أربعة عناصر "الكالكوجين" (أي "ولادة النحاس") تقود المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة السادسة (حسب التصنيف الجديد - المجموعة السادسة عشرة) من النظام الدوري. بالإضافة إلى الكبريت والتيلوريوم والسيلينيوم، فإنها تشمل أيضا الأكسجين. دعونا نلقي نظرة فاحصة على خصائص هذا العنصر، الأكثر شيوعا على الأرض، وكذلك استخدام وإنتاج الأكسجين.
انتشار العنصر
في شكل ملزم، يتم تضمين الأكسجين في التركيب الكيميائي للمياه - تبلغ نسبته حوالي 89٪، وكذلك في تكوين خلايا جميع الكائنات الحية - النباتات والحيوانات.
يوجد الأكسجين في الهواء في حالة حرة على شكل O2، ويحتل خمس تركيبته، وعلى شكل أوزون - O3.
الخصائص الفيزيائية
الأكسجين O2 هو غاز عديم اللون والطعم والرائحة. قابل للذوبان قليلا في الماء. درجة غليانه هي 183 درجة تحت الصفر المئوي. في الحالة السائلة، يكون الأكسجين أزرق اللون، وفي الحالة الصلبة يشكل بلورات زرقاء. درجة انصهار بلورات الأكسجين هي 218.7 درجة تحت الصفر المئوي.
الخواص الكيميائية
عند تسخينه، يتفاعل هذا العنصر مع العديد من المواد البسيطة، سواء المعادن أو غير المعادن، وتشكيل ما يسمى بأكاسيد - مركبات العناصر مع الأكسجين. والتي تدخل فيها العناصر مع الأكسجين تسمى الأكسدة.
على سبيل المثال،
4Na + O2= 2Na2O
2. من خلال تحلل بيروكسيد الهيدروجين عند تسخينه في وجود أكسيد المنغنيز الذي يعمل كمحفز.
3. من خلال تحلل برمنجنات البوتاسيوم.
يتم إنتاج الأكسجين في الصناعة بالطرق التالية:
1. للأغراض الفنية يتم الحصول على الأكسجين من الهواء الذي يبلغ محتواه المعتاد حوالي 20٪ أي. الجزء الخامس. وللقيام بذلك، يتم حرق الهواء أولاً، لإنتاج خليط يحتوي على حوالي 54% أكسجين سائل، و44% نيتروجين سائل، و2% أرجون سائل. يتم بعد ذلك فصل هذه الغازات باستخدام عملية التقطير، باستخدام النطاق الصغير نسبيًا بين نقطتي غليان الأكسجين السائل والنيتروجين السائل - ناقص 183 وناقص 198.5 درجة، على التوالي. اتضح أن النيتروجين يتبخر قبل الأكسجين.
تضمن المعدات الحديثة إنتاج الأكسجين بأي درجة من النقاء. يستخدم النيتروجين، الذي يتم الحصول عليه عن طريق فصل الهواء السائل، كمادة خام في تركيب مشتقاته.
2. ينتج أيضًا أكسجينًا نقيًا جدًا. وقد أصبحت هذه الطريقة منتشرة على نطاق واسع في البلدان ذات الموارد الغنية والكهرباء الرخيصة.
تطبيق الأكسجين
الأكسجين هو العنصر الأكثر أهمية في حياة كوكبنا بأكمله. يتم استهلاك هذا الغاز الموجود في الغلاف الجوي من قبل الحيوانات والبشر.
يعد الحصول على الأكسجين أمرًا مهمًا للغاية في مجالات النشاط البشري مثل الطب واللحام وقطع المعادن والتفجير والطيران (للتنفس البشري وتشغيل المحرك) وعلم المعادن.
في عملية النشاط الاقتصادي البشري، يتم استهلاك الأكسجين بكميات كبيرة - على سبيل المثال، عند حرق أنواع مختلفة من الوقود: الغاز الطبيعي والميثان والفحم والخشب. وفي كل هذه العمليات يتكون، وفي الوقت نفسه وفرت الطبيعة عملية الارتباط الطبيعي لهذا المركب عن طريق عملية التمثيل الضوئي، والتي تتم في النباتات الخضراء تحت تأثير أشعة الشمس. ونتيجة لهذه العملية يتكون الجلوكوز الذي يستخدمه النبات بعد ذلك في بناء أنسجته.
الأكسجين يدعم عمليتي التنفس والاحتراق. العديد من اللافلزات تحترق بالأكسجين. على سبيل المثال، يحترق الفحم في الهواء ويتفاعل مع الأكسجين. ونتيجة لهذا التفاعل، يتكون ثاني أكسيد الكربون وتنطلق الحرارة. ومن المعروف أن الحرارة يرمز لها بالحرف "Q". إذا تم إطلاق الحرارة نتيجة للتفاعل، فسيتم كتابة "Q" في المعادلة، وإذا تم امتصاصها، فسيتم كتابة "-Q".
تسمى الحرارة التي يتم إطلاقها أو امتصاصها أثناء التفاعل الكيميائي بالحرارة تأثير التفاعل الكيميائي.
تسمى التفاعلات التي تحدث مع إطلاق الحرارة طارد للحرارة.
تسمى التفاعلات التي تحدث مع امتصاص الحرارة ماص للحرارة.
تفاعل الأكسجين مع اللافلزات
معادلة التفاعل لاحتراق الفحم في الهواء:
ثاني أكسيد الكربون 2 = ثاني أكسيد الكربون س
إذا قمت بحرق الفحم في وعاء به أكسجين، فسوف يحترق الفحم بشكل أسرع من الهواء. أي أن معدل احتراق الفحم في الأكسجين أعلى منه في الهواء.
