من بين جميع المواد الموجودة على الأرض ، هناك مكان خاص يحتله ما يوفر الحياة - غاز الأكسجين. إن وجودها هو الذي يجعل كوكبنا فريدًا من بين كل الآخرين ، وهو خاص. بفضل هذه المادة ، تعيش العديد من المخلوقات الجميلة في العالم: النباتات والحيوانات والبشر. الأكسجين مركب لا يمكن الاستغناء عنه على الإطلاق ، وهو مركب فريد ومهم للغاية. لذلك ، سنحاول معرفة ماهيته وما هي خصائصه.
الطريقة الأولى تستخدم بشكل خاص. بعد كل شيء ، يمكن إطلاق الكثير من هذا الغاز من الهواء. ومع ذلك ، لن تكون نظيفة تمامًا. إذا كانت هناك حاجة إلى منتج عالي الجودة ، يتم استخدام عمليات التحليل الكهربائي. المواد الخام لهذا إما الماء أو القلويات. يستخدم هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم لزيادة التوصيل الكهربائي للمحلول. بشكل عام ، يتم تقليل جوهر العملية إلى تحلل الماء.
الحصول عليها في المختبر
من بين الطرق المختبرية ، يتم استخدام طريقة المعالجة الحرارية على نطاق واسع:
- بيروكسيدات.
- أملاح الأحماض المحتوية على الأكسجين.
في درجات حرارة عالية ، تتحلل مع إطلاق الأكسجين الغازي. غالبًا ما يتم تحفيز العملية بواسطة أكسيد المنغنيز (IV). يجمعون الأكسجين عن طريق إزاحة الماء ، ويجدونها مع شظية مشتعلة. كما تعلم ، في جو الأكسجين ، يشتعل اللهب بشكل ساطع للغاية.
مادة أخرى تستخدم لإنتاج الأكسجين في فصول الكيمياء المدرسية هي بيروكسيد الهيدروجين. حتى المحلول بنسبة 3٪ تحت تأثير عامل حفاز يتحلل على الفور مع إطلاق غاز نقي. يحتاج فقط إلى أن يتم جمعها. المحفز هو نفسه - أكسيد المنغنيز MnO 2.
الأملاح الأكثر استخدامًا هي:
- ملح بيرثوليت ، أو كلورات البوتاسيوم ؛
- برمنجنات البوتاسيوم أو برمنجنات البوتاسيوم.
يمكن إعطاء معادلة لوصف العملية. يتم إطلاق الأكسجين بشكل كافٍ لاحتياجات المختبرات والبحوث:
2KClO 3 \ u003d 2KCl + 3O 2.
التعديلات المتآصلة للأكسجين
هناك تعديل مؤثر واحد يحتوي على الأكسجين. صيغة هذا المركب هي O 3 ، ويسمى الأوزون. هذا هو الغاز الذي يتشكل في الظروف الطبيعية عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية والصواعق على الأكسجين في الهواء. على عكس O 2 نفسه ، للأوزون رائحة طيبة من النضارة ، والتي تشعر بها في الهواء بعد المطر والبرق والرعد.
لا يكمن الاختلاف بين الأكسجين والأوزون في عدد الذرات في الجزيء فحسب ، بل يكمن أيضًا في بنية الشبكة البلورية. كيميائيا ، الأوزون هو عامل مؤكسد أقوى.
الأكسجين هو أحد مكونات الهواء
توزيع الأكسجين في الطبيعة واسع جدًا. يوجد الأكسجين في:
- الصخور والمعادن
- الملح والمياه العذبة.
- تربة؛
- الكائنات الحية النباتية والحيوانية؛
- الهواء ، بما في ذلك الغلاف الجوي العلوي.
من الواضح أن جميع قذائف الأرض تشغلها - الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الجوي والمحيط الحيوي. أهمية خاصة هو محتواها في تكوين الهواء. بعد كل شيء ، هذا هو العامل الذي يسمح لأشكال الحياة ، بما في ذلك البشر ، بالوجود على كوكبنا.
تكوين الهواء الذي نتنفسه غير متجانس للغاية. يتضمن كلاً من المكونات والمتغيرات الثابتة. الدائم والحاضر دائمًا هم:
- ثاني أكسيد الكربون؛
- الأكسجين.
- نتروجين؛
- غازات نبيلة.
تشمل المتغيرات بخار الماء وجزيئات الغبار والغازات الأجنبية (العادم ومنتجات الاحتراق والانحلال وغيرها) وحبوب اللقاح والبكتيريا والفطريات وغيرها.
أهمية الأكسجين في الطبيعة
من المهم جدًا مقدار الأكسجين الموجود في الطبيعة. بعد كل شيء ، من المعروف أنه تم العثور على كميات ضئيلة من هذا الغاز على بعض الأقمار الصناعية للكواكب الرئيسية (كوكب المشتري ، زحل) ، ولكن لا توجد حياة واضحة هناك. يحتوي كوكبنا على ما يكفي منه ، والذي ، إلى جانب الماء ، يجعل من الممكن وجود جميع الكائنات الحية.
