Apakah itu oksigen? Sebatian oksigen

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Oksigen (O) ialah unsur kimia bukan logam kumpulan 16 (VIa) dalam jadual berkala. Ia adalah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa yang penting untuk organisma hidup – haiwan yang mengubahnya menjadi karbon dioksida dan tumbuhan yang menggunakan CO₂ sebagai sumber karbon dan mengembalikan O ₂ ke atmosfera. Oksigen membentuk sebatian dengan bertindak balas dengan hampir mana-mana unsur lain, dan juga menyesarkan unsur kimia daripada ikatan antara satu sama lain. Dalam banyak kes, proses ini disertai dengan pembebasan haba dan cahaya. Sebatian oksigen yang paling penting ialah air.

Sejarah penemuan

Pada tahun 1772, ahli kimia Sweden Carl Wilhelm Scheele pertama kali menunjukkan oksigen dengan memanaskan kalium nitrat, merkuri oksida, dan banyak bahan lain. Secara bebas daripada beliau, pada tahun 1774, ahli kimia Inggeris Joseph Priestley menemui unsur kimia ini melalui penguraian terma merkuri oksida dan menerbitkan penemuannya pada tahun yang sama, tiga tahun sebelum diterbitkan. Scheele. Pada 1775-1780, ahli kimia Perancis Antoine Lavoisier menafsirkan peranan oksigen dalam respirasi dan pembakaran, menolak teori phlogiston yang diterima umum pada masa itu. Beliau menyatakan kecenderungannya untuk membentuk asid apabila digabungkan dengan pelbagai bahan dan menamakan unsur oxygène, yang dalam bahasa Yunani bermaksud "menghasilkan asid".

Prevalence

Apakah itu oksigen? Membina 46% daripada jisim kerak bumi, ia adalah unsur yang paling biasa. Jumlah oksigen di atmosfera ialah 21% mengikut isipadu, dan mengikut berat dalam air laut ialah 89%.

Dalam batuan, unsur tersebut digabungkan dengan logam dan bukan logam dalam bentuk oksida, yang bersifat berasid (contohnya, sulfur, karbon, aluminium dan fosforus) atau asas (garam kalsium, magnesium dan besi), dan sebagai sebatian seperti garam yang boleh dianggap sebagai terbentuk daripada oksida berasid dan asas seperti sulfat, karbonat, silikat, aluminat dan fosfat. Walaupun jumlahnya banyak, pepejal ini tidak boleh berfungsi sebagai sumber oksigen, kerana memutuskan ikatan unsur dengan atom logam terlalu memakan tenaga.

Ciri

Jika suhu oksigen di bawah -183 °C, maka ia menjadi cecair biru pucat, dan pada -218 °C - pepejal. O₂ ialah 1.1 kali lebih berat daripada udara.

Semasa pernafasan, haiwan dan sesetengah bakteria mengambil oksigen dari atmosfera dan mengembalikan karbon dioksida, manakala semasa fotosintesis, tumbuhan hijau dengan kehadiran cahaya matahari menyerap karbon dioksida dan membebaskan oksigen bebas. Hampirsemua O₂ di atmosfera dihasilkan oleh fotosintesis.

Pada 20 °C, kira-kira 3 bahagian isipadu oksigen larut dalam 100 bahagian air tawar, kurang sedikit dalam air laut. Ini diperlukan untuk pernafasan ikan dan hidupan laut yang lain.

Oksigen semulajadi ialah campuran tiga isotop stabil: ¹⁶O (99.759%), ¹⁷O (0.037 %) dan¹⁸O (0.204%). Beberapa isotop radioaktif yang dihasilkan secara buatan diketahui. Jangka hayat yang paling lama ialah ¹⁵O (dengan separuh hayat 124 s), yang digunakan untuk mengkaji pernafasan dalam mamalia.

Allotrops

Idea yang lebih jelas tentang apa itu oksigen, membolehkan anda mendapatkan dua bentuk alotropiknya, diatomik (O₂) dan triatomik (O₃ , ozon). Sifat-sifat bentuk diatomik menunjukkan bahawa enam elektron mengikat atom dan dua kekal tidak berpasangan, menyebabkan paramagnetisme oksigen. Tiga atom dalam molekul ozon tidak berada dalam garis lurus.

