Plik tlen jest to pierwiastek chemiczny oznaczony symbolem O. Jest to bardzo reaktywny gaz, który stoi na czele grupy 16: chalkogenów. Ta nazwa wynika z faktu, że siarka i tlen są obecne w prawie wszystkich minerałach.
Jego wysoka elektroujemność wyjaśnia jego wielką chciwość na elektrony, co prowadzi do łączenia się z dużą liczbą pierwiastków; W ten sposób powstaje szeroka gama tlenków mineralnych, które wzbogacają skorupę ziemską. W ten sposób pozostały tlen składa się i sprawia, że atmosfera jest oddychająca..
Tlen jest trzecim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie, po wodorze i helu, a także jest głównym składnikiem skorupy ziemskiej pod względem masy. Objętość wynosi 20,8% ziemskiej atmosfery i stanowi 89% masy wody.
Zwykle ma dwie formy alotropowe: tlen dwuatomowy (Odwa), który jest najpowszechniejszą formą w przyrodzie i ozon (O3), znalezione w stratosferze. Jednak są jeszcze dwa inne (O4 mnie8), które istnieją w fazie ciekłej lub stałej i pod ogromnym ciśnieniem.
Tlen jest stale wytwarzany w procesie fotosyntezy, prowadzonej przez fitoplankton i rośliny lądowe. Po wyprodukowaniu jest uwalniany, aby istoty żyjące mogły z niego korzystać, podczas gdy niewielka jego część rozpuszcza się w morzach, wspierając życie wodne..
Dlatego jest niezbędnym elementem dla istot żywych; nie tylko dlatego, że występuje w większości związków i cząsteczek, które je tworzą, ale także dlatego, że ingeruje we wszystkie ich procesy metaboliczne.
Chociaż jego izolacja jest kontrowersyjnie przypisywana Carlowi Scheele i Josephowi Priestleyowi w 1774 r., Istnieją przesłanki, że tlen został wyizolowany po raz pierwszy w 1608 r. Przez Michaela Sendivogiusa..
Gaz ten jest stosowany w praktyce lekarskiej w celu poprawy warunków życia pacjentów z problemami z oddychaniem. Podobnie, tlen jest używany, aby umożliwić ludziom wypełnianie ich funkcji w środowiskach, w których dostęp do tlenu atmosferycznego jest ograniczony lub nie ma go wcale..
Tlen produkowany na skalę przemysłową jest używany głównie w przemyśle metalurgicznym do przetwarzania żelaza w stal..
Indeks artykułów
W 1500 roku Leonardo da Vinci na podstawie eksperymentów Filona z Bizancjum przeprowadzonych w II wieku pne. C. stwierdził, że część powietrza została zużyta podczas spalania i oddychania.
W 1608 roku Cornelius Drebble wykazał, że ogrzewając salpetrę (azotan srebra, KNO3) gaz został wyprodukowany. Gaz ten, jak później będzie wiadomo, był tlenem; ale Drebble nie mógł zidentyfikować tego jako nowego przedmiotu.
Następnie, w 1668 r., Jan Majow wskazał, że część powietrza, którą nazwał „Spiritus nitroaerus”, była odpowiedzialna za pożar, który był również pochłaniany podczas oddychania i spalania substancji. Majow zauważył, że substancje nie palą się pod nieobecność spirytusu nitroarialnego.
Majow przeprowadził spalanie antymonu i zaobserwował wzrost masy antymonu podczas jego spalania. Następnie Majow doszedł do wniosku, że antymon łączy się z duchem nitroarialnym.
Choć nie zyskał uznania środowiska naukowego, za życia ani po śmierci, jest prawdopodobne, że prawdziwym odkrywcą tlenu jest Michał Sandivogius (1604)..
Sandivogius był szwedzkim alchemikiem, filozofem i lekarzem, który spowodował termiczny rozkład azotanu potasu. Jego eksperymenty doprowadziły go do uwolnienia tlenu, który nazwał „cibus vitae”: pokarmem życia.