يحترق الكبريت أيضًا في الهواء، وتنطلق الحرارة أيضًا. وهذا يعني أن التفاعل بين الكبريت والأكسجين يمكن أن يسمى طارد للحرارة. في الأكسجين النقي، يحترق الكبريت بشكل أسرع منه في الهواء.
معادلة احتراق الكبريت في الأكسجين إذا أدى ذلك إلى تكوين أكسيد الكبريت (IV) :
S O 2 = SO 2 س
وبالمثل، من الممكن إجراء تفاعل احتراق الفوسفور في الهواء أو الأكسجين. هذا التفاعل هو أيضا طارد للحرارة. معادلته إذا تكوّن أكسيد الفوسفور (V) نتيجة لذلك:
4P 5O 2 = 2P 2 O 5 س
تفاعل الأكسجين مع المعادن
يمكن أن تحترق بعض المعادن في جو الأكسجين. على سبيل المثال، يحترق الحديد في الأكسجين لتكوين قشور الحديد:
3Fe2O2 = Fe3O4Q
لكن النحاس لا يحترق بالأكسجين، بل يتأكسد بالأكسجين عند تسخينه. في هذه الحالة يتكون أكسيد النحاس (II):
2CuO2 = 2CuO
تفاعل الأكسجين مع المواد المعقدة
الأكسجين قادر على التفاعل ليس فقط مع المواد البسيطة، ولكن أيضًا مع المواد المعقدة.
يحترق غاز الميثان الطبيعي في الأكسجين ليشكل أول أكسيد الكربون (IV) والماء:
CH 4 2O 2 = CO 2 2H 2 O Q
مع الاحتراق غير الكامل للميثان (في ظروف نقص الأكسجين)، لا يتم تشكيل ثاني أكسيد الكربون، ولكن أول أكسيد الكربون CO. يعد أول أكسيد الكربون مادة سامة تشكل خطورة بالغة على الإنسان، وذلك لأنه ولا يشعر الإنسان بتأثيره السام، بل ينام ببطء مع فقدان الوعي.
تسمى تفاعلات المواد البسيطة والمعقدة مع الأكسجين بالأكسدة. عندما تتفاعل المواد البسيطة والمعقدة مع الأكسجين، كقاعدة عامة، تتشكل مواد معقدة تتكون من عنصرين، أحدهما هو الأكسجين. وتسمى هذه المواد أكاسيد.
1. مجموعة مسائل وتمارين في الكيمياء: الصف الثامن: للكتب المدرسية. ب.أ. أورجيكوفسكي وآخرون. الصف الثامن "/ ب.أ. أورجيكوفسكي ، ن.أ. تيتوف، ف. هيجل. – م.: أ.س.ت: أستريل، 2006. (ص 70-74)
2. أوشاكوفا أو.في. مصنف الكيمياء: الصف الثامن: إلى الكتاب المدرسي من تأليف P.A. أورجيكوفسكي وآخرون. الصف الثامن" / أو.ف. أوشاكوفا ، بي. بيسبالوف، ب. أورجيكوفسكي. تحت. إد. البروفيسور ب.أ. Orzhekovsky - M.: AST: Astrel: Profizdat، 2006. (ص 68-70)
3. الكيمياء. الصف 8. كتاب مدرسي للتعليم العام المؤسسات / ب.أ. أورجيكوفسكي، إل إم. ميشرياكوفا، م. شلاشوفا. – م: أستريل، 2012. (§21)
4. الكيمياء: الصف الثامن: كتاب مدرسي. للتعليم العام المؤسسات / ب.أ. أورجيكوفسكي، إل إم. ميشرياكوفا، إل.إس. بونتاك. م.: AST: أستريل، 2005. (§28)
5. الكيمياء: غير عضوية. الكيمياء: كتاب مدرسي. للصف الثامن تعليم عام مؤسسة / ج. رودزيتيس ، ف. فيلدمان. – م.: التعليم، OJSC “كتب موسكو المدرسية”، 2009. (§20)
6. موسوعة للأطفال. المجلد 17. الكيمياء / الفصل . إد.ف.أ. فولودين، فيد. علمي إد. آي لينسون. – م: أفانتا، 2003.
تعريف
الأكسجين- العنصر الثامن من الجدول الدوري . التعيين - O من الكلمة اللاتينية "oxygenium". يقع في الشوط الثاني من مجموعة فيا. يشير إلى غير المعادن. الشحنة النووية 8.
الأكسجين هو العنصر الأكثر شيوعا في القشرة الأرضية. وهو موجود في حالته الحرة في الهواء الجوي، وفي صورة متماسكة فهو جزء من الماء والمعادن والصخور وجميع المواد التي تتكون منها الكائنات الحية من نبات وحيوان. تبلغ نسبة كتلة الأكسجين في القشرة الأرضية حوالي 47٪.
الأكسجين في شكله البسيط هو غاز عديم اللون والرائحة. إنه أثقل قليلاً من الهواء: كتلة 1 لتر من الأكسجين في الظروف العادية تبلغ 1.43 جم، وكتلة 1 لتر من الهواء 1.293 جم. يذوب الأكسجين في الماء، وإن كان بكميات صغيرة: 100 مجلد من الماء عند 0 درجة مئوية يذوب 4.9، وعند 20 درجة مئوية - 3.1 مجلد من الأكسجين.
الكتلة الذرية والجزيئية للأكسجين
تعريف
الكتلة الذرية النسبية أ صهي الكتلة المولية لذرة مادة مقسومة على 1/12 من الكتلة المولية لذرة الكربون 12 (12 درجة مئوية).
الكتلة الذرية النسبية للأكسجين الذري هي 15.999 amu.
