ما هو الأكسجين؟ مركبات الأكسجين

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

الأكسجين (O) هو عنصر كيميائي غير معدني من المجموعة 16 (VIa) من الجدول الدوري. إنه غاز عديم اللون والرائحة والطعم ضروري للكائنات الحية - الحيوانات التي تحوله إلى ثاني أكسيد الكربون والنباتات التي تستخدم CO₂كمصدر للكربون وتعيد O₂في الغلاف الجوي. يشكل الأكسجين مركبات عن طريق التفاعل مع أي عنصر آخر تقريبًا ، كما أنه يزيح العناصر الكيميائية من الترابط مع بعضها البعض. في كثير من الحالات ، تكون هذه العمليات مصحوبة بإطلاق الحرارة والضوء. أهم مركب أكسجين هو الماء.

تاريخ الاكتشاف

في عام 1772 ، أظهر الكيميائي السويدي كارل فيلهلم شيل الأكسجين لأول مرة عن طريق تسخين نترات البوتاسيوم وأكسيد الزئبق والعديد من المواد الأخرى. بشكل مستقل عنه ، اكتشف الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي هذا العنصر الكيميائي في عام 1774 عن طريق التحلل الحراري لأكسيد الزئبق ونشر نتائجه في نفس العام ، قبل ثلاث سنوات من النشر.شيل. في 1775-1780 ، فسر الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه دور الأكسجين في التنفس والاحتراق ، رافضًا نظرية اللاهوب المقبولة عمومًا في ذلك الوقت. وأشار إلى ميلها إلى تكوين الأحماض عند دمجها مع مواد مختلفة وأطلق عليها اسم عنصر أوكسيجين ، والذي يعني في اليونانية "إنتاج الحمض".

انتشار

ما هو الأكسجين؟ تشكل 46٪ من كتلة القشرة الأرضية ، وهي العنصر الأكثر شيوعًا. كمية الأكسجين في الغلاف الجوي 21٪ من حيث الحجم ، وبالوزن في مياه البحر تبلغ 89٪.

في الصخور ، يتم دمج العنصر مع المعادن وغير المعدنية على شكل أكاسيد ، وهي حمضية (على سبيل المثال ، الكبريت والكربون والألمنيوم والفوسفور) أو قاعدية (أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم والحديد) ، وكمركبات شبيهة بالملح يمكن اعتبارها مكونة من أكاسيد حمضية وقاعدية مثل الكبريتات والكربونات والسيليكات والألومينات والفوسفات. على الرغم من تعددها ، إلا أن هذه المواد الصلبة لا يمكن أن تعمل كمصادر للأكسجين ، لأن كسر رابطة عنصر ما بذرات معدنية يستهلك الكثير من الطاقة.

الميزات

إذا كانت درجة حرارة الأكسجين أقل من -183 درجة مئوية ، فإنه يصبح سائلًا أزرق شاحبًا ، وعند -218 درجة مئوية - صلب. الصرفة O₂أثقل من الهواء بمقدار 1.1 مرة.

أثناء التنفس ، تستهلك الحيوانات وبعض البكتيريا الأكسجين من الغلاف الجوي وتعيد ثاني أكسيد الكربون ، بينما أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تمتص النباتات الخضراء في وجود ضوء الشمس ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين الحر. تقريبيايتم إنتاج كل O₂في الغلاف الجوي عن طريق التمثيل الضوئي.

عند 20 درجة مئوية ، يذوب حوالي 3 أجزاء من الأكسجين في 100 جزء من المياه العذبة ، وأقل قليلاً في مياه البحر. هذا ضروري لتنفس الأسماك والحياة البحرية الأخرى.

الأكسجين الطبيعي هو مزيج من ثلاثة نظائر مستقرة:¹⁶O (99.759٪) ،¹⁷O (0.037٪) و¹⁸O (0.204٪). العديد من النظائر المشعة المنتجة صناعيا معروفة. الأطول عمرا من هؤلاء هو¹⁵O (مع عمر نصف يبلغ 124 ثانية) ، والذي يستخدم لدراسة التنفس في الثدييات.

Allotropes

فكرة أوضح عن ماهية الأكسجين ، تسمح لك بالحصول على شكلين متآصلين ، ثنائي الذرة (O₂) وثلاثي الذرات (O₃، أوزون). تشير خصائص الشكل ثنائي الذرة إلى أن ستة إلكترونات تربط الذرات ويبقى اثنان غير متزاوجين ، مما يتسبب في بارامغناطيسية الأكسجين. الذرات الثلاث في جزيء الأوزون ليست في خط مستقيم.

يمكن إنتاج الأوزون وفقًا للمعادلة: 3O₂→ 2O₃.