بالإضافة إلى كونه مشاركًا نشطًا في التنفس ، يقوم الأكسجين أيضًا بإجراء تفاعلات أكسدة لا حصر لها ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الطاقة مدى الحياة.
الموردين الرئيسيين لهذا الغاز الفريد في الطبيعة هم النباتات الخضراء وبعض أنواع البكتيريا. بفضلهم ، يتم الحفاظ على توازن ثابت للأكسجين وثاني أكسيد الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، يبني الأوزون درعًا واقيًا على الأرض بأكملها ، مما لا يسمح باختراق كمية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية المدمرة.
فقط بعض أنواع الكائنات اللاهوائية (البكتيريا والفطريات) قادرة على العيش خارج جو الأكسجين. ومع ذلك ، هناك عدد أقل بكثير من أولئك الذين يحتاجون إليها حقًا.
استخدام الأكسجين والأوزون في الصناعة
المجالات الرئيسية لاستخدام التعديلات المتآصلة للأكسجين في الصناعة هي كما يلي.
- علم المعادن (لحام وقطع المعادن).
- الدواء.
- زراعة.
- كوقود للصواريخ.
- تخليق العديد من المركبات الكيميائية ، بما في ذلك المتفجرات.
- تنقية وتطهير المياه.
من الصعب تسمية عملية واحدة على الأقل لا يشارك فيها هذا الغاز العظيم ، وهو مادة فريدة ، الأكسجين.
يوجد 8 إلكترونات في ذرة الأكسجين ، بينما يوجد إلكترونان في المستوى الداخلي و 6 إلكترونات
في الخارج. لذلك ، في التفاعلات الكيميائية ، يمكن للأكسجين أن يقبل من المتبرعين ما يصل إلى إلكترونين ، ويكمل غلافه الخارجي حتى 8 إلكترونات ويشكل شحنة سالبة زائدة (أنظر أيضاهيكل الذرة) . الأكسجين الجزيئي. مثل معظم العناصر الأخرى ، لا تحتوي ذراتها على إلكترونات كافية لإكمال الغلاف الخارجي لـ 8 12 الإلكترونات ، يشكل الأكسجين جزيء ثنائي الذرة. هذه العملية تطلق الكثير من الطاقة~ 490 كيلو جول / مول) ، وبالتالي ، يجب إنفاق نفس كمية الطاقة للعملية العكسية لتفكك الجزيء إلى الذرات. رابطة قوية OO مرتفع جدًا لدرجة أنه عند 2300° مع 1٪ فقط من جزيئات الأكسجين تتفكك إلى ذرات. (من الجدير بالذكر أنه أثناء تكوين جزيء النيتروجين N 2 رابطة قوية NN أعلى ، ~ 710 كيلوجول / مول.) الهيكل الإلكتروني. في التركيب الإلكتروني لجزيء الأكسجين ، كما قد يتوقع المرء ، لا يتحقق توزيع الإلكترونات بمقدار ثماني بتات حول كل ذرة ، ولكن هناك إلكترونات غير مقترنة ، ويظهر الأكسجين خصائص نموذجية لمثل هذا الهيكل (على سبيل المثال ، يتفاعل مع مجال مغناطيسي ، كونه بارامغناطيس).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 كبيرة. من المحتمل أن تستمر معظم التفاعلات فقط بعد تفكك الأكسجين إلى ذرات ، ولا يحدث التفكك إلا في درجات حرارة عالية جدًا. ومع ذلك ، فإن المحفزات أو المواد الأخرى في نظام التفاعل يمكن أن تعزز التفكك O2 . من المعروف أن الفلزات القلوية (Li ، Na ، K) والأرض القلوية (Ca ، Sr ، Ba) تتفاعل مع الأكسجين الجزيئيمع تكوين البيروكسيدات:الاستلام والتطبيق. نظرًا لوجود الأكسجين الحر في الغلاف الجوي ، فإن الطريقة الأكثر فاعلية لاستخراجها هي تسييل الهواء ، ومنه الشوائب ، ثاني أكسيد الكربون. 