Ce este oxigenul? Compuși de oxigen

Oxigenul (O) este un element chimic nemetalic din grupa 16 (VIa) a tabelului periodic. Este un gaz incolor, fără aromă și inodor necesar organismelor vii - animalelor care o transformă dioxid de carbon, și plante care utilizează CO₂

Istoria descoperirii

În 1772 chimistul suedez Karl Wilhelm Scheele a demonstrat mai întâi ce este oxigenul, obținându-l prin încălzirea nitraților potasiu, oxid mercur, precum și multe alte substanțe. Independent de el în 1774, chimistul englez Joseph Priestley a descoperit elementul chimic prin descompunerea termică a oxidului de mercur și a publicat concluziile sale în același an, de trei ani înainte de publicare Scheele. În anii 1775-1780 chimistul francez Antoine Lavoisier a interpretat rolul oxigenului în respirație și arderea, aruncând teoria flogisticului, general acceptată la momentul respectiv. Se remarcă tendința de a forma acizi, atunci când sunt combinate cu diferite substanțe și numite elemente oxygène, care în greacă înseamnă „acidul generat“.

răspândire

Ce este oxigenul? Făcând 46% din masa crustă a pământului, este cel mai comun element al crustei pământului. Cantitatea de oxigen din atmosferă este de 21% în volum, iar în apă de mare este de 89% din greutate.

In elementul roci combinate cu metale și nemetale ca oxizii care sunt acizi (de exemplu, sulf, carbon, aluminiu și fosfor) sau bazic (calciu, magneziu și fier) ​​și ca compuși de sare asemănătoare, care pot fi considerate ca fiind formate din acidul și oxizi bazici cum ar fi sulfați, carbonați, silicați, fosfați și aluminați. Deși sunt numeroase, dar acestea sunt numeroase solide nu pot servi ca surse de oxigen, deoarece ruperea legăturii dintre element și atomii de metal este prea intensă din punct de vedere energetic.

caracteristici

Dacă temperatura oxigenului este sub -183 ° C, devine un lichid albastru deschis și la -218 ° C devine solid. Pure O₂ 1,1 ori mai greu decât aerul.

În timpul respirației animalelor și unele bacterii consuma oxigenul din atmosferă și dioxid de carbon reciclat, în timp ce în fotosinteza plantelor verzi în prezența luminii solare absorb dioxidul de carbon și eliberează oxigen liber. Aproape toți₂ în atmosferă este produsă ca rezultat al fotosintezei.

La 20 ° C, aproximativ 3 părți în volum de oxigen se dizolvă în 100 părți apă proaspătă, 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%) și ¹⁸O (0,204%). Sunt cunoscuți câțiva izotopi radioactivi obținuți artificial. Cel mai lung dintre ei este ¹⁵O (cu un timp de înjumătățire de 124 s), care este utilizat pentru a studia respirația la mamifere.

allotrope

O idee mai clară despre ceea ce este oxigenul, puteți obține două forme alotropice, un diatomic (O₂) și triatomic (O₃, ozon). Proprietățile formei diatomice sugerează că șase electroni leagă atomii și doi rămân nepartiți, provocând paramagnetismul oxigenului. Trei atomi din molecula de ozon nu sunt situați pe aceeași linie dreaptă.

Ozonul poate fi obținut în conformitate cu ecuația: 30₂ → 2O₃.

Procesul este endotermic (necesită consum de energie) - conversia ozonului înapoi în oxigenul diatomic este facilitată de prezența metalelor de tranziție sau a oxizilor lor. Oxigenul pur este transformat în ozon sub efectul unei descărcări electrice strălucitoare. Reacția apare și atunci când ultravioletul este absorbit cu o lungime de undă de aproximativ 250 nm. Apariția acestui proces în straturile superioare ale atmosferei elimină radiația care ar putea deteriora viața de pe suprafața Pământului. Mirosul de ozon este prezent în spații închise cu echipamente electrice spumante, cum ar fi generatoarele. Acesta 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 - un oxidant puternic, capabil să convertească dioxid de sulf sulfură de trioxid sulfat, iodură, iod (metoda analitică pentru asigurarea evaluării) precum și mulți derivați compuși organici cu conținut de oxigen, cum ar fi aldehide și acizi. Conversia hidrocarburilor cu ozon din gazele de eșapament de automobile în acești acizi și aldehide este cauza smogului. In industrie, ozonul este utilizat ca reactiv chimic, dezinfectant pentru tratarea apelor reziduale, de purificare a apei și de albire a țesăturilor.

Metode de obținere

Modul în care se produce oxigenul depinde de cantitatea de gaz necesară. Metodele de laborator sunt următoarele:

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

• 2KClO₃ → 2KCI + 30₂.
• 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂.

Descompunerea cloratului de potasiu este catalizată de oxizii metalului de tranziție. Pentru aceasta, dioxidul de mangan (pirolusit, MnO₂). Catalizatorul reduce temperatura necesară pentru eliberarea oxigenului de la 400 la 250 ° C.

2. Descompunerea oxizilor metalici sub efectul temperaturii:

• 2HgO-2Hg + O₂.
• 2AG₂O → 4Ag + O₂.

Scheele și Priestley au folosit compusul (oxidul) oxigenului și mercurului (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 → H₂O₂ + BaSO₄.
• 2H₂O₂ 2H₂O + O_2.