العملية ماصة للحرارة (تتطلب طاقة) ؛ يتم تسهيل تحويل الأوزون مرة أخرى إلى أكسجين ثنائي الذرة من خلال وجود معادن انتقالية أو أكاسيدها. يتم تحويل الأكسجين النقي إلى أوزون بواسطة تفريغ كهربائي متوهج. يحدث التفاعل أيضًا عند امتصاص الضوء فوق البنفسجي بطول موجة يبلغ حوالي 250 نانومتر. إن حدوث هذه العملية في الغلاف الجوي العلوي يزيل الإشعاع الذي يمكن أن يسببهضرر للحياة على سطح الأرض. رائحة الأوزون النفاذة موجودة في الأماكن المغلقة مع شرارة المعدات الكهربائية مثل المولدات. إنه غاز أزرق فاتح. كثافته 1.658 ضعف كثافة الهواء ، ودرجة غليانه -112 درجة مئوية عند الضغط الجوي.

الأوزون عامل مؤكسد قوي ، قادر على تحويل ثاني أكسيد الكبريت إلى ثلاثي أكسيد ، كبريتيد إلى كبريتات ، يوديد إلى يود (يوفر طريقة تحليلية لتقييمه) ، والعديد من المركبات العضوية إلى مشتقات مؤكسجة مثل الألدهيدات والأحماض. إن تحويل الهيدروكربونات من عوادم السيارات إلى هذه الأحماض والألدهيدات بواسطة الأوزون هو ما يسبب الضباب الدخاني. في الصناعة ، يستخدم الأوزون كعامل كيميائي ومطهر ومعالجة مياه الصرف وتنقية المياه وتبييض الأقمشة.

الحصول على الأساليب

تعتمد طريقة إنتاج الأكسجين على كمية الغاز المطلوبة. طرق المختبر كالتالي:

1. التحلل الحراري لبعض الأملاح مثل كلورات البوتاسيوم أو نترات البوتاسيوم:

2KClO₃→ 2KCl + 3O₂.
2KNO₃→ 2KNO₂+ O₂.

يتم تحلل كلورات البوتاسيوم بواسطة أكاسيد المعادن الانتقالية. غالبًا ما يستخدم ثاني أكسيد المنغنيز (بيرولوزيت ، MnO₂) لهذا الغرض. يخفض المحفز درجة الحرارة اللازمة لتطوير الأكسجين من 400 إلى 250 درجة مئوية

2. تحلل درجة حرارة أكاسيد المعادن:

2HgO → 2Hg +يا₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

استخدم Scheele و Priestley مركب (أكسيد) من الأكسجين والزئبق (II) للحصول على هذا العنصر الكيميائي.

3. التحلل الحراري لبيروكسيدات المعادن أو بيروكسيد الهيدروجين:

2BaO + O₂→ 2BaO₂.
2BaO₂→ 2BaO + O₂.
BaO₂+ H₂SO₄→ H₂O₂+ BaSO₄.
2H₂O₂→ 2H₂O + O_2.

الطرق الصناعية الأولى لفصل الأكسجين عن الغلاف الجوي أو لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين تعتمد على تكوين بيروكسيد الباريوم من الأكسيد.

4. التحليل الكهربائي للماء مع شوائب صغيرة من الأملاح أو الأحماض والتي توفر توصيل التيار الكهربائي:

2H₂O → 2H₂+ O₂

الإنتاج الصناعي

إذا كان من الضروري الحصول على كميات كبيرة من الأكسجين ، يتم استخدام التقطير التجزيئي للهواء السائل. من بين المكونات الرئيسية للهواء ، يحتوي الهواء على أعلى نقطة غليان وبالتالي فهو أقل تطايرًا من النيتروجين والأرجون. تستخدم العملية تبريد الغاز أثناء تمدده. الخطوات الرئيسية للعملية هي كما يلي:

يتم ترشيح الهواء لإزالة الجسيمات ؛
تتم إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون عن طريق الامتصاص في القلويات ؛
يتم ضغط الهواء و تتم إزالة حرارة الضغط بإجراءات التبريد العادية ؛
ثم يدخل الملف الموجود فيهالكاميرا ؛
جزء من الغاز المضغوط (عند ضغط حوالي 200 ضغط جوي) يتمدد في الغرفة ، لتبريد الملف ؛
يعود الغاز الممتد إلى الضاغط ويمر عبر عدة مراحل من التمدد والضغط اللاحقين ، مما ينتج عنه سائل عند -196 درجة مئوية يصبح الهواء سائلاً ؛
يتم تسخين السائل لتقطير أول غازات خاملة للضوء ، ثم النيتروجين ، وبقايا الأكسجين السائل. ينتج عن التجزئة المتعددة منتج نقي بدرجة كافية (99.5٪) لمعظم الأغراض الصناعية.