2 والغبار وما إلى ذلك. الطرق الكيميائية والفيزيائية. تتضمن العملية الدورية الضغط والتبريد والتمدد ، مما يؤدي إلى تسييل الهواء. مع الارتفاع البطيء في درجة الحرارة (التقطير التجزيئي) ، يتبخر الهواء السائل الغازات النبيلة الأولى (أصعبها في التسييل) ، ثم يتبقى النيتروجين ، ويتبقى الأكسجين السائل. نتيجة لذلك ، يحتوي الأكسجين السائل على آثار من الغازات النبيلة ونسبة عالية نسبيًا من النيتروجين. بالنسبة للعديد من التطبيقات ، لا تتداخل هذه الشوائب. ومع ذلك ، للحصول على أكسجين عالي النقاء ، يجب تكرار عملية التقطير. (أنظر أيضاهواء). يتم تخزين الأكسجين في خزانات واسطوانات. يتم استخدامه بكميات كبيرة كمؤكسد للكيروسين وأنواع الوقود الأخرى في الصواريخ والمركبات الفضائية. تستخدم صناعة الصلب غاز الأكسجين لنفخ الحديد من خلال عملية بيسمر لإزالة الشوائب C و S و P بسرعة وكفاءة.إن انفجار الأكسجين ينتج الفولاذ بشكل أسرع وأفضل من الهواء. يستخدم الأكسجين أيضًا في لحام وقطع المعادن (لهب أوكسي أسيتيلين). يستخدم الأكسجين أيضًا في الطب ، على سبيل المثال ، لإثراء البيئة التنفسية للمرضى الذين يعانون من صعوبة في التنفس. يمكن الحصول على الأكسجين بطرق كيميائية مختلفة ، ويستخدم بعضها للحصول على كميات صغيرة من الأكسجين النقي في الممارسة المختبرية.التحليل الكهربائي. تتمثل إحدى طرق الحصول على الأكسجين في التحليل الكهربائي للماء الذي يحتوي على إضافات صغيرة من هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد الصوديوم 2 SO 4 كمحفز: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2 . في هذه الحالة ، تتشكل شوائب صغيرة من الهيدروجين. بمساعدة جهاز التفريغ ، يتم تحويل آثار الهيدروجين في خليط الغاز مرة أخرى إلى ماء ، حيث تتم إزالة أبخرته عن طريق التجميد أو الامتصاص.التفكك الحراري. طريقة معملية مهمة للحصول على الأكسجين ، اقترحها ج. بريستلي ، هي التحلل الحراري لأكاسيد المعادن الثقيلة: 2HgO® 2Hg + O 2 . لهذا ، ركز بريستلي أشعة الشمس على مسحوق أكسيد الزئبق. طريقة مخبرية معروفة هي أيضًا التفكك الحراري للأكسوسالت ، على سبيل المثال ، كلورات البوتاسيوم في وجود ثاني أكسيد المنغنيز المحفز:يُضاف ثاني أكسيد المنغنيز بكميات صغيرة قبل التكليس ، مما يجعل من الممكن الحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة ومعدل التفكك ، و MnO نفسه 2 لا يتغير أثناء العملية.تستخدم طرق التحلل الحراري للنترات أيضًا:
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 لتكوين BaO 2
يليه التحلل الحراري للبيروكسيد. تحتفظ طريقة التحلل الحراري بأهميتها 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 | |
| صلبة ، جم / سم 3 (عند رر) | 1,27 |
| السائل جم / سم 3 (عند ركيب) | 1,14 |
| غازي ، جم / دسم 3 (عند 0 درجة مئوية) | 1,429 |
| نسبة إلى الهواء | 1,105 |
| حرجة ، جم / سم 3 | 0,430 |
| درجة الحرارة الحرجة أ، ° С | –118,8 |
| الضغط الحرج أ ، أجهزة الصراف الآلي | 49,7 |
| الذوبان ، سم 3 / 100 مل مذيب | |
| في الماء (0 درجة مئوية) | 4,89 |
| في الماء (100 درجة مئوية) | 1,7 |
| في الكحول (25 درجة مئوية) | 2,78 |
| نصف القطر Å | 0,74 |
| تساهمية | 0,66 |
| أيوني (O 2–) | 1,40 |
| إمكانية التأين ، V | |
| الأول | 13,614 |
| ثانيا | 35,146 |
| كهرسلبية (إ = 4) | 3,5 |
| أ درجة الحرارة والضغط التي تكون عندها كثافة الغاز والسائل متساوية. | |
التركيب الإلكتروني للأكسجين (1s