Primele metode industriale de separare a oxigenului de atmosferă sau de producere a peroxidului de hidrogen depind 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

Producția industrială

Dacă este necesar să se obțină cantități mari de oxigen, este utilizată distilarea fracționată a aerului lichid. Dintre componentele principale ale aerului, acesta are cel mai înalt punct de fierbere și, prin urmare, este mai puțin volatil decât azotul și argonul. În acest proces, răcirea cu gaz este utilizată pe măsură ce se extinde. Principalele etape ale operațiunii sunt următoarele:

• aerul este filtrat pentru a îndepărta substanțele solide;
• umiditatea și dioxidul de carbon sunt eliminate prin absorbție în alcalii;
• aerul este comprimat și căldura de comprimare este îndepărtată prin proceduri convenționale de răcire;
• apoi intră în bobină în cameră;
• o parte a gazului comprimat (la o presiune de aproximativ 200 atm) se extinde în cameră, răcind bobina;
• gazul expandat este returnat la compresor și trece prin mai multe etape de expansiune și comprimare ulterioare, astfel încât aerul la -196 ° C devine lichid;
• lichidul este încălzit pentru a distila primele gaze inerte ușoare, apoi azot și rămâne oxigen lichid. Fracționarea multiplă produce un produs care este destul de pur (99,5%) pentru cele mai multe scopuri industriale.

Utilizare în industrie

Metalurgia este cel mai mare consumator de oxigen pur pentru producerea de oțel cu conținut ridicat de carbon: eliminarea dioxidului de carbon și a altor impurități din nemetale este mai rapidă și mai ușoară decât utilizarea aerului.

Tratarea apelor reziduale cu oxigen este promițătoare pentru tratarea mai eficientă a efluenților lichizi decât în ​​alte procese chimice. Arderea deșeurilor în sistemele închise utilizând O pură₂.

Așa-numitul oxidator de rachete este oxigen lichid. Pure O₂ Folosit pe submarine și în clopotele de scufundări.

În industria chimică, oxigenul a înlocuit aerul convențional în fabricarea de substanțe cum ar fi acetilenă, oxid de etilenă și metanol. Aplicațiile medicale includ utilizarea gazului în camerele de oxigen, inhalatoarele și incubatoarele pentru copii. Un anestezic gazos îmbogățit cu oxigen asigură suport pentru viață în timpul anesteziei generale. Fără acest element chimic, un număr de industrii care utilizează cuptoare de topire nu ar putea exista. Asta este ceea ce este oxigenul.

Proprietăți și reacții chimice

Valorile mari ale electronegativității și afinității electronilor de oxigen sunt tipice pentru elementele care prezintă proprietăți nemetalice. Toți compușii de oxigen au o stare de oxidare negativă. Când două orbitale sunt umplute cu electroni, o O^2-. În peroxizi (O₂^2-) se presupune că fiecare atom are o încărcătură de -1. Această proprietate este de a lua electroni prin transmisie completă sau parțială și determină agentul de oxidare. Când un astfel de agent reacționează cu o substanță donor de electroni, starea proprie de oxidare scade. Modificarea (scăderea) stării oxidării oxigenului de la zero la -2 se numește recuperare.

În condiții normale, elementul formează compuși diatomici și triatomici. În plus, există molecule tetrahalomice extrem de instabile. Într-o formă diatomică, doi electroni neparticipați sunt localizați pe orbite nelegate. Acest lucru este confirmat de comportamentul paramagnetic al gazului.

Reactivitatea intensă a ozonului este uneori explicată prin presupunerea că unul dintre cei trei atomi este în stare "atomică". Când reacționează, acest atom disociază de la O₃, lăsând oxigenul molecular.

Molecule O₂ la temperaturi normale și presiuni ambiante este ușor reactivă. Atomul atomic este mult mai activ. Energia de disociere (O₂ → 20) este semnificativă și se ridică la 117,2 kcal pe mol.

conexiuni

Cu nemetale cum ar fi hidrogen, carbon și sulf, oxigenul formează o gamă largă de compuși legați covalent, printre care și oxizi nemetalici, cum ar fi apă (H₂O), dioxid de sulf (SO₂) și dioxid de carbon (CO₂) - compuși organici, cum ar fi alcooli, aldehide și acizi carboxilici - acizi obișnuiți, cum ar fi carbonul (H.₂CO₃), acid sulfuric (H₂SO₄) și nitric (HNO₃) - și sărurile corespunzătoare, cum ar fi sulfatul de sodiu (Na₂SO₄), carbonat de sodiu (Na₂CO₃) și nitrat de sodiu (NaNO₃). Oxigenul este prezent ca O^2- în structura cristalină a oxizilor metalici solizi, cum ar fi compusul (oxidul) oxigenului și CaO de calciu. Superoxidul metalic (CO₂) conțin un O₂^- , în timp ce peroxizii metalici (BaO₂), conțin ionul O₂^2-. Compușii de oxigen au în general o stare de oxidare de -2.

Proprietăți de bază

În cele din urmă, enumerăm principalele proprietăți ale oxigenului:

• Conectare electronică: 1s²2s²2p⁴.
• Număr atomic: 8.
• Masa atomică: 15,9994.
• Punct de fierbere: -183,0 ° C
• Punct de topire: -218,4 ° C
• Densitatea (dacă presiunea oxigenului este de 1 atm la 0 ° C): 1,429 g / l.
• Stările de oxidare: -1, -2, +2 (în compușii cu fluor).