Tlen (O) jest niemetalicznym pierwiastkiem chemicznym z grupy 16 (VIa) układu okresowego. Jest to bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku gaz, który jest niezbędny dla żywych organizmów – zwierząt, które zamieniają go w dwutlenek węgla i roślin, które wykorzystują CO2 jako źródło węgla i zwracają O 2 do atmosfery. Tlen tworzy związki, reagując z prawie każdym innym pierwiastkiem, a także wypiera pierwiastki chemiczne z wiązania się ze sobą. W wielu przypadkach procesom tym towarzyszy wydzielanie się ciepła i światła. Najważniejszym związkiem tlenu jest woda.
Historia odkryć
W 1772 szwedzki chemik Carl Wilhelm Scheele po raz pierwszy zademonstrował tlen przez ogrzewanie azotanu potasu, tlenku rtęci i wielu innych substancji. Niezależnie od niego, w 1774 roku angielski chemik Joseph Priestley odkrył ten pierwiastek chemiczny przez termiczny rozkład tlenku rtęci i opublikował swoje odkrycia w tym samym roku, trzy lata przed publikacją. Scheele. W latach 1775-1780 francuski chemik Antoine Lavoisier zinterpretował rolę tlenu w oddychaniu i spalaniu, odrzucając ogólnie przyjętą wówczas teorię flogistonu. Zauważył jego tendencję do tworzenia kwasów w połączeniu z różnymi substancjami i nazwał pierwiastek tlenem, co po grecku oznacza „wytwarzanie kwasu”.
Rozpowszechnienie
Co to jest tlen? Stanowi 46% masy skorupy ziemskiej i jest jej najczęstszym elementem. Ilość tlenu w atmosferze wynosi 21% objętości, a wody morskiej 89% wagowo.
W skałach pierwiastek łączy się z metalami i niemetalami w postaci tlenków, które są kwaśne (np. siarka, węgiel, glin i fosfor) lub zasadowe (sole wapnia, magnezu i żelaza) oraz jako związki podobne do soli, które można uznać za utworzone z tlenków kwasowych i zasadowych, takich jak siarczany, węglany, krzemiany, gliniany i fosforany. Chociaż jest ich wiele, te ciała stałe nie mogą służyć jako źródła tlenu, ponieważ zerwanie wiązania pierwiastka z atomami metalu jest zbyt energochłonne.
Funkcje
Jeżeli temperatura tlenu jest niższa niż -183 °C, wtedy staje się jasnoniebieską cieczą, a przy -218 °C - ciałem stałym. Czyste O2 jest 1,1 raza cięższe niż powietrze.
Podczas oddychania zwierzęta i niektóre bakterie zużywają tlen z atmosfery i oddają dwutlenek węgla, podczas gdy podczas fotosyntezy rośliny zielone w obecności światła słonecznego pochłaniają dwutlenek węgla i uwalniają wolny tlen. Prawiewszystkie O2 w atmosferze są wytwarzane przez fotosyntezę.
W temperaturze 20 °C około 3 części objętościowe tlenu rozpuszczają się w 100 częściach słodkiej wody, nieco mniej w wodzie morskiej. Jest to niezbędne do oddychania ryb i innych organizmów morskich.
Tlen naturalny jest mieszaniną trzech stabilnych izotopów: 16O (99,759%), 17O (0,037%) i18O (0,204%). Znanych jest kilka sztucznie wytwarzanych izotopów promieniotwórczych. Najdłużej żyjący z nich to 15O (z okresem półtrwania 124 s), który jest używany do badania oddychania u ssaków.
Alotropy
Jaśniejsze pojęcie o tym, czym jest tlen, pozwala uzyskać jego dwie formy alotropowe, dwuatomową (O2) i trójatomową (O3 , ozon). Właściwości formy dwuatomowej sugerują, że sześć elektronów wiąże atomy, a dwa pozostają niesparowane, powodując paramagnetyzm tlenu. Trzy atomy w cząsteczce ozonu nie leżą w linii prostej.
Ozon może być wytwarzany zgodnie z równaniem: 3O2 → 2O3.