2 2s 2 2p 4 ) أن الذرةا يقبل إلكترونين إلى المستوى الخارجي لتشكيل غلاف إلكترون خارجي مستقر ، مكونًا أيونًاس 2 . في أكاسيد الفلزات القلوية ، تتشكل روابط أيونية في الغالب. يمكن افتراض أن إلكترونات هذه المعادن تنجذب بالكامل تقريبًا إلى الأكسجين. في أكاسيد المعادن الأقل نشاطًا وغير الفلزية ، يكون انتقال الإلكترونات غير مكتمل ، وتكون كثافة الشحنة السالبة على الأكسجين أقل وضوحًا ، وبالتالي تكون الرابطة أقل أيونية أو تساهمية أكثر.عندما تتأكسد المعادن بالأكسجين ، يتم إطلاق الحرارة ، والتي يرتبط حجمها بقوة الرابطة MO . أثناء أكسدة بعض اللافلزات ، يتم امتصاص الحرارة ، مما يدل على ضعف روابطها مع الأكسجين. هذه الأكاسيد غير مستقرة حراريًا (أو أقل ثباتًا من الأكاسيد المترابطة أيونيًا) وغالبًا ما تكون شديدة التفاعل. يوضح الجدول للمقارنة قيم المحتوى الحراري لتكوين أكاسيد المعادن الأكثر شيوعًا ، والمعادن الانتقالية وغير الفلزية ، والعناصرأ و ب -مجموعات فرعية (علامة ناقص تعني إطلاق حرارة).| تفاعلات | المحتوى الحراري للتكوين ، كيلوجول / مول |
| 4Na + O 2 ® 2Na 2 O أ | |
| 2 ملغ + س 2 ® 2 مغ أ | |
| 4Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 | |
| Si + O 2 ® SiO 2 | |
| 4P + 5O 2 ® P 4 O 10 | |
| S + O 2 ® SO 2 | |
| 2Cl 2 + 7O 2 ® 2Cl 2 O 7 | |
| 2Hg + O 2 ® 2HgO | |
| 2 كر + 3 س 2 ® 2 كرون 3 | |
| 3Fe + 2O 2 ® Fe 3 O 4 | |
| أ في ظل الظروف العادية ، يفضل التعليم Na2O2. | |
1 - تتناقص نقاط انصهار أكاسيد الفلزات القلوية مع زيادة نصف القطر الذري للمعدن ؛ لذا،
t pl (Cs 2 O) t pl (Na 2 O) . الأكاسيد التي يغلب عليها الترابط الأيوني لها نقاط انصهار أعلى من نقاط انصهار الأكاسيد التساهمية: ر رر (نا 2 س)> ررر (SO 2). 2. أكاسيد الفلزات المتفاعلة (IAIIIA subgroups) أكثر ثباتًا حرارياً من أكاسيد الفلزات الانتقالية وغير الفلزية. أكاسيد المعادن الثقيلة في أعلى حالة أكسدة عند التفكك الحراري تشكل أكاسيدًا ذات حالات أكسدة منخفضة (على سبيل المثال ، 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0.5O 2 ® 2Hg 0 + O 2 ). يمكن أن تكون هذه الأكاسيد في حالات الأكسدة العالية مؤكسدات جيدة.3. تتفاعل أكثر المعادن نشاطًا مع الأكسجين الجزيئي عند درجات حرارة مرتفعة لتكوين البيروكسيدات: Sr + O 2 ® SrO 2. 4. تشكل أكاسيد المعادن النشطة محاليل عديمة اللون ، بينما تكون أكاسيد معظم المعادن الانتقالية ملونة وغير قابلة للذوبان عمليًا. تظهر المحاليل المائية لأكاسيد الفلزات خصائص أساسية وتحتوي على هيدروكسيداتأوه - تشكل المجموعات والأكاسيد غير المعدنية في المحاليل المائية أحماض تحتوي على أيونح +. 5. تشكل المعادن وغير الفلزات من المجموعات الفرعية A أكاسيدًا لها حالة أكسدة تقابل رقم المجموعة ، على سبيل المثال ، Na و Be و B شكل Na 1 2 O ، Be II O و B 2 III O 3 ، واللافلزات IVAVIIA من المجموعات الفرعية C ، N ، S ، Cl شكل CIV O 2، N V 2 O 5، S VI O 3، Cl VII 2 O 7. يرتبط رقم المجموعة لعنصر ما فقط بحالة الأكسدة القصوى ، حيث يمكن أيضًا استخدام الأكاسيد ذات حالات الأكسدة المنخفضة للعناصر. في عمليات احتراق المركبات ، تكون الأكاسيد منتجات نموذجية ، على سبيل المثال: 2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O المواد والهيدروكربونات المحتوية على الكربون ، عند تسخينها قليلاً ، تتأكسد (تحترق)ثاني أكسيد الكربون و H 2 O . ومن الأمثلة على هذه المواد وقود الخشب والزيت والكحول(وكذلك الكربون الفحم وفحم الكوك والفحم) . تُستخدم الحرارة الناتجة عن عملية الاحتراق لإنتاج البخار (ثم الكهرباء أو تذهب إلى محطات الطاقة) ، وكذلك لتدفئة المنازل. المعادلات النموذجية لعمليات الاحتراق هي:أ) الخشب (السليلوز):
