigén a lassú oxidációs folyamatokban is részt vesz.

Az oxigén szerepe a természetben, mint erős oxidálószer, nélkülözhetetlen az élő szervezetek életében. Ennek a kémiai folyamatnak köszönhetően az anyagok oxidációja energia felszabadulásával történik. Az élő szervezetek élettevékenységükhöz használják fel.

A növények a légkör oxigénforrásai

Bolygónk légkörének kialakulásának kezdeti szakaszában a meglévő oxigén kötött állapotban volt, szén-dioxid (szén-dioxid) formájában. Idővel megjelentek a növények, amelyek képesek voltak elnyelni a szén-dioxidot.

Ezt a folyamatot a fotoszintézis megjelenése tette lehetővé. Idővel, a növények élete során, évmilliók alatt felhalmozódott a Föld légköre nagyszámú szabad oxigén.

A tudósok szerint korábban tömeghányada elérte a 30%-ot, másfélszer többet, mint most. A növények a múltban és most is jelentősen befolyásolták a természet oxigénciklusát, így biztosítva bolygónk változatos növény- és állatvilágát.

Az oxigén jelentősége a természetben nemcsak óriási, hanem kiemelkedő is. Az állatvilág anyagcsere-rendszere egyértelműen a légkör oxigén jelenlététől függ. Enélkül az élet lehetetlenné válik, ahogy ismerjük. Csak anaerob (oxigén nélkül élni képes) élőlények maradnak a bolygó lakói között.

Az intenzív jelleget az biztosítja, hogy más elemekkel együtt három halmazállapotban van. Erős oxidálószer lévén nagyon könnyen változik szabad formából kötött formává. És csak a szén-dioxidot fotoszintézissel lebontó növényeknek köszönhetően elérhető szabad formában.

Az állatok és rovarok légzési folyamata a redox reakciókhoz kötetlen oxigén előállításán alapul, amelyet a szervezet létfontosságú tevékenységét biztosító energiatermelés követ. Az oxigén jelenléte a természetben, kötötten és szabadon, biztosítja a bolygó minden életének teljes körű működését.

A bolygó evolúciója és "kémiája".

A bolygó életének fejlődése a Föld légkörének összetételén, az ásványi anyagok összetételén és a folyékony halmazállapotú víz jelenlétén alapult.

A földkéreg kémiai összetétele, a légkör és a víz jelenléte a bolygó életének kialakulásának alapja lett, és meghatározta az élő szervezetek fejlődésének irányát.

A bolygó létező „kémiája” alapján az evolúció eljutott a vízen mint oldószeren alapuló, szénalapú szerves élethez. vegyi anyagok, valamint az oxigén oxidálószerként való felhasználása energia szerzése érdekében.

Egy másik evolúció

Ezen a ponton modern tudomány nem cáfolja az élet lehetőségét más, a földi körülményektől eltérő környezetben, ahol a szilícium vagy az arzén alapul szolgálhat egy szerves molekula felépítéséhez. És a folyadék közege, mint oldószer, lehet folyékony ammónia és hélium keveréke. Ami az atmoszférát illeti, gáz-halmazállapotú hidrogén formájában ábrázolható hélium és más gázok keverékével.

Milyen anyagcsere-folyamatok lehetnek ilyen körülmények között, a modern tudomány még nem képes modellezni. Az élet fejlődésének ez az iránya azonban teljesen elfogadható. Amint azt az idő bizonyítja, az emberiség folyamatosan a világról és a benne élő életről alkotott felfogásunk határainak kitágításával szembesül.

A cikk tartalma

OXIGÉN, O (oxigén), kémiai elem Az elemek periódusos rendszerének VIA alcsoportjai: O, S, Se, Te, Po - a kalkogén család tagja. Ez a leggyakoribb elem a természetben, tartalma a Föld légkörében 21% (térf.), a földkéregben vegyületek formájában kb. 50 tömeg%, a hidroszférában pedig 88,8 tömeg%.

Az oxigén nélkülözhetetlen a földi élethez: az állatok és a növények légzés útján fogyasztják az oxigént, a növények pedig fotoszintézis útján bocsátanak ki oxigént. Az élőanyag nem csak a testnedvekben (vérsejtek stb.), hanem a szénhidrátokban (cukor, cellulóz, keményítő, glikogén), zsírokban és fehérjékben is tartalmaz kötött oxigént. agyag, sziklák szilikátokból és más oxigéntartalmú szervetlen vegyületekből állnak, mint például oxidok, hidroxidok, karbonátok, szulfátok és nitrátok.

Történelmi hivatkozás.