تعريف
الوزن الجزيئي النسبي M rهي الكتلة المولية للجزيء مقسومة على 1/12 الكتلة المولية لذرة الكربون 12 (12 درجة مئوية).
وهذه كمية لا أبعاد لها، ومن المعروف أن جزيء الأكسجين ثنائي الذرة - O 2. الكتلة الجزيئية النسبية لجزيء الأكسجين ستكون مساوية لـ:
م ص (يا 2) = 15.999 × 2 ≈32.
التآصل والتعديلات المتآصلة للأكسجين
يمكن أن يوجد الأكسجين في شكل تعديلين متآصلين - الأكسجين O 2 والأوزون O 3 (تم وصف الخصائص الفيزيائية للأكسجين أعلاه).
في الظروف العادية، الأوزون هو غاز. يمكن فصله عن الأكسجين عن طريق التبريد القوي؛ ويتكثف الأوزون إلى سائل أزرق اللون، ويغلي عند درجة حرارة (-111.9 درجة مئوية).
إن قابلية ذوبان الأوزون في الماء أكبر بكثير من ذوبان الأكسجين: 100 حجم من الماء عند 0 درجة مئوية تذوب 49 حجمًا من الأوزون.
يمكن التعبير عن تكوين الأوزون من الأكسجين بالمعادلة:
3O2 = 2O3 - 285 كيلوجول.
نظائر الأكسجين
من المعروف أنه في الطبيعة يمكن العثور على الأكسجين على شكل ثلاثة نظائر 16O (99.76%)، 17O (0.04%) و18O (0.2%). أعدادها الكتلية هي 16 و17 و18 على التوالي. تحتوي نواة ذرة نظير الأكسجين 16O على ثمانية بروتونات وثمانية نيوترونات، ويحتوي النظيران 17O و18O على نفس عدد البروتونات، تسعة وعشرة نيوترونات، على التوالي.
هناك اثني عشر نظيرًا مشعًا للأكسجين بأعداد كتلية من 12 إلى 24، منها النظير الأكثر استقرارًا 15O وعمر النصف 120 ثانية.
أيونات الأكسجين
يحتوي مستوى الطاقة الخارجي لذرة الأكسجين على ستة إلكترونات، وهي إلكترونات التكافؤ:
1س 2 2س 2 2ص 4 .
يظهر هيكل ذرة الأكسجين أدناه:
نتيجة للتفاعل الكيميائي، يمكن أن يفقد الأكسجين إلكترونات التكافؤ، أي. تكون مانحة لها، وتتحول إلى أيونات موجبة الشحنة أو تقبل إلكترونات من ذرة أخرى، أي. تكون متقبلة لها وتتحول إلى أيونات سالبة الشحنة:
يا 0 +2e → يا 2- ;
يا 0 -1e → يا 1+ .
جزيء الأكسجين, أيضا, atom
يتكون جزيء الأكسجين من ذرتين - O2. فيما يلي بعض الخصائص التي تميز ذرة وجزيء الأكسجين:
أمثلة على حل المشكلات
مثال 1
8 يا 1س 2 2س 2 2ص 4 ; أ ص = 15.999 النظائر: 16 O (99.759%)؛ 17 يا (0.037%)؛ 18 يا (0.204%)؛ منظمة أصحاب العمل - 3.5
كلارك في القشرة الأرضية تبلغ كتلته 47%؛ في الغلاف المائي 85.82% بالكتلة؛ في الغلاف الجوي 20.95% من حيث الحجم.
العنصر الأكثر شيوعا.
أشكال ظهور العنصر: أ) بشكل حر - O 2، O 3؛
ب) في شكل منضم: O 2- الأنيونات (بشكل رئيسي)
الأكسجين هو عنصر غير معدني نموذجي. التكافؤ = الثاني؛ حالة الأكسدة -2 (باستثناء H 2 O 2، OF 2، O 2 F 2)
الخصائص الفيزيائية لـ O2
في ظل الظروف العادية، يكون الأكسجين الجزيئي O2 في حالة غازية، وليس له لون أو رائحة أو طعم، وقابل للذوبان قليلاً في الماء. عندما يتم تبريده بعمق تحت الضغط، فإنه يتكاثف إلى سائل أزرق شاحب (تكيب - 183 درجة مئوية)، والذي عند -219 درجة مئوية يتحول إلى بلورات زرقاء زرقاء.