(C6H10O5) ن + 6ن O2® 6نثاني أكسيد الكربون + 5 ن H2O + الطاقة الحراريةب) النفط أو الغاز (البنزين ج
8 ح 18 أو الغاز الطبيعي CH 4):2C 8 H 18 + 25O 2
® 16CO 2 + 18H 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 حراريةد) الكربون (الحجر أو الفحم ، فحم الكوك):
2C + O 2 ® 2CO + طاقة حرارية 2CO + O 2 ® 2CO 2 + طاقة حراريةيخضع أيضًا عدد من المركبات المحتوية على C- و H- و N- و O مع احتياطي طاقة مرتفع للاحتراق. يمكن استخدام الأكسجين للأكسدة ليس فقط من الغلاف الجوي (كما في التفاعلات السابقة) ، ولكن أيضًا من المادة نفسها. لبدء رد فعل ، يكفي تنشيط بسيط للتفاعل ، مثل ضربة أو اهتزاز. في هذه التفاعلات ، تكون الأكاسيد أيضًا نواتج احتراق ، لكنها كلها غازية وتتمدد بسرعة عند درجة حرارة نهائية عالية للعملية. لذلك ، هذه المواد قابلة للانفجار. من أمثلة المتفجرات ترينيتروجليسرين (أو النتروجليسرين) سي
3 H 5 (NO 3) 3 و trinitrotoluene (أو TNT) ج 7 H 5 (NO 2) 3. انظر أيضًا الأسلحة الكيميائية والبيولوجية.تتفاعل أكاسيد المعادن أو غير الفلزات ذات حالات الأكسدة المنخفضة لعنصر ما مع الأكسجين لتكوين أكاسيد ذات حالات أكسدة عالية لهذا العنصر:
الأكاسيد ، الطبيعية ، التي يتم الحصول عليها من الخامات أو المركبة ، تعمل كمواد خام لإنتاج العديد من المعادن المهمة ، على سبيل المثال ، الحديد من الحديد 2 O 3 (الهيماتيت) و Fe 3 O 4 (أكسيد الحديد الأسود) ، الألومنيوم من Al 2O3 (الألومينا) والمغنيسيوم من MgO (المغنيسيا). تستخدم أكاسيد الفلزات الخفيفة في الصناعة الكيميائية لإنتاج القلويات أو القواعد. بيروكسيد البوتاسيوم KO 2
يجد استخدامًا غير عادي ، لأنه في وجود الرطوبة ونتيجة للتفاعل معها ، فإنه يطلق الأكسجين. لذلك ، KO 2
تستخدم في أجهزة التنفس لإنتاج الأكسجين. الرطوبة من هواء الزفير تطلق الأكسجين في جهاز التنفس ، ويمتص KOH ثاني أكسيد الكربون 2
. الحصول على أكسيد CaO وهيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2
إنتاج على نطاق واسع في تكنولوجيا السيراميك والأسمنت.الماء (أكسيد الهيدروجين).
أهمية الماء H 2 يتطلب O في الممارسة المختبرية للتفاعلات الكيميائية وفي عمليات الحياة اهتمامًا خاصًا بهذه المادة (أنظر أيضاهيدروجين؛الماء والثلج والبخار). كما ذكرنا سابقًا ، في التفاعل المباشر للأكسجين والهيدروجين في ظل ظروف ، على سبيل المثال ، يحدث تفريغ شرارة وانفجار وتكوين الماء ، مع إطلاق 143 كيلو جول / (مول H 2 س). يحتوي جزيء الماء على هيكل رباعي السطوح تقريبًا ، والزاوية HOH هي 104° 30 . الروابط في الجزيء أيونية جزئيًا (30٪) وتساهمية جزئيًا ذات كثافة عالية من الشحنة السالبة للأكسجين ، وبالتالي ، شحنة موجبة للهيدروجين:
بسبب قوة الترابط العاليةح لا ينفصل الهيدروجين عن الأكسجين ويظهر الماء خواصًا حمضية ضعيفة جدًا. يتم تحديد العديد من خصائص المياه من خلال توزيع الرسوم. على سبيل المثال ، يشكل جزيء الماء هيدرات مع أيون معدني:يعطي الماء زوج إلكترون واحد للمقبول ، والذي يمكن أن يكون كذلكح +: ترتبط جزيئات الماء ببعضها البعض في مجاميع كبيرة ( H2O) x
روابط هيدروجينية ضعيفة (طاقة الرابطة~ 21 كيلو جول) 
يخضع الماء في مثل هذا النظام من الروابط الهيدروجينية للتفكك بدرجة منخفضة جدًا ، حيث يصل تركيزه إلى 10 7 مول / لتر. من الواضح أن انقسام الرابطة ، الموضح بين قوسين مربعين ، يؤدي إلى تكوين أيون الهيدروكسيدأوه وأيون الهيدرونيوم H 3 O +: 
بيروكسيد الهيدروجين.