Ozon boleh dihasilkan mengikut persamaan: 3O₂ → 2O₃.

Proses adalah endotermik (memerlukan tenaga); penukaran ozon kembali kepada oksigen diatomik dipermudahkan oleh kehadiran logam peralihan atau oksidanya. Oksigen tulen ditukar kepada ozon dengan nyahcas elektrik yang bercahaya. Tindak balas juga berlaku apabila penyerapan cahaya ultraungu dengan panjang gelombang kira-kira 250 nm. Kejadian proses ini di atmosfera atas menghapuskan sinaran yang boleh menyebabkankerosakan kepada kehidupan di permukaan bumi. Bau pedas ozon terdapat dalam ruang tertutup dengan peralatan elektrik yang mencetuskan api seperti penjana. Ia adalah gas biru muda. Ketumpatannya ialah 1.658 kali ganda daripada udara, dan ia mempunyai takat didih -112°C pada tekanan atmosfera.

Ozon ialah agen pengoksidaan yang kuat, mampu menukarkan sulfur dioksida kepada trioksida, sulfida kepada sulfat, iodida kepada iodin (menyediakan kaedah analisis untuk menilainya), dan banyak sebatian organik kepada terbitan beroksigen seperti aldehid dan asid. Penukaran hidrokarbon daripada ekzos kereta kepada asid dan aldehid ini oleh ozon adalah yang menyebabkan asap. Dalam industri, ozon digunakan sebagai agen kimia, pembasmi kuman, rawatan air sisa, penulenan air dan pelunturan fabrik.

Mendapatkan Kaedah

Cara oksigen terhasil bergantung pada jumlah gas yang diperlukan. Kaedah makmal adalah seperti berikut:

1. Penguraian terma beberapa garam seperti kalium klorat atau kalium nitrat:

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

Penguraian kalium klorat dimangkinkan oleh oksida logam peralihan. Mangan dioksida (pirolusit, MnO₂) sering digunakan untuk ini. Mangkin merendahkan suhu yang diperlukan untuk mengembangkan oksigen daripada 400 kepada 250°C.

2. Penguraian suhu oksida logam:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele dan Priestley menggunakan sebatian (oksida) oksigen dan merkuri (II) untuk mendapatkan unsur kimia ini.

3. Penguraian terma peroksida logam atau hidrogen peroksida:

2BaO + O₂ → 2BaO₂.
2BaO₂ → 2BaO +O₂.
BaO₂ + H₂SO₄ → H₂ O₂ + BaSO₄.
2J₂O₂ → 2J₂O +O _2.

Kaedah perindustrian pertama untuk mengasingkan oksigen daripada atmosfera atau untuk menghasilkan hidrogen peroksida bergantung kepada pembentukan barium peroksida daripada oksida.

4. Elektrolisis air dengan kekotoran kecil garam atau asid, yang memberikan kekonduksian arus elektrik:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Pengeluaran industri

Jika perlu untuk mendapatkan jumlah oksigen yang besar, penyulingan pecahan udara cecair digunakan. Daripada juzuk utama udara, ia mempunyai takat didih tertinggi dan oleh itu kurang meruap daripada nitrogen dan argon. Proses ini menggunakan penyejukan gas semasa ia mengembang. Langkah utama operasi adalah seperti berikut:

udara ditapis untuk membuang zarah;
kelembapan dan karbon dioksida dikeluarkan melalui penyerapan ke dalam alkali;
udara dimampatkan dan haba pemampatan dikeluarkan melalui prosedur penyejukan biasa;
kemudian ia memasuki gegelung yang terletak dikamera;
bahagian gas termampat (pada tekanan kira-kira 200 atm) mengembang di dalam ruang, menyejukkan gegelung;
gas mengembang kembali ke pemampat dan melalui beberapa peringkat pengembangan dan pemampatan seterusnya, mengakibatkan cecair pada -196 °C udara menjadi cecair;
cecair dipanaskan untuk menyaring gas lengai ringan yang pertama, kemudian nitrogen dan cecair oksigen kekal. Pecahan berbilang menghasilkan produk yang cukup tulen (99.5%) untuk kebanyakan tujuan perindustrian.