Az oxigénről szóló első információk Európában a 8. századi kínai kéziratokból váltak ismertté. A 16. század elején Leonardo da Vinci az oxigén kémiájával kapcsolatos adatokat közölt, még nem tudta, hogy az oxigén elem. Az oxigén addíciós reakciókat a tudományos dolgozatok S. Gales (1731) és P. Bayen (1774). Külön figyelmet érdemelnek K. Scheele 1771–1773-as tanulmányai a fémek és a foszfor oxigénnel való kölcsönhatásáról. J. Priestley 1774-ben számolt be az oxigén mint elem felfedezéséről, néhány hónappal azután, hogy Bayen a levegővel való reakcióiról számolt be. Az oxigénium ("oxigén") elnevezést röviddel Priestley felfedezése után kapta ez az elem, és a "savtermelő" görög szavakból származik; ez annak a tévhitnek köszönhető, hogy oxigén minden savban jelen van. Az oxigén légzési és égési folyamatokban betöltött szerepének magyarázata azonban A. Lavoisier (1777) nevéhez fűződik.

Az atom szerkezete.

Bármely természetes oxigénatom 8 protont tartalmaz az atommagban, de a neutronok száma 8, 9 vagy 10 lehet. A három oxigénizotóp közül a leggyakoribb (99,76%) a 16 8 O (8 proton és 8 neutron). Egy másik izotóp, a 18 8 O (8 proton és 10 neutron) tartalma mindössze 0,2%. Ezt az izotópot jelölőként vagy bizonyos molekulák azonosítására, valamint biokémiai és orvosi-kémiai vizsgálatokra (nem radioaktív nyomok vizsgálatára szolgáló módszer) használják. A harmadik nem radioaktív oxigénizotóp 17 8 O (0,04%) 9 neutront tartalmaz, tömegszáma 17. Miután a Nemzetközi Bizottság 1961-ben standard atomtömegként elfogadta a 12 6 C szénizotóp tömegét, a Az oxigén súlyozott átlagos atomtömege 15 9994 lett. 1961-ig a vegyészek az atomtömeg szabványos mértékegységét az oxigén atomtömegének tekintették, amelyet három természetes oxigénizotóp keveréke esetén 16 000-nek feltételeztek. A fizikusok a 16 8 O oxigénizotóp tömegszámát vették szabványos atomtömeg-egységnek, ezért a fizikai skála szerint az oxigén átlagos atomtömege 16,0044 volt.

Egy oxigénatomban 8 elektron van, ebből 2 elektron a belső szinten és 6 elektron a külső szinten. Ezért a kémiai reakciókban az oxigén legfeljebb két elektront tud befogadni a donoroktól, így akár 8 elektront is kitöltve a külső héja, és többlet negatív töltést képez.

Molekuláris oxigén.

A legtöbb más elemhez hasonlóan, amelyek atomjaiból 1-2 elektron hiányzik ahhoz, hogy a 8 elektronból álló külső héjat kiegészítsék, az oxigén kétatomos molekulát alkot. Ez a folyamat sok energiát (~490 kJ/mol) szabadít fel, és ennek megfelelően ugyanennyi energiát kell fordítani a molekulák atomokká történő disszociációjának fordított folyamatára. Az O–O kötés erőssége olyan nagy, hogy 2300°C-on az oxigénmolekulák mindössze 1%-a disszociál atomokká. (Figyelemre méltó, hogy az N 2 nitrogénmolekula képződésében az N–N kötés erőssége még nagyobb, ~710 kJ/mol.)

Elektronikus szerkezet.

Az oxigénmolekula elektronszerkezetében, ahogy az várható is, az elektronok oktett szerinti eloszlása ​​az egyes atomok körül nem valósul meg, de vannak párosítatlan elektronok, és az oxigén az ilyen szerkezetre jellemző tulajdonságokat mutat (például kölcsönhatásba lép mágneses mező, lévén paramágnes).

Reakciók.

Megfelelő körülmények között a molekuláris oxigén szinte minden elemmel reagál, kivéve a nemesgázokat. Szobakörülmények között azonban csak a legaktívabb elemek reagálnak elég gyorsan az oxigénnel. Valószínű, hogy a legtöbb reakció csak az oxigén atomokká történő disszociációja után megy végbe, és a disszociáció csak nagyon magas hőmérsékleten megy végbe. A katalizátorok vagy más anyagok azonban a reagáló rendszerben elősegíthetik az O 2 disszociációját. Ismeretes, hogy az alkáli (Li, Na, K) és az alkáliföldfémek (Ca, Sr, Ba) reakcióba lépnek a molekuláris oxigénnel peroxidokat képezve:

Átvétel és jelentkezés.