Proces jest endotermiczny (wymaga energii); przekształcenie ozonu z powrotem w tlen dwuatomowy jest ułatwione dzięki obecności metali przejściowych lub ich tlenków. Czysty tlen jest przekształcany w ozon w wyniku świecącego wyładowania elektrycznego. Reakcja zachodzi również po absorpcji światła ultrafioletowego o długości fali około 250 nm. Występowanie tego procesu w górnych warstwach atmosfery eliminuje promieniowanie, które mogłoby powodowaćuszkodzenie życia na powierzchni Ziemi. Ostry zapach ozonu jest obecny w zamkniętych pomieszczeniach z iskrzącymi urządzeniami elektrycznymi, takimi jak generatory. Jest to jasnoniebieski gaz. Jego gęstość jest 1,658 razy większa niż powietrza, a jego temperatura wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi -112°C.
Ozon jest silnym środkiem utleniającym, zdolnym do konwersji dwutlenku siarki do trójtlenku, siarczku do siarczanu, jodku do jodu (zapewniając analityczną metodę jego oceny) i wielu związków organicznych do utlenionych pochodnych, takich jak aldehydy i kwasy. Konwersja węglowodorów ze spalin samochodowych w te kwasy i aldehydy przez ozon jest przyczyną smogu. W przemyśle ozon jest używany jako środek chemiczny, środek dezynfekujący, oczyszczanie ścieków, uzdatnianie wody i wybielanie tkanin.
Pobieranie metod
Sposób wytwarzania tlenu zależy od ilości potrzebnego gazu. Metody laboratoryjne są następujące:
1. Rozkład termiczny niektórych soli, takich jak chloran potasu lub azotan potasu:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
Rozkład chloranu potasu jest katalizowany przez tlenki metali przejściowych. Do tego celu często stosuje się dwutlenek manganu (piroluzyt, MnO2). Katalizator obniża temperaturę potrzebną do wydzielania tlenu z 400 do 250°C.
2. Rozkład temperaturowy tlenków metali:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele i Priestley użyli związku (tlenku) tlenu i rtęci (II), aby otrzymać ten pierwiastek chemiczny.
3. Rozkład termiczny nadtlenków metali lub nadtlenku wodoru:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
Pierwsze przemysłowe metody oddzielania tlenu z atmosfery lub wytwarzania nadtlenku wodoru polegały na powstawaniu nadtlenku baru z tlenku.
4. Elektroliza wody z drobnymi zanieczyszczeniami soli lub kwasów, które zapewniają przewodnictwo prądu elektrycznego:
2H2O → 2H2 + O2
Produkcja przemysłowa
Jeśli konieczne jest uzyskanie dużych ilości tlenu, stosuje się destylację frakcyjną ciekłego powietrza. Spośród głównych składników powietrza ma najwyższą temperaturę wrzenia i dlatego jest mniej lotny niż azot i argon. Proces wykorzystuje chłodzenie gazu w miarę jego rozszerzania. Główne etapy operacji są następujące:
- powietrze jest filtrowane w celu usunięcia cząstek stałych;
- wilgoć i dwutlenek węgla są usuwane przez absorpcję do zasady;
- powietrze jest sprężane, a ciepło sprężania jest usuwane przez normalne procedury chłodzenia;
- wtedy wchodzi do cewki znajdującej się wkamera;
- część sprężonego gazu (pod ciśnieniem około 200 atm) rozpręża się w komorze, schładzając wężownicę;
- rozprężony gaz powraca do sprężarki i przechodzi przez kilka etapów późniejszego rozprężania i sprężania, w wyniku czego ciecz o temperaturze -196°C staje się płynna;
- ciecz jest podgrzewana w celu oddestylowania pierwszych lekkich gazów obojętnych, a następnie pozostaje azot i ciekły tlen. Wielokrotne frakcjonowanie daje produkt wystarczająco czysty (99,5%) do większości celów przemysłowych.
Zastosowanie przemysłowe
Metalurgia jest największym konsumentem czystego tlenu do produkcji stali wysokowęglowej: pozbądź się dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń niemetalicznych szybciej i łatwiej niż przy użyciu powietrza.