الاستخدام الصناعي

علم المعادن هو أكبر مستهلك للأكسجين النقي لإنتاج الفولاذ عالي الكربون: تخلص من ثاني أكسيد الكربون والشوائب غير المعدنية الأخرى بشكل أسرع وأسهل من استخدام الهواء.

تبشر معالجة مياه الصرف الصحي بالأكسجين بمعالجة النفايات السائلة بكفاءة أكبر من العمليات الكيميائية الأخرى. أصبح حرق النفايات في أنظمة مغلقة باستخدام O₂.

.ذات أهمية متزايدة

ما يسمى مؤكسد الصواريخ هو الأكسجين السائل. Pure O₂تستخدم في الغواصات وأجراس الغوص.

في الصناعة الكيميائية ، حل الأكسجين محل الهواء الطبيعي في إنتاج مواد مثل الأسيتيلين وأكسيد الإيثيلين والميثانول. تشمل التطبيقات الطبية استخدام الغاز في غرف الأكسجين وأجهزة الاستنشاق وحاضنات الأطفال. يوفر غاز التخدير الغني بالأكسجين دعمًا للحياة أثناء التخدير العام. بدون هذا العنصر الكيميائي ، هناك عدد منالصناعات التي تستخدم أفران الصهر. هذا هو الأكسجين.

الخصائص والتفاعلات الكيميائية

تعتبر الطاقة الكهربية العالية وتقارب الإلكترون للأكسجين نموذجيًا للعناصر التي تظهر خصائص غير معدنية. جميع مركبات الأكسجين لها حالة أكسدة سلبية. عندما يمتلئ مداريان بالإلكترونات ، يتشكل أيون O^2-. في الأكاسيد الفوقية (O₂^2-) يفترض أن تحتوي كل ذرة على شحنة قدرها -1. تحدد خاصية قبول الإلكترونات عن طريق التحويل الكلي أو الجزئي العامل المؤكسد. عندما يتفاعل هذا العامل مع مادة مانحة للإلكترون ، تنخفض حالة الأكسدة الخاصة به. التغيير (النقص) في حالة أكسدة الأكسجين من صفر إلى -2 يسمى الاختزال.

في ظل الظروف العادية ، يشكل العنصر مركبات ثنائية الذرة وثلاثية الذرات. بالإضافة إلى ذلك ، هناك جزيئات أربع ذرات غير مستقرة للغاية. في الشكل ثنائي الذرة ، يوجد إلكترونان غير متزاوجين في مدارات غير مترابطة. وهذا ما يؤكده السلوك البارامغناطيسي للغاز.

يتم تفسير التفاعل المكثف للأوزون أحيانًا بافتراض أن إحدى الذرات الثلاث في حالة "ذرية". عند دخول التفاعل ، تنفصل هذه الذرة عن O₃، تاركة الأكسجين الجزيئي.

جزيء O₂يتفاعل بشكل ضعيف في درجات الحرارة والضغوط المحيطة العادية. الأكسجين الذري أكثر نشاطًا. طاقة التفكك (O₂→ 2O) مهمة وهو 117.2 كيلو كالوري لكل مول.

اتصالات

مع غير المعادن مثل الهيدروجين والكربون والكبريت ، يشكل الأكسجين مجموعة واسعة من المركبات المرتبطة تساهميًا ، بما في ذلك أكاسيد غير المعادن مثل الماء (H₂O) وثاني أكسيد الكبريت (SO₂) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) ؛ المركبات العضوية مثل الكحول والألدهيدات والأحماض الكربوكسيلية ؛ الأحماض الشائعة مثل الكربونيك (H₂CO₃) ، الكبريتيك (H₂SO4 _{) والنيتروجين (HNO}3 _{) ؛ والأملاح المقابلة مثل كبريتات الصوديوم (Na}2_SO4 _{) ، كربونات الصوديوم (Na}2_CO3 _{) ونترات الصوديوم (NaNO}3 _{). يوجد الأكسجين على شكل أيون O}2-^{في التركيب البلوري لأكاسيد المعادن الصلبة ، مثل مركب (أكسيد) الأكسجين وكاسيد الكالسيوم. تحتوي الأكاسيد الفائقة المعدنية (KO}2 _{) على O}2-^{أيون ، بينما بيروكسيدات المعادن (BaO 2}) ، تحتوي على أيون O₂_2-. تحتوي مركبات الأكسجين بشكل أساسي على حالة أكسدة تبلغ -2.