طرق الحصول على
1. يتكون الأكسجين في الطبيعة أثناء عملية التمثيل الضوئي mCO 2 + nH 2 O → mO 2 + Cm(H 2 O)n
2. الإنتاج الصناعي
أ) تصحيح الهواء السائل (الفصل عن N 2)؛
ب) التحليل الكهربائي للماء: 2H 2 O → 2H 2 + O 2
3. يتم الحصول في المختبر عن طريق التحلل الحراري للأملاح بما يلي:
أ) 2KlO 3 = 3O 2 + 2KCI
ب) 2KMnO 4 = O 2 + MnO 2 + K 2 MnO 4
ج) 2KNO 3 = O 2 + 2KNO 2
د) 2Cu(NO3)O2 = O2 + 4NO2 + 2CuO
هـ) 2AgNO 3 = O 2 + 2NO 2 + 2Ag
4. في الغرف المغلقة بإحكام وفي أجهزة التنفس المستقل، يتم الحصول على الأكسجين عن طريق التفاعل:
2Na 2 O 2 + 2CO 2 = O 2 + 2Na 2 CO 3
الخواص الكيميائية للأكسجين
الأكسجين عامل مؤكسد قوي. من حيث النشاط الكيميائي فهو في المرتبة الثانية بعد الفلور. يشكل مركبات مع جميع العناصر ما عدا He و Ne و Ar. يتفاعل مباشرة مع معظم المواد البسيطة في الظروف العادية أو عند التسخين، وكذلك في وجود المحفزات (الاستثناءات هي Au، Pt، Hal 2، الغازات النبيلة). التفاعلات التي تحتوي على O 2 تكون في معظم الحالات طاردة للحرارة، وغالبًا ما تتم في وضع الاحتراق، وأحيانًا في حالة انفجار. نتيجة للتفاعلات، يتم تشكيل المركبات التي تحتوي فيها ذرات الأكسجين، كقاعدة عامة، على C.O. -2:
أكسدة المعادن القلوية
4Li + O2 = 2Li2O أكسيد الليثيوم
2Na + O2 = Na2O2 بيروكسيد الصوديوم
K + O 2 = KO 2 فوق أكسيد البوتاسيوم
أكسدة جميع المعادن باستثناء Au، Pt
أنا + O 2 = أنا x O y أكاسيد
أكسدة اللافلزات غير الهالوجينات والغازات النبيلة
ن 2 + يا 2 = 2NO - س
S + O 2 = SO 2؛
ج + يا 2 = ثاني أكسيد الكربون 2؛
4ف + 5س2 = 2ف2س5
سي + يا 2 = شافي 2
أكسدة مركبات الهيدروجين من اللافلزات والمعادن
4HI + O 2 = 2I 2 + 2H 2 O
2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
2PH3 + 4O2 = P2O5 + 3H2O
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O
C x H y + O 2 = CO 2 + H 2 O
MeH x + 3O 2 = Me x O y + H 2 O
أكسدة الأكاسيد والهيدروكسيدات السفلية للمعادن متعددة التكافؤ واللافلزات
4FeO + O 2 = 2Fe 2 O 3
4Fe(OH) 2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH) 3
2SO 2 + O 2 = 2SO 3
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
أكسدة كبريتيدات المعادن
4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3
أكسدة المواد العضوية
تحترق جميع المركبات العضوية عن طريق الأكسدة بواسطة الأكسجين الجوي.
منتجات الأكسدة للعناصر المختلفة الموجودة في جزيئاتها هي:
بالإضافة إلى تفاعلات الأكسدة الكاملة (الاحتراق)، من الممكن أيضًا حدوث تفاعلات أكسدة غير كاملة.
أمثلة على تفاعلات الأكسدة غير الكاملة للمواد العضوية:
1) الأكسدة الحفزية للألكانات
2) الأكسدة الحفزية للألكينات
3) أكسدة الكحولات
2R-CH 2 أوه + O 2 → 2RCOH + 2H 2 O
4) أكسدة الألدهيدات
الأوزون
الأوزون O3 هو عامل مؤكسد أقوى من O2، لأنه أثناء التفاعل تتفكك جزيئاته لتشكل الأكسجين الذري.
Pure O 3 هو غاز أزرق شديد السمية.
K + O 3 = KO 3 أوزونيد البوتاسيوم، الأحمر.
PbS + 2O 3 = PbSO 4 + O 2
2KI + O 3 + H 2 O = I 2 + 2KON + O 2
يتم استخدام التفاعل الأخير في التحديد النوعي والكمي للأوزون.
محتوى المقال
الأكسجين، O (الأكسجين) ، عنصر كيميائي من مجموعة VIA الفرعية من الجدول الدوري للعناصر: O، S، Se، Te، Po - عضو في عائلة الكالكوجين. هذا هو العنصر الأكثر شيوعا في الطبيعة، محتواه في الغلاف الجوي للأرض هو 21% (حجم)، في القشرة الأرضية على شكل مركبات تقريبا. 50% (بالوزن) وفي الغلاف المائي 88.8% (بالوزن).
الأكسجين ضروري لوجود الحياة على الأرض: تستهلك الحيوانات والنباتات الأكسجين أثناء التنفس، وتطلق النباتات الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي. تحتوي المادة الحية على الأكسجين المرتبط ليس فقط في سوائل الجسم (في خلايا الدم، وما إلى ذلك)، ولكن أيضًا في الكربوهيدرات (السكر والسليلوز والنشا والجليكوجين) والدهون والبروتينات. يتكون الطين والصخور من السيليكات ومركبات غير عضوية أخرى تحتوي على الأكسجين مثل الأكاسيد والهيدروكسيدات والكربونات والكبريتات والنترات.
مرجع تاريخي.
أصبحت المعلومات الأولى عن الأكسجين معروفة في أوروبا من خلال المخطوطات الصينية في القرن الثامن. في بداية القرن السادس عشر. نشر ليوناردو دافنشي بيانات تتعلق بكيمياء الأكسجين، ولم يكن يعرف بعد أن الأكسجين عنصر. تم وصف تفاعلات إضافة الأكسجين في الأعمال العلمية لـ S. Geils (1731) وP. Bayen (1774). إن البحث الذي أجراه K. Scheele في 1771-1773 حول تفاعل المعادن والفوسفور مع الأكسجين يستحق اهتمامًا خاصًا. بريستلي عن اكتشاف الأكسجين كعنصر في عام 1774، بعد أشهر قليلة من تقرير باين عن التفاعلات مع الهواء. تم إعطاء اسم الأكسجين ("الأكسجين") لهذا العنصر بعد وقت قصير من اكتشافه من قبل بريستلي ويأتي من الكلمات اليونانية التي تعني "منتج للحمض"؛ ويرجع ذلك إلى الاعتقاد الخاطئ بأن الأكسجين موجود في جميع الأحماض. لكن تفسير دور الأكسجين في عمليتي التنفس والاحتراق يعود إلى أ. لافوازييه (1777).
هيكل الذرة.