W latach 1771-1772 szwedzki chemik Carl W Scheele podgrzewał różne związki: azotan potasu, tlenek manganu i tlenek rtęci. Scheele zauważył, że uwolnił się z nich gaz, który zwiększał spalanie, i nazwał go „ognistym powietrzem”..
W 1774 roku angielski chemik Joseph Priestly podgrzał tlenek rtęci za pomocą dwunastocalowego szkła powiększającego, które skupiało światło słoneczne. Tlenek rtęci uwolnił gaz, który spowodował, że świeca paliła się znacznie szybciej niż normalnie..
Ponadto Priestly przetestował biologiczne działanie gazu. Aby to zrobić, umieścił mysz w zamkniętym pojemniku, który miał przetrwać przez piętnaście minut; Jednak w obecności gazu przeżył godzinę, dłużej niż szacował.
Priestly opublikował swoje wyniki w 1774 roku; podczas gdy Scheele zrobił to w 1775 roku. Z tego powodu odkrycie tlenu jest często przypisywane Priestly'emu.
Antoine Lavoisier, francuski chemik (1777), odkrył, że powietrze zawiera 20% tlenu i że gdy substancja pali się, w rzeczywistości łączy się z tlenem.
Lavoisier doszedł do wniosku, że pozorny przyrost masy ciała, jakiego doświadczają substancje podczas ich spalania, wynikał z utraty wagi, która występuje w powietrzu; ponieważ tlen w połączeniu z tymi substancjami, a tym samym masy reagentów, zostały zachowane.
To pozwoliło Lavoisierowi ustanowić Prawo Ochrony Materii. Lavoisier zasugerował nazwę tlenu, który pochodzi od formowania się kwasów korzeniowych „oxys” i „geny”. Więc tlen oznacza `` kwasotwórczy ''.
Ta nazwa jest błędna, ponieważ nie wszystkie kwasy zawierają tlen; na przykład halogenki wodoru (HF, HCl, HBr i HI).
Dalton (1810) przypisał wodzie wzór chemiczny HO i dlatego masa atomowa tlenu wynosiła 8. Grupa chemików, w tym: Davy (1812) i Berzelius (1814) skorygowali podejście Daltona i doszli do wniosku, że prawidłowy wzór na wodę to HdwaO, a masa atomowa tlenu wynosi 16.
Gaz bezbarwny, bezwonny i bez smaku; podczas gdy ozon ma ostry zapach. Tlen wspomaga spalanie, ale sam w sobie nie jest paliwem.
W postaci płynnej (górne zdjęcie) ma kolor bladoniebieski, a jego kryształy są również niebieskawe; ale mogą nabrać różowych, pomarańczowych, a nawet czerwonawych odcieni (co zostanie wyjaśnione w sekcji dotyczącej jej struktury).
15,999 u.
8.
-218,79 ° C.
-182 962 ° C.
W normalnych warunkach: 1429 g / l. Tlen to gaz gęstszy od powietrza. Ponadto jest słabym przewodnikiem ciepła i elektryczności. A w punkcie wrzenia (ciecz) gęstość wynosi 1,141 g / ml.
54,361 K i 0,1463 kPa (14,44 atm).
154,581 K i 5,043 MPa (49770,54 atm).
0,444 kJ / mol.
6,82 kJ / mol.
29,378 J / (mol K).
W temperaturze 90 K ma prężność pary 986,92 atm.
-2, -1, +1, +2. Najważniejszym stopniem utlenienia jest -2 (Odwa-).
3,44 w skali Paulinga
Pierwsza: 1313,9 kJ / mol.
Po drugie: 3388,3 kJ / mol.
Po trzecie: 5300,5 kJ / mol.
Paramagnetyczny.
Rozpuszczalność tlenu w wodzie spada wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład: 14,6 ml tlenu / l wody rozpuszcza się w 0 ºC, a 7,6 ml tlenu / l wody w 20 ºC. Rozpuszczalność tlenu w wodzie pitnej jest wyższa niż w wodzie morskiej.