A légkörben található szabad oxigén miatt a legtöbb hatékony módszer elszívása a levegő cseppfolyósítása, amelyből eltávolítják a szennyeződéseket, CO 2 -t, port stb. kémiai és fizikai módszerek. A ciklikus folyamat magában foglalja a kompressziót, a hűtést és az expanziót, ami a levegő cseppfolyósodásához vezet. Lassú hőmérséklet-emelkedéssel (frakcionált desztilláció) a folyékony levegő először a nemesgázokat (a legnehezebben cseppfolyósítható) párologtatja el, majd a nitrogént, és a folyékony oxigén marad vissza. Ennek eredményeként a folyékony oxigén nyomokban nemesgázokat és viszonylag nagy százalékban nitrogént tartalmaz. Sok alkalmazásnál ezek a szennyeződések nem zavarják. A nagy tisztaságú oxigén eléréséhez azonban a desztillációs folyamatot meg kell ismételni. Az oxigént tartályokban és hengerekben tárolják. Nagy mennyiségben használják kerozin és egyéb üzemanyagok oxidálószereként rakétákban és űrhajókban. Az acélipar oxigéngázt használ a vas befúvatására a Bessemer-eljáráson keresztül, hogy gyorsan és hatékonyan eltávolítsa a C-, S- és P-szennyeződéseket. Az oxigénfúvás gyorsabban és jobban állítja elő az acélt, mint a légfúvás. Az oxigént fémek hegesztésére és vágására is használják (oxi-acetilén láng). Az oxigént a gyógyászatban is használják, például a légzési nehézségekkel küzdő betegek légzőkörnyezetének gazdagítására. Az oxigént többféleképpen lehet nyerni kémiai módszerek, és ezek egy részét kis mennyiségű tiszta oxigén előállítására használják a laboratóriumi gyakorlatban.

Elektrolízis.

Az oxigén előállításának egyik módja a víz elektrolízise, ​​amely katalizátorként kis mennyiségű NaOH-t vagy H 2 SO 4-et tartalmaz: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2. Ebben az esetben kis mennyiségű hidrogén szennyeződés képződik. Kisütőberendezés segítségével a gázelegyben lévő hidrogénnyomok ismét vízzé alakulnak, amelynek gőzeit fagyasztással vagy adszorpcióval távolítják el.

Termikus disszociáció.

Az oxigén megszerzésének egyik fontos laboratóriumi módszere, amelyet J. Priestley javasolt, a nehézfém-oxidok hőbontása: 2HgO ® 2Hg + O 2 . Priestley erre összpontosított napsugarak higany-oxid poron. Jól ismert laboratóriumi módszer az oxosók, például a kálium-klorát termikus disszociációja katalizátor - mangán-dioxid - jelenlétében:

A kalcinálás előtt kis mennyiségben hozzáadott mangán-dioxid lehetővé teszi a kívánt hőmérséklet és disszociációs sebesség fenntartását, maga a MnO 2 pedig nem változik a folyamat során.

A nitrátok termikus lebontásának módszereit is használják:

valamint egyes aktív fémek peroxidjai, például:

2BaO 2 ® 2BaO + O 2

Ez utóbbi módszert egy időben széles körben alkalmazták oxigén kivonására a légkörből, és BaO-t levegőn hevítettek BaO 2 képződéséig, majd a peroxid hőbontását. A hőbontási módszer megőrzi jelentőségét a hidrogén-peroxid előállításában.

AZ OXIGÉN NÉHÁNY FIZIKAI TULAJDONSÁGA
atomszám	8
Atomtömeg	15,9994
Olvadáspont, °С	–218,4
Forráspont, °C	–183,0
Sűrűség
szilárd anyag, g/cm3 (at t pl)	1,27
folyadék g / cm 3 (at t kip)	1,14
gázhalmazállapotú, g/dm3 (0 °C-on)	1,429
levegőhöz képest	1,105
kritikus a, g / cm3	0,430
Kritikus hőmérséklet a, °C	–118,8
Kritikus nyomás a, atm	49,7
Oldhatóság, cm 3 /100 ml oldószer
vízben (0°C)	4,89
vízben (100°C)	1,7
alkoholban (25°C)	2,78
Sugár, Å	0,74
kovalens	0,66
ionos (O 2–)	1,40
Ionizációs potenciál, V
első	13,614
második	35,146
Elektronegativitás (F=4)	3,5
a Az a hőmérséklet és nyomás, amelyen egy gáz és egy folyadék sűrűsége azonos.

fizikai tulajdonságok.

Az oxigén normál körülmények között színtelen, szagtalan és íztelen gáz. A folyékony oxigén halványkék színű. A szilárd oxigén legalább három kristálymódosulatban létezik. A gázhalmazállapotú oxigén vízben oldódik, és valószínűleg instabil vegyületeket képez, például O 2 H H 2 O és esetleg O 2 H 2H 2 O.

Kémiai tulajdonságok.

Mint már említettük, az oxigén kémiai aktivitását az határozza meg, hogy képes O atomokra disszociálni, amelyek nagyon reaktívak. Csak a legaktívabb fémek és ásványok reagálnak nagy sebességgel az O 2 -vel alacsony hőmérsékletek. A legaktívabb alkáli (IA alcsoportok) és néhány alkáliföldfém (IIA alcsoport) fémek peroxidokat képeznek, mint például NaO 2 és BaO 2 O 2 -vel. Más elemek és vegyületek csak az O 2 disszociációs termékkel reagálnak. Megfelelő körülmények között a nemesgázok és a Pt, Ag, Au fémek kivételével minden elem reagál az oxigénnel. Ezek a fémek oxidokat is képeznek, de különleges körülmények között.