تحتوي أي ذرة أكسجين طبيعية على 8 بروتونات في النواة، لكن عدد النيوترونات يمكن أن يكون 8 أو 9 أو 10. وأكثر نظائر الأكسجين الثلاثة شيوعًا (99.76%) هو 168O (8 بروتونات و8 نيوترونات). . محتوى نظير آخر، 188O (8 بروتونات و10 نيوترونات)، يبلغ 0.2% فقط. يستخدم هذا النظير كعلامة أو لتحديد جزيئات معينة، وكذلك لإجراء الدراسات البيوكيميائية والطبية والكيميائية (طريقة لدراسة الآثار غير المشعة). يحتوي النظير الثالث غير المشع للأكسجين، 178O (0.04%)، على 9 نيوترونات ويبلغ عدد كتلته 17. وبعد كتلة نظير الكربون 126C تم اعتمادها ككتلة ذرية قياسية من قبل اللجنة الدولية في وفي عام 1961، أصبح المتوسط المرجح للكتلة الذرية للأكسجين 15.9994. حتى عام 1961، اعتبر الكيميائيون الوحدة القياسية للكتلة الذرية هي الكتلة الذرية للأكسجين، ويفترض أنها 16000 لخليط من ثلاثة نظائر للأكسجين موجودة بشكل طبيعي. اتخذ الفيزيائيون العدد الكتلي لنظير الأكسجين 16 8 O كوحدة قياسية للكتلة الذرية، لذلك على المقياس الفيزيائي كان متوسط الكتلة الذرية للأكسجين 16.0044.
تحتوي ذرة الأكسجين على 8 إلكترونات، 2 إلكترونات في المستوى الداخلي و6 إلكترونات في المستوى الخارجي. لذلك، في التفاعلات الكيميائية، يمكن للأكسجين أن يقبل ما يصل إلى إلكترونين من الجهات المانحة، مما يؤدي إلى بناء غلافه الخارجي إلى 8 إلكترونات وتشكيل شحنة سالبة زائدة.
الأكسجين الجزيئي.
مثل معظم العناصر الأخرى، التي تفتقر ذراتها إلى 1-2 إلكترونات لإكمال الغلاف الخارجي المكون من 8 إلكترونات، يشكل الأكسجين جزيءًا ثنائي الذرة. تطلق هذه العملية الكثير من الطاقة (حوالي 490 كيلو جول/مول)، وبالتالي، يجب إنفاق نفس الكمية من الطاقة في العملية العكسية لتفكك الجزيء إلى ذرات. قوة الرابطة O-O عالية جدًا لدرجة أنه عند درجة حرارة 2300 درجة مئوية، يتفكك 1% فقط من جزيئات الأكسجين إلى ذرات. (من الجدير بالذكر أنه أثناء تكوين جزيء النيتروجين N2، تكون قوة الرابطة N-N أعلى، حوالي 710 كيلوجول/مول.)
الهيكل الإلكتروني.
في البنية الإلكترونية لجزيء الأكسجين، كما هو متوقع، لا يتحقق توزيع الإلكترونات في ثماني حول كل ذرة، ولكن هناك إلكترونات غير متزاوجة، ويظهر الأكسجين خصائص نموذجية لمثل هذا الهيكل (على سبيل المثال، يتفاعل مع مجال مغناطيسي، كونه بارامغناطيسي).
تفاعلات.
في ظل الظروف المناسبة، يتفاعل الأكسجين الجزيئي مع أي عنصر تقريبًا باستثناء الغازات النبيلة. ومع ذلك، في ظل ظروف الغرفة، تتفاعل العناصر الأكثر نشاطًا فقط مع الأكسجين بسرعة كافية. ومن المرجح أن معظم التفاعلات تحدث فقط بعد تفكك الأكسجين إلى ذرات، ولا يحدث التفكك إلا عند درجات حرارة عالية جدًا. ومع ذلك، يمكن للمحفزات أو المواد الأخرى في نظام التفاعل أن تعزز تفكك O 2 . من المعروف أن الفلزات القلوية (Li, Na, K) والأرضية القلوية (Ca, Sr, Ba) تتفاعل مع الأكسجين الجزيئي لتكوين البيروكسيدات:
الاستلام والتطبيق.
ونظرًا لوجود الأكسجين الحر في الغلاف الجوي، فإن الطريقة الأكثر فعالية لاستخراجه هي إسالة الهواء، حيث تتم إزالة الشوائب وثاني أكسيد الكربون والغبار وما إلى ذلك. الطرق الكيميائية والفيزيائية. تتضمن العملية الدورية الضغط والتبريد والتمدد، مما يؤدي إلى تسييل الهواء. مع ارتفاع بطيء في درجة الحرارة (طريقة التقطير التجزيئي)، تتبخر أولاً الغازات النبيلة (الأصعب تسييلاً) من الهواء السائل، ثم يبقى النيتروجين، ويبقى الأكسجين السائل. ونتيجة لذلك، يحتوي الأكسجين السائل على آثار من الغازات النبيلة ونسبة كبيرة نسبيًا من النيتروجين. بالنسبة للعديد من التطبيقات، لا تمثل هذه الشوائب مشكلة. ومع ذلك، للحصول على الأكسجين عالي النقاء، يجب تكرار عملية التقطير. يتم تخزين الأكسجين في الخزانات والأسطوانات. يتم استخدامه بكميات كبيرة كمؤكسد للكيروسين وأنواع الوقود الأخرى في الصواريخ والمركبات الفضائية. تستخدم صناعة الصلب غاز الأكسجين للنفخ عبر الحديد المنصهر باستخدام طريقة بسمر لإزالة شوائب C وS وP بسرعة وفعالية. ينتج نفخ الأكسجين الفولاذ بشكل أسرع وبجودة أعلى من نفخ الهواء. ويستخدم الأكسجين أيضًا في اللحام وقطع المعادن (لهب أوكسي أسيتيلين). ويستخدم الأكسجين أيضًا في الطب، على سبيل المثال، لإثراء البيئة التنفسية للمرضى الذين يعانون من صعوبة في التنفس. يمكن إنتاج الأكسجين بطرق كيميائية مختلفة، ويستخدم بعضها للحصول على كميات صغيرة من الأكسجين النقي في الممارسة المعملية.