مركب آخر يتكون فقط من الهيدروجين والأكسجين,
هو بيروكسيد الهيدروجين H2O2 . تم اعتماد اسم "بيروكسيد" للمركبات التي تحتوي على رابطة OO . يحتوي بيروكسيد الهيدروجين على هيكل سلسلة منحنية بشكل غير متماثل:ينتج بيروكسيد الهيدروجين عن طريق تفاعل بيروكسيد المعدن مع الحمض BaO 2 + H 2 SO 4 ® BaSO 4 + H 2 O 2 أو تحلل حمض البيروكسوديسولفوريك H2S2O8 ، والتي يتم الحصول عليها كهربائيا:
محلول H2O2 يمكن الحصول عليها بطرق التقطير الخاصة. يستخدم بيروكسيد الهيدروجين كعامل مؤكسد في محركات الصواريخ. تعمل محاليل البيروكسيد المخففة كمطهرات ومبيضات ومؤكسدات خفيفة. H2O2 يضاف إلى العديد من الأحماض والأكاسيد لإنتاج مركبات مماثلة للهيدرات. في وجود عامل مؤكسد قوي (مثل MnO 2 أو MnO 4) H 2 O 2 يتأكسد ويطلق الأكسجين والماء.Oxoanions و oxocations
الجسيمات المحتوية على الأكسجين مع شحنة سالبة متبقية (oxoanions) أو شحنة موجبة متبقية (oxocations). وهوس 2 لديه تقارب كبير(تفاعل عالي) مع الجسيمات المشحونة إيجابياً مثلح + . أبسط ممثل للأكسونات المستقرة هو أيون الهيدروكسيدأوه . هذا ما يفسر عدم استقرار الذرات ذات الكثافة العالية من الشحنة وتثبيتها الجزئية نتيجة إضافة جسيم بشحنة موجبة. لذلك ، تحت تأثير المعدن النشط (أو أكسيده) على الماء ،أوه ، وليس O 2: ® 2Na + + 2OH + H 2 أو ® 2Na + + 2OH تتشكل الأكسونات الأكثر تعقيدًا من الأكسجين مع أيون معدني أو جسيم غير معدني له شحنة موجبة كبيرة ، مما ينتج عنه جسيم منخفض الشحنة يكون أكثر استقرارًا ، على سبيل المثال:
الأوزون. بالإضافة إلى الأكسجين الذريا وجزيء ثنائي الذرة O2 هناك شكل ثالث من أوزون الأكسجين O 3 تحتوي على ثلاثة ذرات الأكسجين. جميع الأشكال الثلاثة هي تعديلات متآصلة. يتكون الأوزون من خلال تمرير تفريغ كهربائي هادئ عبر الأكسجين الجاف: 3O 22O3. ينتج هذا نسبة قليلة من الأوزون. يتم تحفيز التفاعل بواسطة أيونات معدنية. للأوزون رائحة نفاذة نفاذة يمكن العثور عليها بالقرب من الآلات الكهربائية العاملة أو بالقرب من التفريغ الكهربائي في الغلاف الجوي. لون الغاز مزرق ويتكثف عند 112°
C في سائل أزرق غامق ، وعند 193°
C ، يتم تشكيل مرحلة صلبة أرجوانية داكنة. الأوزون السائل قابل للذوبان بشكل طفيف في الأكسجين السائل ، وفي 100 غرام من الماء عند الصفر°
C يذوب 49 سم 3O3 . من حيث الخصائص الكيميائية ، يكون الأوزون أكثر نشاطًا من الأكسجين ومن حيث خصائص الأكسدة يأتي في المرتبة الثانية بعد O ، F 2 و 2 (ثنائي فلوريد الأكسجين). تنتج الأكسدة الطبيعية الأكسيد والأكسجين الجزيئي O2 . تحت تأثير الأوزون على المعادن النشطة في ظل ظروف خاصة ، أوزونيدات التكوين K + O 3 . يتم الحصول على الأوزون في الصناعة لأغراض خاصة ، فهو مطهر جيد ويستخدم لتنقية المياه وكمبيض ، ويحسن حالة الغلاف الجوي في الأنظمة المغلقة ، ويطهر الأشياء والمواد الغذائية ، ويسرع نضج الحبوب والفواكه. في المختبر الكيميائي ، غالبًا ما يستخدم جهاز الأوزون لإنتاج الأوزون ، وهو ضروري لبعض طرق التحليل الكيميائي والتوليف. يتم تدمير المطاط بسهولة حتى تحت تأثير تركيزات منخفضة من الأوزون. في بعض المدن الصناعية ، يؤدي التركيز الكبير للأوزون في الهواء إلى تدهور سريع لمنتجات المطاط إذا لم تكن محمية بمضادات الأكسدة. الأوزون شديد السمية. استنشاق الهواء المستمر حتى مع تركيزات منخفضة جدًا من الأوزون يسبب الصداع والغثيان وغيرها من الظروف غير السارة.المؤلفات Razumovsky S.D. الأشكال والخصائص الأولية للأكسجين. م ، 1979الخصائص الديناميكية الحرارية للأكسجين. م ، 1981
محتوى المقال
أوكسجين ، O (الأكسجين) ، عنصر كيميائي من مجموعة VIA الفرعية للجدول الدوري للعناصر: O ، S ، Se ، Te ، Po ، هو عضو في عائلة الكالكوجين. هذا هو العنصر الأكثر شيوعًا في الطبيعة ، محتواه في الغلاف الجوي للأرض هو 21٪ (حجم) ، في قشرة الأرض على شكل مركبات تقريبًا. 50٪ (وزن) وفي الغلاف المائي 88.8٪ (وزن).
الأكسجين ضروري للحياة على الأرض: فالحيوانات والنباتات تستهلك الأكسجين من خلال التنفس ، والنباتات تطلق الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي. تحتوي المادة الحية على أكسجين مرتبط ليس فقط في سوائل الجسم (خلايا الدم ، إلخ) ، ولكن أيضًا في الكربوهيدرات (السكر والسليلوز والنشا والجليكوجين) والدهون والبروتينات. يتكون الطين والصخور من السيليكات وغيرها من المركبات غير العضوية المحتوية على الأكسجين ، مثل الأكاسيد والهيدروكسيدات والكربونات والكبريتات والنترات.
مرجع التاريخ.
