Atomy tego samego typu mogą być częścią różnych substancji. W przypadku pierwiastka oznaczonego symbolem „O” (od łacińskiej nazwy Oxygenium) znane są dwie proste substancje powszechne w przyrodzie. Wzór jednego z nich to O2, drugi to O3. Są to alotropowe modyfikacje tlenu (alotropy). Istnieją inne związki, które są mniej stabilne (O4 i O8). Porównanie cząsteczek i właściwości substancji pomoże zrozumieć różnicę między tymi formami.
Co to są modyfikacje alotropowe?
Wiele pierwiastków chemicznych może występować w dwóch, trzech lub więcej formach. Każda z tych modyfikacji składa się z atomów tego samego typu. Naukowiec J. Berzellius w 1841 r. jako pierwszy nazwał takie zjawisko alotropią. Otwarta prawidłowość była pierwotnie używana tylko do charakteryzowania substancji o strukturze molekularnej. Na przykład znane są dwie alotropowe modyfikacje tlenu, których atomy tworzą cząsteczki. Później naukowcy odkryli, że wśród kryształów mogą znajdować się modyfikacje. Według współczesnych koncepcji alotropia jest jednym z przypadków polimorfizmu. Różnice między formami są spowodowane mechanizmamitworzenie wiązania chemicznego w cząsteczkach i kryształach. Ta cecha przejawia się głównie w elementach grup 13-16 układu okresowego.
Jak różne kombinacje atomów wpływają na właściwości materii?
Alotropowe modyfikacje tlenu i ozonu tworzą atomy pierwiastka o liczbie atomowej 8 i tej samej liczbie elektronów. Różnią się jednak budową, co doprowadziło do znacznej rozbieżności właściwości.
| Znaki | Tlen | Ozon |
| Skład cząsteczki | 2 atomy tlenu | 3 atomy tlenu |
| Budynek |
|
|
| Stan i kolor agregatu | Bezbarwny przezroczysty gaz lub jasnoniebieska ciecz | Niebieski gaz, niebieska ciecz, ciemnofioletowa substancja stała |
| Zapach | Brak | Ostre, przypominające burzę, świeżo skoszone siano |
| Temperatura topnienia (°C) | -219 | -193 |
| Temperatura wrzenia (°C) | -183 | -112 |
|
Gęstość (g/l) |
1, 4 | 2, 1 |
| Rozpuszczalność w wodzie | Lekko się rozpuszcza | Lepsze niż tlen |
| Reaktywność | W normalnych warunkachstabilny | Łatwo rozkłada się, tworząc tlen |
Wnioski na podstawie wyników porównania: alotropowe modyfikacje tlenu nie różnią się składem jakościowym. Struktura cząsteczki znajduje odzwierciedlenie we właściwościach fizycznych i chemicznych substancji.
Czy ilości tlenu i ozonu są takie same w naturze?
Substancja o wzorze O2, występująca w atmosferze, hydrosferze, skorupie ziemskiej i organizmach żywych. Około 20% atmosfery składa się z dwuatomowych cząsteczek tlenu. W stratosferze, na wysokości około 12-50 km od powierzchni Ziemi, znajduje się warstwa zwana „ekranem ozonowym”. Jego skład odzwierciedla wzór O3. Ozon chroni naszą planetę intensywnie pochłaniając niebezpieczne promienie czerwonego i ultrafioletowego spektrum słońca. Stężenie substancji stale się zmienia, a jej średnia wartość jest niska - 0,001%. Zatem O2 i O3 są alotropowymi modyfikacjami tlenu, które mają znaczne różnice w rozmieszczeniu w przyrodzie.
Jak pozyskać tlen i ozon?
Tlen cząsteczkowy jest najważniejszą prostą substancją na Ziemi. Powstaje w zielonych częściach roślin pod wpływem światła podczas fotosyntezy. Przy wyładowaniach elektrycznych pochodzenia naturalnego lub sztucznego rozkłada się dwuatomowa cząsteczka tlenu. Temperatura, w której rozpoczyna się proces, wynosi około 2000 °C. Niektóre z powstałych rodników łączą się ponownie, tworząc tlen. Niektóre cząstki aktywne reagują z cząsteczkami dwuatomowymitlen. W wyniku tej reakcji powstaje ozon, który reaguje również z wolnymi rodnikami tlenowymi. To tworzy cząsteczki dwuatomowe. Odwracalność reakcji prowadzi do tego, że stężenie ozonu atmosferycznego ulega ciągłym zmianom. W stratosferze tworzenie warstwy składającej się z cząsteczek O3 jest związane z promieniowaniem ultrafioletowym ze Słońca. Bez tej ochronnej tarczy niebezpieczne promienie mogłyby dotrzeć do powierzchni Ziemi i zniszczyć wszystkie formy życia.
Alotropowe modyfikacje tlenu i siarki
Pierwiastki chemiczne O (tlen) i S (siarka) znajdują się w tej samej grupie układu okresowego, charakteryzują się tworzeniem form alotropowych. Spośród cząsteczek o różnej liczbie atomów siarki (2, 4, 6, 8) w normalnych warunkach najbardziej stabilna jest S8, przypominająca kształtem koronę. Siarka rombowa i jednoskośna zbudowana jest z takich 8-atomowych cząsteczek.
W temperaturze 119°C żółta jednoskośna forma tworzy brązową lepką masę – modyfikacja plastyczna. Badanie alotropowych modyfikacji siarki i tlenu ma ogromne znaczenie w chemii teoretycznej i działaniach praktycznych.
W skali przemysłowej wykorzystuje się właściwości utleniające różnych form. Ozon służy do dezynfekcji powietrza i wody. Ale w stężeniach powyżej 0,16 mg/m3 gaz ten jest niebezpieczny dla ludzi i zwierząt. Tlen cząsteczkowy jest niezbędny do oddychania i jest wykorzystywany w przemyśle i medycynie. Alotropy węgla odgrywają ważną rolę w działalności gospodarczej.(diament, grafit), fosfor (biały, czerwony) i inne pierwiastki chemiczne.