التحليل الكهربائي.
إحدى طرق إنتاج الأكسجين هي التحليل الكهربائي للمياه التي تحتوي على إضافات صغيرة من NaOH أو H2SO4 كمحفز: 2H2O® 2H2 + O2. في هذه الحالة، يتم تشكيل شوائب الهيدروجين الصغيرة. وباستخدام جهاز التفريغ، يتم تحويل آثار الهيدروجين الموجودة في خليط الغاز مرة أخرى إلى ماء، ويتم إزالة الأبخرة منه عن طريق التجميد أو الامتزاز.
التفكك الحراري.
إحدى الطرق المعملية المهمة لإنتاج الأكسجين، والتي اقترحها جي. بريستلي، هي التحلل الحراري لأكاسيد المعادن الثقيلة: 2HgO ® 2Hg + O 2 . وللقيام بذلك، ركز بريستلي أشعة الشمس على مسحوق أكسيد الزئبق. إحدى الطرق المخبرية المعروفة أيضًا هي التفكك الحراري لأملاح الأكسو، على سبيل المثال كلورات البوتاسيوم في وجود محفز - ثاني أكسيد المنغنيز:
ثاني أكسيد المنغنيز، الذي يضاف بكميات صغيرة قبل التكليس، يسمح بالحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة ومعدل التفكك، ولا يتغير MnO 2 نفسه أثناء العملية.
تستخدم أيضًا طرق التحلل الحراري للنترات:
وكذلك بيروكسيدات بعض المعادن النشطة، على سبيل المثال:
2BaO 2 ® 2BaO + O 2
كانت الطريقة الأخيرة تستخدم على نطاق واسع في وقت ما لاستخراج الأكسجين من الغلاف الجوي وتتكون من تسخين BaO في الهواء حتى يتكون BaO 2، يليه التحلل الحراري للبيروكسيد. تظل طريقة التحلل الحراري مهمة لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين.
| بعض الخصائص الفيزيائية للأكسجين | |
| العدد الذري | 8 |
| الكتلة الذرية | 15,9994 |
| نقطة الانصهار، درجة مئوية | –218,4 |
| نقطة الغليان، درجة مئوية | –183,0 |
| كثافة | |
| الصلبة، جم / سم 3 (في رر) | 1,27 |
| السائل جم/سم3 (في ركيب) | 1,14 |
| غازية، جم/دم3 (عند 0 درجة مئوية) | 1,429 |
| الهواء النسبي | 1,105 |
| الحرجة أ، جم / سم 3 | 0,430 |
| درجة الحرارة الحرجة أ، درجة مئوية | –118,8 |
| الضغط الحرج أ، أجهزة الصراف الآلي | 49,7 |
| الذوبان سم3/100 مل من المذيب | |
| في الماء (0 درجة مئوية) | 4,89 |
| في الماء (100 درجة مئوية) | 1,7 |
| في الكحول (25 درجة مئوية) | 2,78 |
| شعاع، أ | 0,74 |
| تساهمي | 0,66 |
| الأيونية (O2–) | 1,40 |
| إمكانات التأين، V | |
| أولاً | 13,614 |
| ثانية | 35,146 |
| السالبية الكهربية (F=4) | 3,5 |
| أ- درجة الحرارة والضغط التي تكون عندها كثافتا الغاز والسائل متساويتين. | |
الخصائص الفيزيائية.
الأكسجين في الظروف العادية هو غاز عديم اللون والرائحة والطعم. الأكسجين السائل له لون أزرق شاحب. يوجد الأكسجين الصلب في ثلاثة تعديلات بلورية على الأقل. غاز الأكسجين قابل للذوبان في الماء وربما يشكل مركبات ضعيفة مثل O2HH2O، وربما O2H2H2O.
الخواص الكيميائية.
كما ذكرنا من قبل، يتم تحديد النشاط الكيميائي للأكسجين من خلال قدرته على الانفصال إلى ذرات O، والتي تكون شديدة التفاعل. فقط المعادن والمعادن الأكثر نشاطًا تتفاعل مع O 2 بمعدلات عالية عند درجات حرارة منخفضة. تشكل المعادن القلوية الأكثر نشاطًا (المجموعات الفرعية IA) وبعض الفلزات القلوية الأرضية (المجموعات الفرعية IIA) بيروكسيدات مثل NaO 2 وBaO 2 مع O 2 . تتفاعل العناصر والمركبات الأخرى فقط مع منتج التفكك O2. في ظل ظروف مناسبة، جميع العناصر، باستثناء الغازات النبيلة والمعادن Pt، Ag، Au، تتفاعل مع الأكسجين. تشكل هذه المعادن أيضًا أكاسيدًا، ولكن في ظل ظروف خاصة.
التركيب الإلكتروني للأكسجين (1s 2 2s 2 2p 4) يجعل ذرة O تقبل إلكترونين إلى المستوى الخارجي لتكوين غلاف إلكترون خارجي مستقر، مكونًا أيون O 2–. في أكاسيد الفلزات القلوية، تتشكل الروابط الأيونية في الغالب. يمكن الافتراض أن إلكترونات هذه المعادن تنجذب بالكامل تقريبًا إلى الأكسجين. في أكاسيد المعادن الأقل نشاطًا وغير المعادن، يكون نقل الإلكترون غير مكتمل، وتكون كثافة الشحنة السالبة على الأكسجين أقل وضوحًا، وبالتالي تكون الرابطة أقل أيونية أو أكثر تساهمية.