Oczyszczanie ścieków tlenem daje nadzieję na skuteczniejsze oczyszczanie ścieków niż inne procesy chemiczne. Spalanie odpadów w systemach zamkniętych przy użyciu czystego O2.
. staje się coraz ważniejsze
Tak zwany utleniacz rakietowy to ciekły tlen. Czysty O2 Stosowany w łodziach podwodnych i dzwonach nurkowych.
W przemyśle chemicznym tlen zastąpił normalne powietrze w produkcji substancji, takich jak acetylen, tlenek etylenu i metanol. Zastosowania medyczne obejmują stosowanie gazu w komorach tlenowych, inhalatorach i inkubatorach dla niemowląt. Wzbogacony tlenem gaz znieczulający zapewnia podtrzymywanie życia podczas znieczulenia ogólnego. Bez tego pierwiastka chemicznego wielebranże wykorzystujące piece do topienia. Tym właśnie jest tlen.
Właściwości i reakcje chemiczne
Wysoka elektroujemność i powinowactwo elektronowe tlenu są typowe dla pierwiastków wykazujących właściwości niemetaliczne. Wszystkie związki tlenu mają ujemny stan utlenienia. Kiedy dwa orbitale są wypełnione elektronami, powstaje jon O2-. W nadtlenkach (O22-) zakłada się, że każdy atom ma ładunek -1. Ta właściwość przyjmowania elektronów przez całkowite lub częściowe przeniesienie określa środek utleniający. Kiedy taki środek reaguje z substancją będącą donorem elektronów, obniża się jego własny stopień utlenienia. Zmiana (spadek) stopnia utlenienia tlenu od zera do -2 nazywana jest redukcją.
W normalnych warunkach pierwiastek tworzy związki dwuatomowe i trójatomowe. Ponadto istnieją wysoce niestabilne cząsteczki czteroatomowe. W postaci dwuatomowej dwa niesparowane elektrony znajdują się na orbitalach niewiążących. Potwierdza to paramagnetyczne zachowanie gazu.
Intensywną reaktywność ozonu tłumaczy się czasem założeniem, że jeden z trzech atomów jest w stanie „atomowym”. Wchodząc w reakcję, atom ten dysocjuje od O3, pozostawiając tlen cząsteczkowy.
Cząsteczka O2 jest słabo reaktywna w normalnych temperaturach i ciśnieniu otoczenia. Tlen atomowy jest znacznie bardziej aktywny. Energia dysocjacji (O2 → 2O) jest znacząca iwynosi 117,2 kcal na mol.
Połączenia
W przypadku niemetali, takich jak wodór, węgiel i siarka, tlen tworzy szeroką gamę związków kowalencyjnie związanych, w tym tlenki niemetali, takich jak woda (H2O), dwutlenek siarki (SO2) i dwutlenek węgla (CO2); związki organiczne, takie jak alkohole, aldehydy i kwasy karboksylowe; popularne kwasy, takie jak węglowy (H2CO3), siarkowy (H2SO4) i azot (HNO3); i odpowiednie sole, takie jak siarczan sodu (Na2SO4), węglan sodu (Na2 CO 3) i azotan sodu (NaNO3). Tlen występuje w postaci jonu O2- w strukturze krystalicznej stałych tlenków metali, takich jak związek (tlenek) tlenu i wapnia CaO. Nadtlenki metali (KO2) zawierają jon O2-, natomiast nadtlenki metali (BaO2), zawierają jon O22-. Związki tlenu mają głównie stopień utlenienia -2.
Podstawowe funkcje
Na koniec wymieniamy główne właściwości tlenu:
- Konfiguracja elektronów: 1s22s22p4.
- Numer atomowy: 8.
- Masa atomowa: 15.9994.
- Temperatura wrzenia: -183,0 °C.
- Temperatura topnienia: -218,4 °C.
- Gęstość (jeśli ciśnienie tlenu wynosi 1 atm przy 0 °C): 1,429 g/l.
- Stany utleniania: -1, -2, +2 (w związkach z fluorem).
