اکسیژن چیست؟ ترکیبات اکسیژن

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

اکسیژن (O) یک عنصر شیمیایی غیرفلزی از گروه 16 (VIa) جدول تناوبی است. این یک گاز بی رنگ، بی بو و بی مزه است که برای موجودات زنده ضروری است - حیواناتی که آن را به دی اکسید کربن تبدیل می کنند و گیاهانی که از CO₂ به عنوان منبع کربن استفاده می کنند و O _{را برمی گردانند. 2} وارد جو. اکسیژن با واکنش تقریباً با هر عنصر دیگری ترکیباتی را تشکیل می دهد و همچنین عناصر شیمیایی را از پیوند با یکدیگر جابجا می کند. در بسیاری از موارد، این فرآیندها با انتشار گرما و نور همراه است. مهمترین ترکیب اکسیژن آب است.

تاریخچه کشف

در سال 1772، شیمیدان سوئدی کارل ویلهلم شیله برای اولین بار اکسیژن را با حرارت دادن نیترات پتاسیم، اکسید جیوه و بسیاری از مواد دیگر نشان داد. مستقل از او، در سال 1774، شیمیدان انگلیسی جوزف پریستلی، این عنصر شیمیایی را با تجزیه حرارتی اکسید جیوه کشف کرد و یافته های خود را در همان سال، سه سال قبل از انتشار، منتشر کرد. Scheele. در سالهای 1775-1780، شیمیدان فرانسوی Antoine Lavoisier نقش اکسیژن در تنفس و احتراق را تفسیر کرد و نظریه فلوژیستون را که عموماً در آن زمان پذیرفته شده بود رد کرد. او به تمایل آن به تشکیل اسید هنگام ترکیب با مواد مختلف اشاره کرد و عنصر اکسیژن را نام برد که در یونانی به معنای تولید اسید است.

شیوع

اکسیژن چیست؟ این ماده که 46 درصد از جرم پوسته زمین را تشکیل می دهد، رایج ترین عنصر آن است. مقدار اکسیژن جو 21 درصد حجمی و وزنی در آب دریا 89 درصد است.

در سنگها، این عنصر با فلزات و غیر فلزات به شکل اکسیدهایی ترکیب می شود که اسیدی (مثلاً گوگرد، کربن، آلومینیوم و فسفر) یا بازی (نمک های کلسیم، منیزیم و آهن) هستند. و به عنوان ترکیبات نمک مانندی که می توان آنها را از اکسیدهای اسیدی و بازی مانند سولفات ها، کربنات ها، سیلیکات ها، آلومینات ها و فسفات ها در نظر گرفت. اگرچه تعداد آنها زیاد است، اما این جامدات نمی توانند به عنوان منبع اکسیژن عمل کنند، زیرا شکستن پیوند یک عنصر با اتم های فلز بسیار انرژی بر است.

ویژگی ها

اگر دمای اکسیژن کمتر از -183 درجه سانتیگراد باشد، به مایع آبی کم رنگ و در -218 درجه سانتیگراد - جامد تبدیل می شود. O₂ خالص ۱.۱ برابر سنگین‌تر از هوا است.

در طول تنفس، حیوانات و برخی باکتری ها اکسیژن جو را مصرف می کنند و دی اکسید کربن را پس می دهند، در حالی که در طول فتوسنتز، گیاهان سبز در مجاورت نور خورشید دی اکسید کربن را جذب کرده و اکسیژن آزاد آزاد می کنند. تقریباتمام O₂ در جو توسط فتوسنتز تولید می شود.

در دمای 20 درجه سانتی گراد، حدود 3 قسمت حجمی اکسیژن در 100 قسمت آب شیرین حل می شود، کمی کمتر در آب دریا. این برای تنفس ماهی و دیگر جانداران دریایی ضروری است.

اکسیژن طبیعی مخلوطی از سه ایزوتوپ پایدار است: ¹⁶O (99.759%)، ¹⁷O (0.037٪) و¹⁸O (0.204%). چندین ایزوتوپ رادیواکتیو تولید شده مصنوعی شناخته شده است. طولانی ترین آنها ¹⁵O (با نیمه عمر 124 ثانیه) است که برای مطالعه تنفس در پستانداران استفاده می شود.

Alotropes

ایده واضح تر از چیستی اکسیژن، به شما امکان می دهد دو شکل آلوتروپیک آن را دریافت کنید، دو اتمی (O₂) و سه اتمی (O_3). ، ازن). خواص شکل دو اتمی نشان می دهد که شش الکترون به اتم ها متصل می شوند و دو الکترون جفت نشده باقی می مانند و باعث پارامغناطیس اکسیژن می شود. سه اتم در مولکول ازن در یک خط مستقیم نیستند.