Az oxigén elektronszerkezete (1s 2 2s 2 2p 4) olyan, hogy az O atom két elektront fogad be a külső szintre, hogy egy stabil külső elektronhéjat képezzen, O 2– iont képezve. Az alkálifém-oxidokban túlnyomórészt ionos kötések jönnek létre. Feltételezhető, hogy ezeknek a fémeknek az elektronjait szinte teljes egészében az oxigén vonzza. A kevésbé aktív fémek és nemfémek oxidjaiban az elektronok átmenete nem teljes, és az oxigén negatív töltéssűrűsége kevésbé kifejezett, így a kötés kevésbé ionos vagy inkább kovalens.

A fémek oxigénnel történő oxidációja során hő szabadul fel, melynek nagysága korrelál az M–O kötés erősségével. Egyes nemfémek oxidációja során hő nyelődik el, ami az oxigénnel való gyengébb kötéseikre utal. Az ilyen oxidok termikusan instabilak (vagy kevésbé stabilak, mint az ionos kötésű oxidok), és gyakran nagyon reaktívak. A táblázat összehasonlítás céljából a legtipikusabb fémek, átmeneti fémek és nemfémek, az A- és B-alcsoport elemeinek oxidjainak képződési entalpiáinak értékeit mutatja (a mínusz jel hőleadást jelent).

Az oxidok tulajdonságairól számos általános következtetés vonható le:

1. Az alkálifémek oxidjainak olvadáspontja a fém atomsugár növekedésével csökken; Így, t pl (Cs 2 O) t pl (Na 2 O). Azok az oxidok, amelyekben az ionos kötés dominál, több magas hőmérsékletek olvadáspontja, mint a kovalens oxidok olvadáspontja: t pl (Na 2 O) > t pl (SO 2).

2. A reaktív fémek oxidjai (IA–IIIA alcsoportok) termikusan stabilabbak, mint az átmeneti fémek és nemfémek oxidjai. A termikus disszociáció során a legmagasabb oxidációs állapotban lévő nehézfém-oxidok alacsonyabb oxidációs állapotú oxidokat képeznek (például 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0,5O 2 ® 2Hg 0 + O 2). Az ilyen magas oxidációs állapotú oxidok jó oxidálószerek lehetnek.

3. A legaktívabb fémek kölcsönhatásba lépnek a molekuláris oxigénnel magasabb hőmérsékleten peroxidokat képezve:

Sr + O 2 ® SrO 2 .

4. Az aktív fémek oxidjai színtelen oldatot képeznek, míg a legtöbb átmeneti fém oxidjai színesek és gyakorlatilag oldhatatlanok. A fémoxidok vizes oldatai bázikus tulajdonságokat mutatnak, és OH-csoportokat tartalmazó hidroxidok, míg a nemfém-oxidok vizes oldatokban H + iont tartalmazó savakat képeznek.

5. Az A-alcsoportok fémei és nemfémei a csoportszámnak megfelelő oxidációs állapotú oxidokat képeznek, például Na, Be és B Na 1 2 O, Be II O és B 2 III O 3, és nem a C, N, S, Cl alcsoportok IVA-VIIA fémei C IV O 2, N V 2 O 5, S VI O 3, Cl VII 2 O 7 . Az elemcsoport száma csak a maximális fokozat oxidáció, mivel az elemek alacsonyabb oxidációs fokával rendelkező oxidok is lehetségesek. A vegyületek égési folyamataiban az oxidok tipikus termékek, például:

2H 2S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O

A széntartalmú anyagok és szénhidrogének enyhe melegítés hatására CO 2 -vé és H 2 O-vá oxidálódnak (égnek). Ilyen anyagok például az üzemanyagok - fa, olaj, alkoholok (valamint a szén - szén, koksz és faszén). Az égési folyamatból származó hőt gőztermelésre (majd villamos energia vagy erőművekbe kerül), valamint házak fűtésére hasznosítják. Az égési folyamatok tipikus egyenletei:

a) fa (cellulóz):

(C6H10O5) n + 6n O 2 ® 6 n CO2+5 n H 2 O + hőenergia

b) olaj vagy gáz (benzin C 8 H 18 vagy földgáz CH 4):

2C 8 H 18 + 25O 2 ® 16CO 2 + 18H 2 O + hőenergia

CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + hőenergia

C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + hőenergia

d) szén (kő vagy faszén, koksz):

2C + O 2 ® 2CO + hőenergia

2CO + O 2 ® 2CO 2 + hőenergia

Számos nagy energiatartalékkal rendelkező C-, H-, N-, O-tartalmú vegyület is ki van téve az égésnek. Az oxidációhoz szükséges oxigén nemcsak a légkörből (mint az előző reakciókban), hanem magából az anyagból is felhasználható. A reakció megindításához elegendő a reakció enyhe aktiválása, például ütés vagy rázás. Ezekben a reakciókban az oxidok is égéstermékek, de mindegyik gáz halmazállapotú, és a folyamat magas véghőmérsékletén gyorsan kitágul. Ezért az ilyen anyagok robbanásveszélyesek. A robbanóanyagok példái a trinitroglicerin (vagy nitroglicerin) C 3 H 5 (NO 3) 3 és trinitrotoluol (vagy TNT) C 7 H 5 (NO 2) 3 .