عندما تتأكسد المعادن بالأكسجين، تنطلق الحرارة، ويرتبط حجمها بقوة الرابطة M-O. أثناء أكسدة بعض اللافلزات، يتم امتصاص الحرارة، مما يدل على ضعف روابطها مع الأكسجين. هذه الأكاسيد غير مستقرة حرارياً (أو أقل استقرارًا من الأكاسيد ذات الروابط الأيونية) وغالبًا ما تكون شديدة التفاعل. يوضح الجدول للمقارنة قيم المحتوى الحراري لتشكيل أكاسيد المعادن الأكثر شيوعًا والمعادن الانتقالية واللافلزات وعناصر المجموعتين الفرعيتين A و B (علامة الطرح تعني إطلاق الحرارة).
يمكن استخلاص عدة استنتاجات عامة حول خصائص الأكاسيد:
1. تنخفض درجات حرارة انصهار أكاسيد الفلزات القلوية مع زيادة نصف القطر الذري للمعدن. لذا، ررر (Cs 2 O) ر رر (Na 2 O). الأكاسيد التي تسود فيها الروابط الأيونية لها نقاط انصهار أعلى من نقاط انصهار الأكاسيد التساهمية: ررر (نا2O)> رر (SO 2).
2. تعتبر أكاسيد المعادن التفاعلية (المجموعات الفرعية IA – IIIA) أكثر استقرارًا حرارياً من أكاسيد المعادن الانتقالية واللافلزات. أكاسيد المعادن الثقيلة في أعلى حالة أكسدة عند التفكك الحراري تشكل أكاسيد ذات حالات أكسدة أقل (على سبيل المثال، 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0.5O 2 ® 2Hg 0 + O 2). مثل هذه الأكاسيد في حالات الأكسدة العالية يمكن أن تكون عوامل مؤكسدة جيدة.
3. تتفاعل المعادن الأكثر نشاطًا مع الأكسجين الجزيئي عند درجات حرارة مرتفعة لتكوين البيروكسيدات:
Sr + O 2 ® SrO 2 .
4. تشكل أكاسيد المعادن النشطة محاليل عديمة اللون، في حين أن أكاسيد معظم المعادن الانتقالية تكون ملونة وغير قابلة للذوبان عمليا. تظهر المحاليل المائية لأكاسيد المعادن خصائص أساسية وهي عبارة عن هيدروكسيدات تحتوي على مجموعات OH، وتشكل الأكاسيد غير المعدنية في المحاليل المائية أحماض تحتوي على أيون H +.
5. تشكل المعادن وغير المعدنية من المجموعات الفرعية A أكاسيد ذات حالة أكسدة تتوافق مع رقم المجموعة، على سبيل المثال، Na وBe وB من Na 1 2 O وBe II O وB 2 III O 3 وغير- المعادن IVA – VIIA من المجموعات الفرعية C، N، S، Cl من C IV O 2، N V 2 O 5، S VI O 3، Cl VII 2 O 7. يرتبط رقم مجموعة العنصر فقط بحالة الأكسدة القصوى، حيث من الممكن وجود أكاسيد ذات حالات أكسدة أقل للعناصر. في عمليات احتراق المركبات، تكون المنتجات النموذجية هي الأكاسيد، على سبيل المثال:
2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O
المواد المحتوية على الكربون والهيدروكربونات، عند تسخينها قليلاً، تتأكسد (تحترق) إلى ثاني أكسيد الكربون وH2O. ومن أمثلة هذه المواد الوقود - الخشب والزيت والكحوليات (وكذلك الكربون - الفحم وفحم الكوك والفحم النباتي). تُستخدم الحرارة الناتجة عن عملية الاحتراق لإنتاج البخار (ومن ثم الكهرباء أو الذهاب إلى محطات توليد الطاقة)، وكذلك لتدفئة المنازل. المعادلات النموذجية لعمليات الاحتراق هي:
أ) الخشب (السليلوز):
(C6H10O5) ن + 6نيا2®6 نثاني أكسيد الكربون +5 ن H2O + الطاقة الحرارية
ب) النفط أو الغاز (البنزين C8H18 أو الغاز الطبيعي CH4):
2C 8 H 18 + 25O 2 ® 16CO 2 + 18 H 2 O + الطاقة الحرارية
CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + الطاقة الحرارية
C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + طاقة حرارية
د) الكربون (الفحم أو الفحم النباتي وفحم الكوك):
2C + O2 ® 2CO + الطاقة الحرارية
2CO + O2 ® 2CO 2 + الطاقة الحرارية
هناك أيضًا عدد من المركبات التي تحتوي على C- وH- وN- وO ذات احتياطي طاقة مرتفع عرضة للاحتراق أيضًا. يمكن استخدام الأكسجين للأكسدة ليس فقط من الجو (كما في التفاعلات السابقة)، ولكن أيضًا من المادة نفسها. لبدء رد الفعل، يكفي تنشيط بسيط للتفاعل، مثل ضربة أو هزة. في هذه التفاعلات، تكون منتجات الاحتراق عبارة عن أكاسيد أيضًا، ولكنها كلها غازية وتتوسع بسرعة عند درجة الحرارة النهائية العالية للعملية. ولذلك، فإن هذه المواد متفجرة. ومن أمثلة المتفجرات ثلاثي النتروجليسرين (أو النتروجليسرين) C 3 H 5 (NO 3) 3 وثلاثي نيترو تولوين (أو TNT) C 7 H 5 (NO 2) 3.