أصبحت المعلومات الأولى عن الأكسجين معروفة في أوروبا من المخطوطات الصينية في القرن الثامن. في بداية القرن السادس عشر نشر ليوناردو دافنشي البيانات المتعلقة بكيمياء الأكسجين ، ولم يكن يعرف بعد أن الأكسجين عنصر. تم وصف تفاعلات إضافة الأكسجين في الأعمال العلمية لـ S. Gales (1731) و P. Bayen (1774). تستحق دراسات K. Scheele في 1771-1773 تفاعل المعادن والفوسفور مع الأكسجين اهتمامًا خاصًا. ذكر ج. بريستلي اكتشاف الأكسجين كعنصر في عام 1774 ، بعد بضعة أشهر من تقرير باين عن التفاعلات مع الهواء. أُطلق على هذا العنصر اسم الأكسجين ("الأكسجين") بعد وقت قصير من اكتشاف بريستلي ، وهو مشتق من الكلمات اليونانية التي تعني "إنتاج الأحماض" ؛ هذا بسبب الاعتقاد الخاطئ بأن الأكسجين موجود في جميع الأحماض. ومع ذلك ، فإن تفسير دور الأكسجين في عمليات التنفس والاحتراق ينتمي إلى A. Lavoisier (1777).
هيكل الذرة.
تحتوي أي ذرة أكسجين طبيعية على 8 بروتونات في النواة ، ولكن يمكن أن يكون عدد النيوترونات 8 أو 9 أو 10. أكثر نظائر الأكسجين الثلاثة شيوعًا (99.76٪) هي 16 8 O (8 بروتونات و 8 نيوترونات). محتوى نظير آخر ، 18 8 O (8 بروتونات و 10 نيوترونات) ، هو 0.2٪ فقط. يستخدم هذا النظير كعلامة أو لتحديد جزيئات معينة ، وكذلك للدراسات البيوكيميائية والطبية والكيميائية (طريقة لدراسة الآثار غير المشعة). النظير الثالث للأكسجين غير المشع 17 8 O (0.04٪) يحتوي على 9 نيوترونات وله عدد كتلي 17. بعد أن وافقت اللجنة الدولية على كتلة نظير الكربون 12 6 C ككتلة ذرية معيارية في عام 1961 ، أصبح المتوسط المرجح للكتلة الذرية للأكسجين 15 ، 9994. حتى عام 1961 ، اعتبر الكيميائيون أن الوحدة القياسية للكتلة الذرية هي الكتلة الذرية للأكسجين ، والتي افترض أنها 16000 لمزيج من ثلاثة نظائر أكسجين طبيعية. أخذ الفيزيائيون العدد الكتلي لنظير الأكسجين 16 8 O كوحدة قياسية للكتلة الذرية ، لذلك ، وفقًا للمقياس الفيزيائي ، كان متوسط الكتلة الذرية للأكسجين 16.0044.
توجد 8 إلكترونات في ذرة الأكسجين ، مع إلكترونان في المستوى الداخلي و 6 إلكترونات في المستوى الخارجي. لذلك ، في التفاعلات الكيميائية ، يمكن للأكسجين أن يقبل من المتبرعين ما يصل إلى إلكترونين ، ويكمل غلافه الخارجي حتى 8 إلكترونات ويشكل شحنة سالبة زائدة.
الأكسجين الجزيئي.
مثل معظم العناصر الأخرى ، التي تفتقر ذراتها إلى 1-2 إلكترونات لإكمال الغلاف الخارجي لثمانية إلكترونات ، يشكل الأكسجين جزيء ثنائي الذرة. تُطلق هذه العملية الكثير من الطاقة (حوالي 490 كيلوجول / مول) ، وبالتالي ، يجب إنفاق نفس كمية الطاقة للعملية العكسية لتفكك الجزيء في الذرات. قوة رابطة O - O عالية جدًا لدرجة أنه عند درجة حرارة 2300 درجة مئوية ، تنفصل 1 ٪ فقط من جزيئات الأكسجين إلى ذرات. (من الجدير بالذكر أنه في تكوين جزيء النيتروجين N 2 تكون قوة الرابطة N-N أعلى ، حوالي 710 كيلو جول / مول.)
الهيكل الإلكتروني.
في التركيب الإلكتروني لجزيء الأكسجين ، كما قد يتوقع المرء ، لا يتحقق توزيع الإلكترونات بمقدار ثماني بتات حول كل ذرة ، ولكن هناك إلكترونات غير مقترنة ، ويظهر الأكسجين خصائص نموذجية لمثل هذا الهيكل (على سبيل المثال ، يتفاعل مع مجال مغناطيسي ، كونه بارامغناطيس).
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 كبيرة. من المحتمل أن تستمر معظم التفاعلات فقط بعد تفكك الأكسجين إلى ذرات ، ولا يحدث التفكك إلا في درجات حرارة عالية جدًا. ومع ذلك ، فإن المحفزات أو المواد الأخرى في نظام التفاعل يمكن أن تعزز تفكك O 2. من المعروف أن الفلزات القلوية (Li ، Na ، K) والأرض القلوية (Ca ، Sr ، Ba) تتفاعل مع الأكسجين الجزيئي لتكوين البيروكسيدات:
الاستلام والتطبيق.