W temperaturze 25 ºC i przy ciśnieniu 101,3 kPa woda pitna może zawierać 6,04 ml tlenu / l wody; podczas gdy woda morska tylko 4,95 ml tlenu / l wody.
Tlen jest wysoce reaktywnym gazem, który reaguje bezpośrednio z prawie wszystkimi pierwiastkami w temperaturze pokojowej i wysokich temperaturach; z wyjątkiem metali o wyższych potencjałach redukcyjnych niż miedź.
Może również reagować ze związkami, utleniając obecne w nich pierwiastki. Dzieje się tak, gdy reaguje z glukozą, na przykład, wytwarzając wodę i dwutlenek węgla; lub gdy pali się drewno lub węglowodór.
Tlen może przyjmować elektrony poprzez całkowite lub częściowe przeniesienie, dlatego jest uważany za środek utleniający.
Najbardziej powszechny stopień lub stan utlenienia tlenu wynosi -2. Przy takim stopniu utlenienia występuje w wodzie (H.dwaO), dwutlenek siarki (SOdwa) i dwutlenek węgla (COdwa).
Również w związkach organicznych, takich jak aldehydy, alkohole, kwasy karboksylowe; powszechne kwasy, takie jak H.dwapołudniowy zachód4, H.dwaWSPÓŁ3, HNO3; i jego pochodne sole: Nadwapołudniowy zachód4, NadwaWSPÓŁ3 OK, nie3. We wszystkich można było założyć istnienie Odwa- (co nie jest prawdą w przypadku związków organicznych).
Tlen występuje jako Odwa- w strukturach krystalicznych tlenków metali.
Z drugiej strony w metalicznych ponadtlenkach, takich jak nadtlenek potasu (KOdwa), tlen jest jonem Odwa-. W nadtlenkach metali powiedzmy, że nadtlenek baru (BaOdwa), tlen występuje jako jon Odwadwa- (Badwa+LUBdwadwa-).
Tlen ma trzy stabilne izotopy: 16O, z obfitością 99,76%; the 17Lub 0,04%; i 18Lub z 0,20%. Zwróć uwagę, że 16Czy jest to zdecydowanie najbardziej stabilny i obfity izotop.
Tlen w stanie podstawowym to atom o konfiguracji elektronicznej:
[On] 2sdwa 2 P4
Zgodnie z teorią wiązań walencyjnych (TEV), dwa atomy tlenu są związane kowalencyjnie, tak że oba oddzielnie uzupełniają swój oktet walencyjny; oprócz tego, że jest w stanie sparować dwa samotne elektrony z orbitali 2p.
W ten sposób więc dwuatomowa cząsteczka tlenu Odwa (górne zdjęcie), które ma podwójne wiązanie (O = O). Jego stabilność energetyczna jest taka, że tlen nigdy nie występuje w postaci pojedynczych atomów w fazie gazowej, ale raczej w postaci cząsteczek..
Ponieważ Odwa jest homojądrowy, liniowy i symetryczny, brakuje mu stałego momentu dipolowego; dlatego ich intermolekularne interakcje zależą od ich masy cząsteczkowej i londyńskich sił rozpraszających. Siły te są stosunkowo słabe dla tlenu, co wyjaśnia, dlaczego w warunkach ziemskich jest on gazem..
Jednak gdy temperatura spada lub ciśnienie wzrasta, cząsteczki O.dwa są zmuszeni się zjednoczyć; do tego stopnia, że ich interakcje stają się znaczące i pozwalają na tworzenie ciekłego lub stałego tlenu. Aby spróbować zrozumieć je molekularnie, nie trzeba tracić z oczu Odwa jako jednostka strukturalna.
Tlen może przyjąć inne, znacznie stabilne struktury molekularne; to znaczy, występuje w naturze (lub w laboratorium) w różnych formach alotropowych. Ozon (dolne zdjęcie), O3, na przykład jest drugim najbardziej znanym alotropem tlenu.
TEV ponownie argumentuje, wyjaśnia i pokazuje, że w O3 muszą istnieć struktury rezonansowe, które stabilizują dodatni ładunek formalny tlenu w centrum (czerwone linie przerywane); podczas gdy tlenki na końcach bumerangu wydzielają ładunek ujemny, dzięki czemu całkowity ładunek dla ozonu jest neutralny.
