Ce este oxigenul? Compușii oxigenului

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Oxigenul (O) este un element chimic nemetalic din grupa 16 (VIa) din tabelul periodic. Este un gaz incolor, inodor și fără gust, care este esențial pentru organismele vii – animale care îl transformă în dioxid de carbon și plante care folosesc CO₂ ca sursă de carbon și returnează O ₂ în atmosferă. Oxigenul formează compuși prin reacția cu aproape orice alt element și, de asemenea, înlocuiește elementele chimice de la legarea între ele. În multe cazuri, aceste procese sunt însoțite de eliberarea de căldură și lumină. Cel mai important compus de oxigen este apa.

Istoricul descoperirilor

În 1772, chimistul suedez Carl Wilhelm Scheele a demonstrat pentru prima dată oxigenul prin încălzirea azotatului de potasiu, oxidului de mercur și a multor alte substanțe. Independent de el, în 1774, chimistul englez Joseph Priestley a descoperit acest element chimic prin descompunerea termică a oxidului de mercur și și-a publicat descoperirile în același an, cu trei ani înainte de publicare. Scheele. În 1775-1780, chimistul francez Antoine Lavoisier a interpretat rolul oxigenului în respirație și combustie, respingând teoria flogistului general acceptată la acea vreme. El a remarcat tendința acesteia de a forma acizi atunci când este combinat cu diferite substanțe și a numit elementul oxygène, care în greacă înseamnă „producerea de acid”.

Prevalență

Ce este oxigenul? Reprezentând 46% din masa scoarței terestre, este cel mai comun element al său. Cantitatea de oxigen din atmosferă este de 21% în volum, iar în greutate în apa de mare este de 89%.

În roci, elementul este combinat cu metale și nemetale sub formă de oxizi, care sunt acizi (de exemplu, sulf, carbon, aluminiu și fosfor) sau bazici (săruri de calciu, magneziu și fier) și ca compuși asemănătoare sărurilor care pot fi considerați formați din oxizi acizi și bazici, cum ar fi sulfați, carbonați, silicați, aluminați și fosfați. Deși sunt numeroase, aceste solide nu pot servi ca surse de oxigen, deoarece ruperea legăturii unui element cu atomii de metal este prea consumatoare de energie.

Funcții

Dacă temperatura oxigenului este sub -183 °C, atunci acesta devine un lichid albastru pal, iar la -218 °C - solid. O pură₂ este de 1,1 ori mai greu decât aerul.

În timpul respirației, animalele și unele bacterii consumă oxigen din atmosferă și returnează dioxid de carbon, în timp ce în timpul fotosintezei, plantele verzi în prezența luminii solare absorb dioxidul de carbon și eliberează oxigen liber. Aproapetoate O₂ din atmosferă sunt produse prin fotosinteză.

La 20 °C, aproximativ 3 părți de volum de oxigen se dizolvă în 100 de părți de apă dulce, puțin mai puțin în apa de mare. Acest lucru este necesar pentru respirația peștilor și a altor vieți marine.

Oxigenul natural este un amestec de trei izotopi stabili: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037 %) și¹⁸O (0,204%). Sunt cunoscuți mai mulți izotopi radioactivi produși artificial. Cel mai longeviv dintre acestea este ¹⁵O (cu un timp de înjumătățire de 124 s), care este folosit pentru a studia respirația la mamifere.

Alotropi

O idee mai clară despre ceea ce este oxigenul, vă permite să obțineți cele două forme alotrope, diatomic (O₂) și triatomic (O₃ , ozon). Proprietățile formei diatomice sugerează că șase electroni leagă atomii și doi rămân nepereche, provocând paramagnetismul oxigenului. Cei trei atomi din molecula de ozon nu sunt în linie dreaptă.

Ozonul poate fi produs conform ecuației: 3O₂ → 2O₃.

Procesul este endotermic (necesită energie); conversia ozonului înapoi în oxigen diatomic este facilitată de prezența metalelor de tranziție sau a oxizilor acestora. Oxigenul pur este transformat în ozon printr-o descărcare electrică strălucitoare. Reacția are loc și la absorbția luminii ultraviolete cu o lungime de undă de aproximativ 250 nm. Apariția acestui proces în atmosfera superioară elimină radiațiile care ar putea provocadeteriorarea vieții de pe suprafața Pământului. Mirosul înțepător al ozonului este prezent în spațiile închise cu echipamente electrice care fac scântei, cum ar fi generatoarele. Este un gaz albastru deschis. Densitatea sa este de 1,658 ori mai mare decât cea a aerului și are un punct de fierbere de -112°C la presiunea atmosferică.

Ozonul este un agent oxidant puternic, capabil să transforme dioxidul de sulf în trioxid, sulfura în sulfat, iodura în iod (oferind o metodă analitică de evaluare) și mulți compuși organici în derivați oxigenați, cum ar fi aldehide și acizi. Conversia hidrocarburilor din evacuarea mașinii în acești acizi și aldehide de către ozon este ceea ce cauzează smogul. În industrie, ozonul este folosit ca agent chimic, dezinfectant, tratarea apelor reziduale, purificarea apei și albirea țesăturilor.

Obținerea metodelor

Modul în care este produs oxigenul depinde de cât de mult gaz este necesar. Metodele de laborator sunt următoarele:

1. Descompunerea termică a unor săruri, cum ar fi cloratul de potasiu sau nitratul de potasiu:

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

Descompunerea cloratului de potasiu este catalizată de oxizii de metale tranziționale. Dioxidul de mangan (piroluzit, MnO₂) este adesea folosit pentru aceasta. Catalizatorul scade temperatura necesară pentru a dezvolta oxigenul de la 400 la 250°C.