A legalacsonyabb oxidációs állapotú fémek vagy nemfémek oxidjai oxigénnel reagálva oxidokat képeznek magas fokok ennek az elemnek az oxidációja:

Az ércekből nyert vagy szintetizált természetes oxidok nyersanyagként szolgálnak számos fontos fém előállításához, például vas Fe 2 O 3-ból (hematit) és Fe 3 O 4 (magnetit), alumínium Al 2 O 3-ból (timföld) ), magnézium MgO-ból (magnézia). Könnyűfém-oxidokat használnak vegyipar lúgok vagy bázisok előállítására. A kálium-peroxid KO 2 szokatlan felhasználásra talál, mivel nedvesség jelenlétében és a vele való reakció eredményeként oxigént szabadít fel. Ezért a KO 2-t a légzőkészülékekben oxigén előállítására használják. A kilélegzett levegő nedvessége oxigént szabadít fel a légzőkészülékben, a KOH pedig elnyeli a CO 2 -t. A CaO-oxid és a kalcium-hidroxid Ca(OH) 2 gyártása nagyüzemi termelés a kerámia- és cementtechnológiában.

Víz (hidrogén-oxid).

A víz H 2 O jelentősége, mint a laboratóriumi gyakorlatban a kémiai reakciók, és az életfolyamatokban különös figyelmet igényel ez az anyag VÍZ, JÉG ÉS GŐZ). Mint már említettük, az oxigén és a hidrogén közvetlen kölcsönhatásában, például szikrakisülés körülményei között, robbanás és vízképződés következik be, 143 kJ/(mol H 2 O) felszabadulás mellett.

A vízmolekula csaknem tetraéderes szerkezetű, a H–O–H szöge 104° 30°. A molekulában lévő kötések részben ionosak (30%) és részben kovalensek, nagy sűrűségű negatív töltéssel az oxigén és ennek megfelelően a hidrogén pozitív töltésével:

A H-O kötések erőssége miatt a hidrogén alig válik le az oxigénről, a víz pedig nagyon gyenge. savas tulajdonságok. A víz számos tulajdonságát a töltések eloszlása ​​határozza meg. Például egy vízmolekula egy fémionnal hidrátot képez:

A víz egy elektronpárt ad egy akceptornak, amely lehet H +:

Oxoanionok és oxokációk

- oxigéntartalmú részecskék, amelyek maradék negatív (oxoanionok) vagy maradék pozitív (oxokációk) töltéssel rendelkeznek. Az O 2– ion nagy affinitással (nagy reaktivitással) rendelkezik a H + típusú pozitív töltésű részecskékkel szemben. A stabil oxoanionok legegyszerűbb képviselője az OH- hidroxidion. Ez magyarázza a nagy töltéssűrűségű atomok instabilitását és részleges stabilizálódását egy pozitív töltésű részecske hozzáadása következtében. Ezért amikor az aktív fém (vagy oxidja) a vízre hat, OH képződik, nem pedig O 2–:

2Na + 2H 2O ® 2Na + + 2OH - + H 2

Na 2 O + H 2 O ® 2Na + + 2OH -

Bonyolultabb oxoanionok képződnek oxigénből egy fémionnal vagy egy nagy pozitív töltésű nemfém részecskével, ami egy alacsony töltésű, stabilabb részecskét eredményez, például:

°C-on sötétlila szilárd anyag képződik. A folyékony ózon kevéssé oldódik folyékony oxigénben, és 49 cm 3 O 3 oldódik 100 g vízben 0 ° C-on. Kémiai tulajdonságait tekintve az ózon sokkal aktívabb, mint az oxigén, oxidáló tulajdonságait tekintve pedig csak az O, F 2 és OF 2 (oxigén-difluorid) mögött áll. A normál oxidáció során oxid és molekuláris oxigén O 2 keletkezik. Különleges körülmények között az ózon aktív fémekre gyakorolt ​​hatására K + O 3 - összetételű ózonidok képződnek. Az ózont az iparban speciális célokra nyerik, jó fertőtlenítőszer, víztisztításra és fehérítőként használják, zárt rendszerekben javítja a légkör állapotát, fertőtleníti a tárgyakat és az élelmiszereket, gyorsítja a szemek és a gyümölcsök érését. Egy kémiai laboratóriumban gyakran használnak ozonátort az ózon előállításához, amelyre a kémiai elemzés és szintézis egyes módszereinél szükség van. A gumi még alacsony koncentrációjú ózon hatására is könnyen tönkremegy. Egyes ipari városokban a levegőben lévő jelentős ózonkoncentráció a gumitermékek gyors károsodásához vezet, ha nem védik őket antioxidánsokkal. Az ózon erősen mérgező. Folyamatos levegő lélegzés még nagyon alacsony ózonkoncentráció esetén is fejfájás, hányinger és egyéb kellemetlen állapotok.