W ten sposób wiązania nie są pojedyncze, ale też nie są podwójne. Przykłady hybryd rezonansowych są bardzo powszechne w wielu nieorganicznych cząsteczkach lub jonach.
Odwa mnie3, Ponieważ ich struktury molekularne są różne, to samo dotyczy ich właściwości fizycznych i chemicznych, faz ciekłych lub kryształów (nawet jeśli obie składają się z atomów tlenu). Teoretyzują, że prawdopodobna jest wielkoskalowa synteza cyklicznego ozonu, którego struktura przypomina czerwonawy i natleniony trójkąt..
To koniec „normalnych alotropów” tlenu. Należy jednak wziąć pod uwagę dwie inne: O4 mnie8, znalezione lub zaproponowane odpowiednio w ciekłym i stałym tlenie.
Gazowy tlen jest bezbarwny, ale gdy temperatura spadnie do -183 ºC, skrapla się w bladoniebieski płyn (podobny do jasnoniebieskiego). Interakcje między cząsteczkami O.dwa jest teraz taka, że nawet jej elektrony mogą absorbować fotony w czerwonym obszarze widma widzialnego, aby odzwierciedlić jego charakterystyczny niebieski kolor.
Jednak wysunięto teorię, że w tej cieczy jest więcej niż proste cząsteczki O.dwa, ale także cząsteczkę O4 (dolny obraz). Wygląda na to, że ozon został „zablokowany” przez inny atom tlenu, który w jakiś sposób przyczynia się do opisanego właśnie dodatniego ładunku formalnego..
Problem w tym, że zgodnie z symulacjami obliczeniowymi i molekularnymi wspomniana struktura O4 nie jest dokładnie stabilny; jednak przewidują, że istnieją jako jednostki (ORdwa)dwa, to znaczy dwie cząsteczki Odwa zbliżają się tak blisko, że tworzą rodzaj nieregularnej struktury (atomy O nie są ustawione naprzeciw siebie).
Gdy temperatura spadnie do -218,79 ºC, tlen krystalizuje w prostej strukturze sześciennej (faza γ). W miarę dalszego spadku temperatury kryształ sześcienny przechodzi przemiany w fazy β (romboedryczne i przy -229,35 ºC) i α (jednoskośne i przy -249,35 ºC).
Wszystkie te krystaliczne fazy stałego tlenu występują pod ciśnieniem otoczenia (1 atm). Gdy ciśnienie wzrośnie do 9 GPa (~ 9000 atm), pojawia się faza δ, której kryształy są pomarańczowe. Jeśli ciśnienie nadal rośnie do 10 GPa, pojawia się czerwony stały tlen lub faza ε (ponownie jednoskośna).
Faza ε jest szczególna, ponieważ ciśnienie jest tak ogromne, że cząsteczki O.dwa nie tylko przystosowane jako jednostki O.4, ale także O8:
Zauważ, że ten O8 składa się z dwóch jednostek O.4 gdzie widać nieregularną ramę już wyjaśnioną. Podobnie, ważne jest, aby uznać to za cztery Odwa ściśle wyrównane i w pozycji pionowej. Jednak jego stabilność pod tym ciśnieniem jest taka, że O4 mnie8 są dwoma dodatkowymi alotropami dla tlenu.
I wreszcie mamy fazę fazową, metaliczną (przy ciśnieniu powyżej 96 GPa), w której ciśnienie powoduje rozproszenie elektronów w krysztale; podobnie jak metale.
Tlen jest pod względem masy trzecim pierwiastkiem we Wszechświecie, po wodorze i helu. Jest to pierwiastek występujący najczęściej w skorupie ziemskiej, stanowiący około 50% jej masy. Występuje głównie w połączeniu z krzemem w postaci tlenku krzemu (SiOdwa).