تتفاعل أكاسيد المعادن أو اللافلزات ذات حالات الأكسدة المنخفضة لعنصر ما مع الأكسجين لتكوين أكاسيد ذات حالات أكسدة عالية لذلك العنصر:
تعمل الأكاسيد الطبيعية، التي يتم الحصول عليها من الخامات أو تصنيعها، كمواد خام لإنتاج العديد من المعادن المهمة، على سبيل المثال، الحديد من Fe 2 O 3 (الهيماتيت) وFe 3 O 4 (الماجنتيت)، والألومنيوم من Al 2 O 3 (الألومينا). ) والمغنيسيوم من MgO (المغنيسيا). تستخدم أكاسيد المعادن الخفيفة في الصناعة الكيميائية لإنتاج القلويات أو القواعد. بيروكسيد البوتاسيوم KO 2 له استخدام غير عادي لأنه في وجود الرطوبة ونتيجة للتفاعل معها يطلق الأكسجين. ولذلك يستخدم KO2 في أجهزة التنفس لإنتاج الأكسجين. تطلق الرطوبة من هواء الزفير الأكسجين في جهاز التنفس، ويمتص KOH ثاني أكسيد الكربون. إنتاج أكسيد CaO وهيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 – إنتاج واسع النطاق في تكنولوجيا السيراميك والأسمنت.
الماء (أكسيد الهيدروجين).
إن أهمية الماء H 2 O سواء في الممارسة المخبرية للتفاعلات الكيميائية أو في العمليات الحيوية تتطلب اهتمامًا خاصًا بهذه المادة (الماء والثلج والبخار). كما ذكرنا سابقًا، أثناء التفاعل المباشر بين الأكسجين والهيدروجين في ظل ظروف، على سبيل المثال، يحدث تفريغ شراري، ويحدث انفجار وتكوين الماء، وينطلق 143 كيلوجول/(mol H2O).
يمتلك جزيء الماء بنية رباعية السطوح تقريبًا، زاوية H–O–H هي 104° 30°. الروابط الموجودة في الجزيء تكون أيونية جزئيًا (30٪) وتساهمية جزئيًا مع كثافة عالية من الشحنة السالبة على الأكسجين، وبالتالي شحنات موجبة على الهيدروجين:
نظرًا للقوة العالية لروابط H-O، يصعب فصل الهيدروجين عن الأكسجين ويظهر الماء خواصًا حمضية ضعيفة جدًا. يتم تحديد العديد من خصائص الماء من خلال توزيع الرسوم. على سبيل المثال، يشكل جزيء الماء هيدرات مع أيون فلز:
يعطي الماء زوجًا إلكترونيًا واحدًا للمستقبل، والذي يمكن أن يكون H +:
Oxoanions وoxocations
- الجسيمات المحتوية على الأكسجين والتي لها شحنة سالبة متبقية (أكزوانيون) أو موجبة متبقية (أوكسونات). يتمتع أيون O 2– بألفة عالية (تفاعلية عالية) للجسيمات الموجبة الشحنة مثل H +. أبسط ممثل للأكسونيونات المستقرة هو أيون الهيدروكسيد OH –. وهذا ما يفسر عدم استقرار الذرات ذات كثافة الشحنة العالية واستقرارها الجزئي نتيجة إضافة جسيم بشحنة موجبة. ولذلك، عندما يؤثر المعدن النشط (أو أكسيده) على الماء، يتكون OH–، وليس O 2–:
2Na + 2H 2 O ® 2Na + + 2OH - + H 2
نا 2 O + H 2 O ® 2Na + + 2OH –
تتشكل الأيونات الأكسجينية الأكثر تعقيدًا من الأكسجين مع أيون معدني أو جسيم غير معدني له شحنة موجبة كبيرة، مما يؤدي إلى جسيم منخفض الشحنة وأكثر استقرارًا، على سبيل المثال:
درجة مئوية يتم تشكيل مرحلة صلبة أرجوانية داكنة. الأوزون السائل قابل للذوبان بشكل طفيف في الأكسجين السائل، ويذوب 49 سم 3 O 3 في 100 جم من الماء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. من حيث الخواص الكيميائية، الأوزون أكثر نشاطًا من الأكسجين ويحتل المرتبة الثانية بعد O وF 2 وO 2 (ثاني فلوريد الأكسجين) في خصائص الأكسدة. أثناء الأكسدة العادية، يتم تشكيل أكسيد والأكسجين الجزيئي O 2. عندما يعمل الأوزون على المعادن النشطة في ظل ظروف خاصة، يتم تشكيل الأوزونيدات ذات التركيبة K + O 3 –. يتم إنتاج الأوزون صناعياً لأغراض خاصة، فهو مطهر جيد ويستخدم في تنقية المياه وكمبيض، ويحسن حالة الجو في الأنظمة المغلقة، ويطهر الأشياء والأغذية، ويسرع من نضج الحبوب والفواكه. في مختبر الكيمياء، غالبًا ما يتم استخدام معالج الأوزون لإنتاج الأوزون، وهو أمر ضروري لبعض طرق التحليل الكيميائي والتوليف. يتم تدمير المطاط بسهولة حتى عند تعرضه لتركيزات منخفضة من الأوزون. وفي بعض المدن الصناعية، تؤدي التركيزات الكبيرة للأوزون في الهواء إلى التدهور السريع للمنتجات المطاطية إذا لم تكن محمية بمضادات الأكسدة. الأوزون سام للغاية. إن استنشاق الهواء بشكل مستمر، حتى مع وجود تركيزات منخفضة للغاية من الأوزون، يسبب الصداع والغثيان وغيرها من الحالات غير السارة.