Bevezetés

Minden nap beszívjuk a szükséges levegőt. Gondolkoztál már azon, hogy miből, pontosabban milyen anyagokból áll a levegő? Leginkább nitrogént (78%) tartalmaz, ezt követi az oxigén (21%) és az inert gázok (1%). Bár az oxigén nem alkotja a levegő legalapvetőbb részét, enélkül a légkör lakhatatlan lenne. Neki köszönhetően létezik élet a Földön, mert a nitrogén együtt és külön-külön is káros az emberre. Nézzük az oxigén tulajdonságait.

Az oxigén fizikai tulajdonságai

A levegőben az oxigén egyszerűen nem megkülönböztethető, mivel normál körülmények között íz, szín és szag nélküli gáz. De az oxigén mesterségesen átvihető más aggregációs állapotokba. Tehát -183 o C-on folyékony lesz, és -219 o C-on megkeményedik. De szilárd és folyékony oxigént csak az ember kaphat, és a természetben csak gáz halmazállapotban létezik. így néz ki (fotó). És kemény, mint a jég.

Az oxigén fizikai tulajdonságai egy egyszerű anyag molekulájának szerkezetét is jelentik. Az oxigénatomok két ilyen anyagot képeznek: oxigént (O 2) és ózont (O 3). Az alábbiakban egy oxigénmolekula modelljét mutatjuk be.

Oxigén. Kémiai tulajdonságok

Az első dolog, amivel egy elem kémiai jellemzője kezdődik, az a helyzete periodikus rendszer D. I. Mengyelejev. Tehát az oxigén a fő alcsoport 6. csoportjának 2. periódusában van a 8-as számon. Atomtömege 16 amu, nemfém.

BAN BEN szervetlen kémia más elemekkel alkotott bináris vegyületeit külön oxidokká egyesítették. Az oxigén kémiai vegyületeket képezhet fémekkel és nemfémekkel egyaránt.

Beszéljünk arról, hogy beszerezzük a laboratóriumokban.

Kémiailag oxigént nyerhetünk kálium-permanganát, hidrogén-peroxid, berthollet só, aktív fém-nitrátok és nehézfém-oxidok lebontásával. Tekintsük az egyes módszerek reakcióegyenleteit.

1. Víz elektrolízis:

H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2

5. Nehézfém-oxidok (pl. higany-oxid) lebontása:

2HgO \u003d 2Hg + O 2

6. Aktív fémek nitrátjainak lebontása (például nátrium-nitrát):

2NaNO 3 \u003d 2NaNO 2 + O 2

Oxigén alkalmazása

Elkészültünk a kémiai tulajdonságokkal. Itt az ideje, hogy beszéljünk az oxigén felhasználásáról az emberi életben. Elektromos és hőerőművek tüzelőanyag elégetéséhez szükséges. Öntöttvasból és fémhulladékból acél előállítására, fém hegesztésére és vágására használják. Oxigén szükséges a tűzoltók maszkjaihoz, búvárhengereihez, felhasználják a vas- és színesfémkohászatban, sőt robbanóanyag-gyártásban is. Az élelmiszeriparban is az oxigént E948 élelmiszer-adalékanyagként ismerik. Úgy tűnik, nincs olyan iparág, ahol ne használnák, de az orvostudományban játssza a legfontosabb szerepet. Ott "orvosi oxigénnek" hívják. Annak érdekében, hogy az oxigén használható legyen, elősűrítik. Az oxigén fizikai tulajdonságai hozzájárulnak ahhoz, hogy összenyomható. Ebben a formában ezekhez hasonló hengerekben tárolják.

Felhasználják az újraélesztésben és a berendezésekben végzett műveletekben, hogy fenntartsák az életfolyamatokat a beteg páciens testében, valamint bizonyos betegségek kezelésében: dekompresszió, a gyomor-bél traktus patológiái. Segítségével az orvosok nap mint nap sok életet mentenek meg. Az oxigén kémiai és fizikai tulajdonságai hozzájárulnak széleskörű használatához.

MEGHATÁROZÁS

Oxigén- a nyolcadik elem Periódusos táblázat. Nem fémekre utal. alcsoport VI A csoportjának második periódusában található.

A sorszám 8. Az atommag töltése +8. Atomtömeg - 15.999 amu Az oxigén három izotópja fordul elő a természetben: 16 O, 17 O és 18 O, amelyek közül a 16 O a leggyakoribb (99,762%).