ازن را می توان بر اساس معادله تولید کرد: 3O₂ → 2O₃.

فرایند گرماگیر است (نیاز به انرژی دارد). تبدیل ازن به اکسیژن دو اتمی با حضور فلزات واسطه یا اکسیدهای آنها تسهیل می شود. اکسیژن خالص توسط یک تخلیه الکتریکی درخشان به ازن تبدیل می شود. این واکنش همچنین با جذب نور فرابنفش با طول موج حدود 250 نانومتر رخ می دهد. وقوع این فرآیند در اتمسفر فوقانی تشعشعاتی را که می تواند ایجاد کند، از بین می بردآسیب به حیات در سطح زمین بوی تند ازن در فضاهای بسته با تجهیزات برقی جرقه زن مانند ژنراتور وجود دارد. این یک گاز آبی روشن است. چگالی آن 1.658 برابر هوا است و نقطه جوش آن در فشار اتمسفر 112- درجه سانتیگراد است.

ازون یک عامل اکسید کننده قوی است که قادر به تبدیل دی اکسید گوگرد به تری اکسید، سولفید به سولفات، یدید به ید (ارائه یک روش تحلیلی برای ارزیابی آن) و بسیاری از ترکیبات آلی به مشتقات اکسیژن دار مانند آلدئیدها و اسیدها است. تبدیل هیدروکربن های خروجی اگزوز خودروها به این اسیدها و آلدئیدها توسط ازن عامل ایجاد مه دود است. در صنعت، ازن به عنوان یک عامل شیمیایی، ضد عفونی کننده، تصفیه فاضلاب، تصفیه آب و سفید کردن پارچه استفاده می شود.

روش‌های دریافت

نحوه تولید اکسیژن به میزان گاز مورد نیاز بستگی دارد. روش های آزمایشگاهی به شرح زیر است:

1. تجزیه حرارتی برخی از نمک ها مانند کلرات پتاسیم یا نیترات پتاسیم:

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

تجزیه کلرات پتاسیم توسط اکسیدهای فلزات واسطه کاتالیز می شود. دی اکسید منگنز (پیرولوزیت، MnO₂) اغلب برای این مورد استفاده می شود. کاتالیزور دمای مورد نیاز برای تکامل اکسیژن را از 400 به 250 درجه سانتی گراد کاهش می دهد.

2. تجزیه دمایی اکسیدهای فلزی:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele و Priestley از ترکیب (اکسید) اکسیژن و جیوه (II) برای به دست آوردن این عنصر شیمیایی استفاده کردند.

3. تجزیه حرارتی پراکسیدهای فلزی یا پراکسید هیدروژن:

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

اولین روشهای صنعتی برای جداسازی اکسیژن از جو یا تولید پراکسید هیدروژن به تشکیل پراکسید باریم از اکسید بستگی داشت.

4. الکترولیز آب با ناخالصی های کوچک نمک ها یا اسیدها که رسانایی جریان الکتریکی را فراهم می کند:

2H₂O → 2H₂ + O₂

تولید صنعتی

در صورت نیاز به بدست آوردن حجم زیاد اکسیژن از تقطیر کسری هوای مایع استفاده می شود. از میان اجزای اصلی هوا، بالاترین نقطه جوش را دارد و بنابراین نسبت به نیتروژن و آرگون فرار کمتری دارد. این فرآیند از خنک شدن گاز در حین انبساط استفاده می کند. مراحل اصلی عملیات به شرح زیر است:

هوا برای حذف ذرات فیلتر شده است؛
رطوبت و دی اکسید کربن با جذب به مواد قلیایی حذف می شوند؛
هوا فشرده می شود و گرمای فشرده سازی با روش های خنک کننده معمولی حذف می شود؛
سپس وارد سیم پیچ واقع در داخل می شوددوربین؛
بخشی از گاز فشرده (با فشار حدود 200 اتمسفر) در محفظه منبسط می شود و سیم پیچ را خنک می کند.
گاز منبسط شده به کمپرسور باز می گردد و چندین مرحله انبساط و فشرده سازی بعدی را طی می کند و در نتیجه مایعی در دمای 196- درجه سانتیگراد به مایع تبدیل می شود.