Tlen występuje w niezliczonych minerałach, takich jak: kwarc, talk, skalenie, hematyt, miedziacyt, brukcyt, malachit, limonit itp. Podobnie znajduje się jako część wielu związków, takich jak węglany, fosforany, siarczany, azotany itp..
Tlen stanowi 20,8% objętości powietrza atmosferycznego. W troposferze występuje głównie jako dwuatomowa cząsteczka tlenu. Znajdując się w stratosferze, warstwie gazowej między 15 a 50 km od powierzchni Ziemi, występuje jako ozon.
Ozon jest wytwarzany przez wyładowanie elektryczne na cząsteczce O.dwa. Ten alotrop tlenu pochłania światło ultrafioletowe promieniowania słonecznego, blokując jego szkodliwe działanie na ludzi, co w skrajnych przypadkach wiąże się z pojawieniem się czerniaków..
Tlen jest głównym składnikiem wody morskiej i słodkiej z jezior, rzek i wód gruntowych. Tlen jest częścią wzoru chemicznego wody, stanowiąc 89% jej masy.
Z drugiej strony, chociaż rozpuszczalność tlenu w wodzie jest stosunkowo niska, to ilość rozpuszczonego w nim tlenu jest niezbędna dla organizmów wodnych, w tym wielu gatunków zwierząt i glonów..
Człowiek składa się w przybliżeniu z 60% wody i jednocześnie jest bogata w tlen. Ale dodatkowo tlen jest częścią wielu niezbędnych do życia związków, takich jak fosforany, węglany, kwasy karboksylowe, ketony itp..
Tlen jest również obecny w polisacharydach, lipidach, białkach i kwasach nukleinowych; czyli tak zwane makrocząsteczki biologiczne.
Wchodzi także w skład szkodliwych odpadów pochodzących z działalności człowieka, na przykład: tlenku i dwutlenku węgla, a także dwutlenku siarki..
Tlen jest wytwarzany podczas fotosyntezy, procesu, w którym fitoplankton morski i rośliny lądowe wykorzystują energię świetlną do reakcji dwutlenku węgla z wodą, tworząc glukozę i uwalniając tlen..
Szacuje się, że ponad 55% tlenu wytwarzanego w procesie fotosyntezy pochodzi z działania fitoplanktonu morskiego. Dlatego stanowi główne źródło wytwarzania tlenu na Ziemi i odpowiada za utrzymanie na niej życia..
Główną metodą wytwarzania tlenu w postaci przemysłowej jest metoda stworzona w 1895 roku niezależnie przez Karla Paula Gottfrieda Von Linde i Williama Hamsona. Ta metoda jest nadal używana z pewnymi modyfikacjami.
Proces rozpoczyna się od sprężenia powietrza w celu skroplenia pary wodnej, a tym samym jej wyeliminowania. Następnie powietrze jest przesiewane przez mieszaninę zeolitu i żelu krzemionkowego w celu usunięcia dwutlenku węgla, ciężkich węglowodorów i reszty wody..
Następnie składniki ciekłego powietrza są oddzielane na drodze destylacji frakcjonowanej, osiągając oddzielenie zawartych w nim gazów według ich różnych temperatur wrzenia. Tą metodą można uzyskać tlen o czystości 99%.
Tlen jest wytwarzany w wyniku elektrolizy wysoko oczyszczonej wody o przewodności elektrycznej nieprzekraczającej 1 µS / cm. Woda jest rozdzielana przez elektrolizę na jej składniki. Wodór jako kation przemieszcza się w kierunku katody (-); podczas gdy tlen przemieszcza się w kierunku anody (+).
Elektrody mają specjalną konstrukcję do zbierania gazów, a następnie do ich skraplania..
Rozkład termiczny takich związków jak tlenek rtęci i salpetre (azotan potasu) uwalnia tlen, który można zebrać do użytku. W tym celu stosuje się również nadtlenki.
Tlen jest wytwarzany przez fitoplankton i rośliny lądowe w procesie fotosyntezy. Przenika przez ścianę płuc i jest wchłaniana do krwi przez hemoglobinę, która transportuje ją do różnych narządów, aby później wykorzystać ją w metabolizmie komórkowym..