Az oxigénatom elektronszerkezete

Az oxigénatomnak két héja van, mint minden elem, amely a második periódusban található. A -VI (kalkogén) csoportszám azt jelzi, hogy a nitrogénatom külső elektronszintjén 6 vegyértékelektron található. Magas oxidáló képességgel rendelkezik (csak a fluor magasabb).

Rizs. 1. Az oxigénatom szerkezetének sematikus ábrázolása.

Az alapállapot elektronikus konfigurációja a következőképpen van felírva:

1s 2 2s 2 2p 4 .

Az oxigén a p-család egyik eleme. A gerjesztetlen állapotban lévő vegyértékelektronok energiadiagramja a következő:

Az oxigénnek 2 pár párosított elektronja és két párosítatlan elektronja van. Az oxigén minden vegyületében II. vegyértéket mutat.

Rizs. 2. Az oxigénatom szerkezetének térbeli képe.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Oxigén képződikperoxidok –1 oxidációs állapotú.
- Például peroxidokat alkálifémek oxigénben való elégetésével állítanak elő:
2Na + O 2 → Na 2 O 2

- Néhány oxid elnyeli az oxigént:
2BaO + O 2 → 2BaO 2

- Az A. N. Bach és K. O. Engler által kidolgozott égési elvek szerint az oxidáció két szakaszban megy végbe, közbenső peroxidvegyület képződésével. Ez az intermedier vegyület izolálható például, amikor az égő hidrogén lángját jéggel hűtjük, vízzel együtt hidrogén-peroxid képződik:
H 2 + O 2 → H 2 O 2

Szuperoxidok-1/2 oxidációs állapotúak, azaz két oxigénatomonként egy elektron (O 2 -ion). A peroxidok és az oxigén kölcsönhatása során nyerik emelkedett nyomásokés hőmérséklet:
Na 2 O 2 + O 2 → 2NaO 2

Ozonides O 3 iont tartalmaznak - -1/3 oxidációs állapotú. Az ózon alkálifém-hidroxidok hatására keletkezik:
KOH (tv.) + O 3 → KO 3 + KOH + O 2

És ő dioxigenil Az O 2 + oxidációs állapota +1/2. A reakció alapján:
PtF 6 + O 2 → O 2 PtF 6

Oxigén-fluoridok
oxigén-difluorid, OF 2 oxidációs állapot +2, fluort lúgos oldaton vezetve kapunk:
2F 2 + 2NaOH → OF 2 + 2NaF + H 2 O

Oxigén-monofluorid (Dioxidifluorid), O 2 F 2, instabil, oxidációs állapot +1. Fluor és oxigén keverékéből nyerik izzítókisülésben -196 °C hőmérsékleten.

Fluor és oxigén keverékén bizonyos nyomáson és hőmérsékleten izzó kisülést vezetve magasabb oxigénfluoridok O 3 F 2, O 4 F 2, O 5 F 2 és O 6 F 2 keverékeit kapjuk.
Az oxigén támogatja a légzési, égési és bomlási folyamatokat. Szabad formájában az elem két allotróp módosulatban létezik: O 2 és O 3 (ózon).

Oxigén alkalmazása

Az oxigén széles körű ipari felhasználása a 20. század közepén kezdődött, miután feltalálták a turbóexpandereket - a folyékony levegő cseppfolyósítására és leválasztására szolgáló eszközöket.

A kohászatban

Az acélgyártás konverteres módszere az oxigén felhasználásával függ össze.

Fémek hegesztése és vágása

A hengerekben lévő oxigént széles körben használják fémek lángvágására és hegesztésére.

Rakéta üzemanyag

A folyékony oxigént, a hidrogén-peroxidot, a salétromsavat és más oxigénben gazdag vegyületeket rakétaüzemanyagként oxidálószerként használják. A folyékony oxigén és a folyékony ózon keveréke az egyik legerősebb rakéta-üzemanyag oxidálószer (a hidrogén-ózon keverék fajlagos impulzusa meghaladja a hidrogén-fluor és hidrogén-oxigén-fluorid pár fajlagos impulzusát).

Az orvostudományban

Az oxigént légúti gázkeverékek dúsítására használják légzési elégtelenség esetén, asztma kezelésére, oxigén koktélok, oxigénpárnák stb.

Az élelmiszeriparban

Az élelmiszeriparban az oxigént mint élelmiszer-adalék E948, hajtóanyagként és csomagológázként.

Az oxigén biológiai szerepe

Az élőlények oxigént lélegeznek be a levegőben. Az oxigént széles körben használják a gyógyászatban. Szív- és érrendszeri megbetegedések esetén az anyagcsere-folyamatok javítása érdekében oxigénhabot („oxigénkoktélt”) juttatnak a gyomorba. A szubkután oxigén beadását trofikus fekélyek, elefántiasis, gangréna és más súlyos betegségek esetén alkalmazzák. Levegőfertőtlenítésre és szagtalanításra és tisztításra vizet inni alkalmazzon mesterséges ózondúsítást. Az oxigén 15 O radioaktív izotópját a véráramlás sebességének, a tüdőszellőztetésnek a vizsgálatára használják.