مایع

گرم می شود تا اولین گازهای خنثی سبک تقطیر شود، سپس نیتروژن و اکسیژن مایع باقی می ماند. تفکیک چندگانه محصولی به اندازه کافی خالص (99.5٪) برای اکثر اهداف صنعتی تولید می کند.

کاربرد صنعتی

متالورژی بزرگترین مصرف کننده اکسیژن خالص برای تولید فولاد پر کربن است: از شر دی اکسید کربن و سایر ناخالصی های غیر فلزی راحت تر و سریعتر از هوا خلاص شوید.

تصفیه فاضلاب اکسیژن نویدبخش تصفیه پساب مایع با کارآمدتر از سایر فرآیندهای شیمیایی است. سوزاندن زباله در سیستم های بسته با استفاده از O _{خالص O2}.

. اهمیت فزاینده ای پیدا می کند

به اصطلاح اکسید کننده موشک، اکسیژن مایع است. Pure O₂ مورد استفاده در زیردریایی ها و زنگ های غواصی.

در صنایع شیمیایی، اکسیژن در تولید موادی مانند استیلن، اتیلن اکسید و متانول جایگزین هوای معمولی شده است. کاربردهای پزشکی شامل استفاده از گاز در محفظه های اکسیژن، دستگاه های تنفسی و انکوباتورهای کودک می باشد. یک گاز بیهوشی غنی شده با اکسیژن در طول بیهوشی عمومی باعث حمایت زندگی می شود. بدون این عنصر شیمیایی، تعدادی ازصنایع با استفاده از کوره های ذوب اکسیژن همین است.

خواص و واکنش های شیمیایی

الکترونگاتیوی بالا و میل ترکیبی الکترونی اکسیژن از عناصری است که خواص غیرفلزی از خود نشان می دهند. تمام ترکیبات اکسیژن حالت اکسیداسیون منفی دارند. وقتی دو اوربیتال با الکترون پر می شوند، یک یون O^2- تشکیل می شود. در پراکسیدها (O₂^2-) هر اتم دارای بار 1- فرض می شود. این خاصیت پذیرش الکترون با انتقال کلی یا جزئی، عامل اکسید کننده را تعیین می کند. وقتی چنین عاملی با یک ماده دهنده الکترون واکنش می دهد، حالت اکسیداسیون خودش کاهش می یابد. تغییر (کاهش) در حالت اکسیداسیون اکسیژن از صفر به 2- کاهش نامیده می شود.

در شرایط عادی، این عنصر ترکیبات دو اتمی و سه اتمی را تشکیل می دهد. علاوه بر این، مولکول های چهار اتمی بسیار ناپایدار وجود دارد. در شکل دو اتمی، دو الکترون جفت نشده در اوربیتال های غیرپیوندی قرار دارند. این توسط رفتار پارامغناطیس گاز تایید می شود.

واکنش شدید ازن گاهی اوقات با این فرض توضیح داده می شود که یکی از سه اتم در حالت "اتمی" است. با ورود به واکنش، این اتم از O₃ جدا می شود و اکسیژن مولکولی باقی می ماند.

مولکول O₂ در دماها و فشارهای محیط معمولی واکنش ضعیفی دارد. اکسیژن اتمی بسیار فعال تر است. انرژی تفکیک (O₂ → 2O) قابل توجه است و117.2 کیلو کالری در هر مول است.

اتصالات

با غیر فلزات مانند هیدروژن، کربن و گوگرد، اکسیژن طیف گسترده ای از ترکیبات پیوند کووالانسی، از جمله اکسیدهای غیرفلزات مانند آب را تشکیل می دهد (H₂O دی اکسید گوگرد (SO₂) و دی اکسید کربن (CO₂)؛ ترکیبات آلی مانند الکل ها، آلدئیدها و اسیدهای کربوکسیلیک؛ اسیدهای رایج مانند کربنیک (H₂CO₃)، سولفوریک (H₂SO4_{) و نیتروژن (HNO}3_{); و نمک های مربوطه مانند سولفات سدیم (Na}2_SO4_{)، کربنات سدیم (Na}2 _CO 3_{) و نیترات سدیم (NaNO}3_{). اکسیژن به شکل یون O}2- ^{در ساختار کریستالی اکسیدهای فلزی جامد، مانند ترکیب (اکسید) اکسیژن و کلسیم CaO وجود دارد. سوپراکسیدهای فلزی (KO}2_{) حاوی یون O}2- ^{هستند، در حالی که پراکسیدهای فلزی (BaO2})، حاوی یون O₂_2-. ترکیبات اکسیژن عمدتاً حالت اکسیداسیون 2- دارند.