W tym procesie tlen jest wykorzystywany podczas metabolizmu węglowodanów, kwasów tłuszczowych i aminokwasów, aby ostatecznie wyprodukować dwutlenek węgla i energię..
Oddychanie można opisać w następujący sposób:
do6H.12LUB6 + LUBdwa => COdwa + H.dwaO + Energia
Glukoza jest metabolizowana w szeregu kolejnych procesów chemicznych, w tym w glikolizie, cyklu Krebsa, łańcuchu transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej. Ta seria zdarzeń wytwarza energię, która gromadzi się jako ATP (trifosforan adenozyny)..
ATP jest używany w różnych procesach w komórkach, w tym w transporcie jonów i innych substancji przez błonę plazmatyczną; jelitowe wchłanianie substancji; skurcz różnych komórek mięśniowych; metabolizm różnych cząsteczek itp..
Leukocyty i makrofagi polimorfojądrowe to komórki fagocytarne zdolne do wykorzystywania tlenu do produkcji jonów ponadtlenkowych, nadtlenku wodoru i tlenu singletowego, które są używane do niszczenia mikroorganizmów..
Wdychanie tlenu pod wysokim ciśnieniem może powodować nudności, zawroty głowy, skurcze mięśni, utratę wzroku, drgawki i utratę przytomności. Ponadto oddychanie czystym tlenem przez dłuższy czas powoduje podrażnienie płuc objawiające się kaszlem i dusznością..
Może być również przyczyną powstania obrzęku płuc: bardzo poważnego stanu, który ogranicza czynność oddechową..
Atmosfera o wysokim stężeniu tlenu może być niebezpieczna, ponieważ sprzyja rozwojowi pożarów i wybuchów.
Tlen podaje się pacjentom z niewydolnością oddechową; tak jest w przypadku pacjentów z zapaleniem płuc, obrzękiem płuc lub rozedmą. Nie mogliby oddychać tlenem z otoczenia, ponieważ byliby poważnie dotknięci.
Pacjenci z niewydolnością serca z nagromadzeniem płynu w pęcherzykach płucnych również potrzebują tlenu; podobnie jak pacjenci, którzy przeszli ciężki incydent naczyniowo-mózgowy (CVA).
Strażacy walczący z pożarem w środowisku o niedostatecznej wentylacji wymagają stosowania masek i butli z tlenem, które pozwolą im wypełniać swoje funkcje bez narażania życia..
Okręty podwodne są wyposażone w sprzęt do produkcji tlenu, który umożliwia żeglarzom przebywanie w zamkniętym środowisku i bez dostępu do powietrza atmosferycznego..
Nurkowie wykonują swoją pracę zanurzeni w wodzie, a tym samym odizolowani od powietrza atmosferycznego. Oddychają tlenem pompowanym rurkami podłączonymi do skafandra nurkowego lub butlami przymocowanymi do ciała nurka..
Astronauci wykonują swoje działania w środowiskach wyposażonych w generatory tlenu, które pozwalają na przetrwanie podczas podróży kosmicznych i na stacji kosmicznej.
Ponad 50% tlenu produkowanego przemysłowo jest zużywane podczas przemiany żelaza w stal. Strumień tlenu jest wtryskiwany do stopionego żelaza w celu usunięcia zawartej w nim siarki i węgla; reagują z wytworzeniem gazów SOdwa i COdwa, odpowiednio.
Acetylen jest używany w połączeniu z tlenem do cięcia blach, a także do produkcji ich lutu. Tlen jest również używany do produkcji szkła, zwiększając spalanie podczas wypalania szkła, aby poprawić jego przezroczystość..
Połączenie acetylenu i tlenu służy do spalania próbek różnego pochodzenia w spektrofotometrze absorpcji atomowej.
Podczas procedury wiązka światła z lampy pada na płomień, co jest charakterystyczne dla elementu, który ma być oznaczany ilościowo. Płomień pochłania światło z lampy, umożliwiając określenie ilościowe pierwiastka.
Jeszcze bez komentarzy