2. Descompunerea la temperatură a oxizilor metalici:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele și Priestley au folosit un compus (oxid) de oxigen și mercur (II) pentru a obține acest element chimic.

3. Descompunerea termică a peroxizilor metalici sau a peroxidului de hidrogen:

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

Primele metode industriale de separare a oxigenului din atmosferă sau de producere a peroxidului de hidrogen depindeau de formarea peroxidului de bariu din oxid.

4. Electroliza apei cu impurități mici de săruri sau acizi, care asigură conductivitatea curentului electric:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Producție industrială

Dacă este necesar să se obțină volume mari de oxigen, se folosește distilarea fracționată a aerului lichid. Dintre constituenții majori ai aerului, acesta are cel mai în alt punct de fierbere și, prin urmare, este mai puțin volatil decât azotul și argonul. Procesul folosește răcirea gazului pe măsură ce acesta se extinde. Principalii pași ai operațiunii sunt următorii:

aerul este filtrat pentru a elimina particulele;
umiditatea și dioxidul de carbon sunt îndepărtate prin absorbție în alcali;
aerul este comprimat, iar căldura de compresie este îndepărtată prin proceduri normale de răcire;
apoi intră în bobina situată încameră;
parte din gazul comprimat (la o presiune de aproximativ 200 atm) se extinde în cameră, răcind serpentina;
gazul expandat revine la compresor și trece prin mai multe etape de expansiune și compresie ulterioare, rezultând un lichid la -196 °C, aerul devine lichid;
lichid este încălzit pentru a distila primele gaze inerte ușoare, apoi azotul și oxigenul lichid rămâne. Fracționarea multiplă produce un produs suficient de pur (99,5%) pentru majoritatea scopurilor industriale.

Uz industrial

Metalurgia este cel mai mare consumator de oxigen pur pentru producția de oțel cu conținut ridicat de carbon: scăpați de dioxidul de carbon și alte impurități nemetalice mai rapid și mai ușor decât utilizarea aerului.

Tratarea apelor uzate cu oxigen este promițătoare pentru tratarea efluenților lichidi mai eficient decât alte procese chimice. Incinerarea deșeurilor în sisteme închise folosind O₂.

.2 devine din ce în ce mai importantă

Așa-numitul oxidant rachetă este oxigen lichid. O pură₂ Folosit în submarine și clopote de scufundări.

În industria chimică, oxigenul a înlocuit aerul normal în producția de substanțe precum acetilena, oxidul de etilenă și metanolul. Aplicațiile medicale includ utilizarea gazului în camere de oxigen, inhalatoare și incubatoare pentru copii. Un gaz anestezic îmbogățit cu oxigen oferă suport vital în timpul anesteziei generale. Fără acest element chimic, un număr deindustriile care folosesc cuptoare de topire. Acesta este oxigenul.

Proprietăți chimice și reacții

Electronegativitatea ridicată și afinitatea electronică a oxigenului sunt tipice elementelor care prezintă proprietăți nemetalice. Toți compușii de oxigen au o stare de oxidare negativă. Când doi orbitali sunt umpluți cu electroni, se formează un ion O^2-. În peroxizi (O₂^2-) se presupune că fiecare atom are o sarcină de -1. Această proprietate de a accepta electroni prin transfer total sau parțial determină agentul de oxidare. Când un astfel de agent reacționează cu o substanță donoare de electroni, propria sa stare de oxidare este scăzută. Modificarea (scăderea) stării de oxidare a oxigenului de la zero la -2 se numește reducere.

În condiții normale, elementul formează compuși diatomici și triatomici. În plus, există molecule cu patru atomi extrem de instabile. În forma diatomică, doi electroni nepereche sunt localizați în orbitali nelegați. Acest lucru este confirmat de comportamentul paramagnetic al gazului.

Reactivitatea intensă a ozonului se explică uneori prin presupunerea că unul dintre cei trei atomi este într-o stare „atomică”. Intrând în reacție, acest atom se disociază de O₃, lăsând oxigen molecular.

Molecula O₂ este slab reactivă la temperaturi și presiuni ambientale normale. Oxigenul atomic este mult mai activ. Energia de disociere (O₂ → 2O) este semnificativă șieste de 117,2 kcal pe mol.

Conexiuni

Cu nemetale precum hidrogenul, carbonul și sulful, oxigenul formează o gamă largă de compuși legați covalent, inclusiv oxizi ai nemetalelor, cum ar fi apa (H₂O), dioxid de sulf (SO₂) și dioxid de carbon (CO₂); compuși organici cum ar fi alcooli, aldehide și acizi carboxilici; acizi comuni, cum ar fi carbonic (H₂CO₃), sulfuric (H₂SO4_{) și azot (HNO}3_{); și sărurile corespunzătoare, cum ar fi sulfatul de sodiu (Na}2_SO4_{), carbonatul de sodiu (Na}2 _CO 3_{) și nitrat de sodiu (NaNO}3_{). Oxigenul este prezent sub forma ionului O}2- ^{în structura cristalină a oxizilor metalici solizi, cum ar fi compusul (oxidul) de oxigen și calciu CaO. Superoxizii de metal (KO}2_{) conțin ionul O}2-^{, în timp ce peroxizii de metal (BaO2}), conține ionul O₂_2-. Compușii cu oxigen au în principal o stare de oxidare de -2.