Penggunaan industri

Metalurgi ialah pengguna terbesar oksigen tulen untuk penghasilan keluli karbon tinggi: singkirkan karbon dioksida dan kekotoran bukan logam lain lebih cepat dan lebih mudah daripada menggunakan udara.

Perawatan air sisa oksigen menjanjikan untuk merawat efluen cecair dengan lebih cekap daripada proses kimia lain. Pembakaran sisa dalam sistem tertutup menggunakan O₂.

. menjadi semakin penting

Apa yang dipanggil pengoksida roket ialah oksigen cecair. O₂ Digunakan dalam kapal selam dan loceng menyelam.

Dalam industri kimia, oksigen telah menggantikan udara biasa dalam penghasilan bahan seperti asetilena, etilena oksida dan metanol. Aplikasi perubatan termasuk penggunaan gas dalam ruang oksigen, penyedut, dan inkubator bayi. Gas anestetik yang diperkaya dengan oksigen memberikan sokongan hidup semasa anestesia am. Tanpa unsur kimia ini, sejumlahindustri menggunakan relau lebur. Itulah oksigen.

Sifat dan tindak balas kimia

Keelektronegatifan tinggi dan pertalian elektron oksigen adalah tipikal bagi unsur yang mempamerkan sifat bukan logam. Semua sebatian oksigen mempunyai keadaan pengoksidaan negatif. Apabila dua orbital diisi dengan elektron, ion O^2- terbentuk. Dalam peroksida (O₂^2-) setiap atom diandaikan mempunyai cas -1. Sifat menerima elektron melalui pemindahan total atau separa ini menentukan agen pengoksidaan. Apabila agen sedemikian bertindak balas dengan bahan penderma elektron, keadaan pengoksidaannya sendiri diturunkan. Perubahan (penurunan) dalam keadaan pengoksidaan oksigen daripada sifar kepada -2 dipanggil pengurangan.

Di bawah keadaan biasa, unsur membentuk sebatian diatomik dan triatomik. Di samping itu, terdapat molekul empat atom yang sangat tidak stabil. Dalam bentuk diatomik, dua elektron tidak berpasangan terletak dalam orbital tidak terikat. Ini disahkan oleh kelakuan paramagnet gas.

Kereaktifan sengit ozon kadangkala dijelaskan oleh andaian bahawa salah satu daripada tiga atom berada dalam keadaan "atom". Memasuki tindak balas, atom ini berpisah daripada O₃, meninggalkan oksigen molekul.

Molekul O₂ adalah lemah reaktif pada suhu dan tekanan ambien biasa. Oksigen atom jauh lebih aktif. Tenaga penceraian (O₂ → 2O) adalah ketara danialah 117.2 kcal setiap mol.

Sambungan

Dengan bukan logam seperti hidrogen, karbon dan sulfur, oksigen membentuk pelbagai sebatian terikat kovalen, termasuk oksida bukan logam seperti air (H₂O), sulfur dioksida (SO₂) dan karbon dioksida (CO₂); sebatian organik seperti alkohol, aldehid dan asid karboksilik; asid biasa seperti karbonik (H₂CO₃), sulfurik (H₂SO4_{) dan nitrogen (HNO}3_{); dan garam yang sepadan seperti natrium sulfat (Na}2_SO4_{), natrium karbonat (Na}2 _CO 3_{) dan natrium nitrat (NaNO}3_{). Oksigen hadir dalam bentuk ion O}2- ^{dalam struktur kristal oksida logam pepejal, seperti sebatian (oksida) oksigen dan kalsium CaO. Superoksida logam (KO}2_{) mengandungi ion O}2_-, manakala logam peroksida (BaO2^{), mengandungi ion O}22-_{. Sebatian oksigen terutamanya mempunyai keadaan pengoksidaan -2.}