Mérgező oxigén származékok

Egyes oxigénszármazékok (úgynevezett reaktív oxigénfajták), mint például a szingulett oxigén, a hidrogén-peroxid, a szuperoxid, az ózon és a hidroxilgyök, rendkívül mérgező termékek. Az oxigén aktiválásának vagy részleges redukciójának folyamatában keletkeznek. Az emberi és állati szervezet sejtjeiben és szöveteiben szuperoxid (szuperoxidgyök), hidrogén-peroxid és hidroxilgyök képződhet, és oxidatív stresszt okoz.

Az oxigén izotópjai

Az oxigénnek három stabil izotópja van: 16 O, 17 O és 18 O, amelyek átlagos tartalma a Föld összes oxigénatomjának 99,759%-a, 0,037%-a és 0,204%-a. Közülük a legkönnyebb 16 O éles túlsúlya az izotópok keverékében annak köszönhető, hogy a 16 O atom magja 8 protonból és 8 neutronból áll. És az ilyen magoknak, amint az az atommag szerkezetének elméletéből következik, különleges stabilitásuk van.

Vannak radioaktív izotópok: 11 O, 13 O, 14 O (felezési idő 74 mp), 15 O (T 1/2 = 2,1 perc), 19 O (T 1/2 = 29,4 mp), 20 O (vitatott felezési idő). élettartam adatok 10 perctől 150 évig).

további információ

Oxigénvegyületek
Folyékony oxigén
Ózon

Oxigén, Oxigénium, O(8)
Az oxigén felfedezése (Oxygen, French Oxygene, német Sauerstoff) a modern kor kezdetét jelentette a kémia fejlődésében. Ősidők óta ismert volt, hogy az égéshez levegőre van szükség, de az égési folyamat sok évszázadon át érthetetlen maradt. Csak a XVII. Mayow és Boyle egymástól függetlenül megfogalmazták azt az elképzelést, hogy a levegő tartalmaz valami olyan anyagot, amely támogatja az égést, de ez a teljesen racionális hipotézis akkoriban még nem alakult ki, mivel az égés fogalma az égő test összekapcsolásának folyamata egy bizonyos A levegő alkotórésze ellentmondani látszott egy olyan nyilvánvaló cselekedetnek, mint annak, hogy az égés során az égő test elemi komponensekre bomlik. Ezen az alapon a XVII. század fordulóján. felmerült a Becher és Stahl által megalkotott flogiszton elmélet. A kémia fejlődésében a kémiai-analitikai korszak beköszöntével (18. század második fele) és a „pneumatikus kémia” – a kémiai-analitikai irányzat egyik fő ága – megjelenésével az égés, valamint a légzés. , ismét felkeltette a kutatók figyelmét. A különféle gázok felfedezése és a kémiai folyamatokban betöltött fontos szerepük megállapítása volt az egyik fő ösztönző az égési folyamatok Lavoisier által végzett szisztematikus tanulmányozására. Az oxigént a 18. század 70-es éveinek elején fedezték fel.

Erről a felfedezésről Priestley 1775-ben számolt be először az Angol Királyi Társaság ülésén. Priestley vörös higany-oxidot hevített egy nagy égő üveggel, és olyan gázt kapott, amelyben a gyertya erősebben égett, mint a közönséges levegőben. parázsló fáklya villant fel. Priestley meghatározta az új gáz egyes tulajdonságait, és daflogisztikus levegőnek nevezte. Azonban két évvel korábban Priestley (1772) Scheele is kapott oxigént a higany-oxid lebontásával és más módszerekkel. Scheele ezt a gázt tüzes levegőnek (Feuerluft) nevezte. Scheele csak 1777-ben tudott jelentést készíteni felfedezéséről.

1775-ben Lavoisier arról számolt be a Párizsi Tudományos Akadémiának, hogy sikerült megszereznie "a minket körülvevő levegő legtisztább részét", és leírta a levegő ezen részének tulajdonságait. Eleinte Lavoisier ezt a „levegőt" a létfontosságú levegő empirikus, létfontosságú (Air empireal, Air vital) bázisának nevezte (Base de l „air vital). Az oxigén szinte egyidejű felfedezése több tudós által különböző országok vitákat okozott a prioritás körül. Priestley különösen kitartóan ismerte el magát felfedezőként. Ezek a viták lényegében máig nem értek véget. Az oxigén tulajdonságainak, valamint az égési folyamatokban és az oxidok képződésében betöltött szerepének részletes tanulmányozása Lavoisier-t arra a téves következtetésre vezette, hogy ez a gáz savképző elv. 1779-ben Lavoisier ennek a következtetésnek megfelelően bevezette az oxigén új elnevezését - a savképző elvet (principe acidifiant ou principe oxygine). Az ebben az összetett névben megjelenő oxigine szót Lavoisier a görög sav és az „én termelek” szóból származtatta.