نظرًا لوجود الأكسجين الحر في الغلاف الجوي ، فإن الطريقة الأكثر فاعلية لاستخراجها هي تسييل 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 الارتفاع البطيء في درجة الحرارة (التقطير التجزيئي) ، يتبخر الهواء السائل الغازات النبيلة الأولى (أصعبها في التسييل) ، ثم يتبقى النيتروجين ، ويتبقى الأكسجين السائل. نتيجة لذلك ، يحتوي الأكسجين السائل على آثار من الغازات النبيلة ونسبة عالية نسبيًا من النيتروجين. بالنسبة للعديد من التطبيقات ، لا تتداخل هذه الشوائب. ومع ذلك ، للحصول على أكسجين عالي النقاء ، يجب تكرار عملية التقطير. يتم تخزين الأكسجين في خزانات واسطوانات. يتم استخدامه بكميات كبيرة كمؤكسد للكيروسين وأنواع الوقود الأخرى في الصواريخ والمركبات الفضائية. تستخدم صناعة الصلب غاز الأكسجين لنفخ الحديد من خلال عملية بيسمر لإزالة الشوائب C و S و P بسرعة وكفاءة.إن انفجار الأكسجين ينتج الفولاذ بشكل أسرع وأفضل من الهواء. يستخدم الأكسجين أيضًا في لحام وقطع المعادن (لهب أوكسي أسيتيلين). يستخدم الأكسجين أيضًا في الطب ، على سبيل المثال ، لإثراء البيئة التنفسية للمرضى الذين يعانون من صعوبة في التنفس. يمكن الحصول على الأكسجين بطرق كيميائية مختلفة ، ويستخدم بعضها للحصول على كميات صغيرة من الأكسجين النقي في الممارسة المختبرية.
التحليل الكهربائي.
تتمثل إحدى طرق الحصول على الأكسجين في التحليل الكهربائي للماء الذي يحتوي على إضافات صغيرة من NaOH أو H 2 SO 4 كمحفز: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2. في هذه الحالة ، تتشكل شوائب صغيرة من الهيدروجين. بمساعدة جهاز التفريغ ، يتم تحويل آثار الهيدروجين في خليط الغاز مرة أخرى إلى ماء ، حيث تتم إزالة أبخرته عن طريق التجميد أو الامتصاص.
التفكك الحراري.
طريقة معملية مهمة للحصول على الأكسجين ، اقترحها J. Priestley ، هي التحلل الحراري لأكاسيد المعادن الثقيلة: 2HgO ® 2Hg + O 2. لهذا ، ركز بريستلي أشعة الشمس على مسحوق أكسيد الزئبق. من الطرق المختبرية المعروفة أيضًا التفكك الحراري للأكسوسالت ، على سبيل المثال ، كلورات البوتاسيوم في وجود محفز - ثاني أكسيد المنغنيز:
يسمح ثنائي أكسيد المنغنيز ، المضاف بكميات صغيرة قبل التكليس ، بالحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة ومعدل التفكك ، ولا يتغير MnO 2 نفسه أثناء العملية.
تستخدم طرق التحلل الحراري للنترات أيضًا:
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 وتألفت من تسخين BaO في الهواء حتى تشكل BaO 2 ، متبوعًا بالتحلل الحراري للبيروكسيد. تحتفظ طريقة التحلل الحراري بأهميتها 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 | |
| صلبة ، جم / سم 3 (عند رر) | 1,27 |
| السائل جم / سم 3 (عند ركيب) | 1,14 |
| غازي ، g / dm 3 (عند 0 درجة مئوية) | 1,429 |
| نسبة إلى الهواء | 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 ، سم 3/100 مل من المذيب | |
| في الماء (0 درجة مئوية) | 4,89 |
| في الماء (100 درجة مئوية) | 1,7 |
| في الكحول (25 درجة مئوية) | 2,78 |
| نصف القطر Å | 0,74 |
| تساهمية | 0,66 |
| أيوني (O 2–) | 1,40 |
| إمكانية التأين ، V | |
| الأول | 13,614 |
| ثانيا | 35,146 |
| الكهربية (F = 4) | 3,5 |
| (أ) درجة الحرارة والضغط التي تكون عندها كثافة الغاز والسائل متساوية. | |
الخصائص الفيزيائية.
الأكسجين في الظروف العادية غاز عديم اللون والرائحة والمذاق. الأكسجين السائل له لون أزرق باهت. يوجد الأكسجين الصلب في ثلاثة تعديلات بلورية على الأقل. الأكسجين الغازي قابل للذوبان في الماء وربما يشكل مركبات غير مستقرة مثل O 2 H H 2 O ، وربما O 2 H 2H 2 O.
الخواص الكيميائية.
كما ذكرنا سابقًا ، يتم تحديد النشاط الكيميائي للأكسجين من خلال قدرته على الانفصال إلى ذرات O ، والتي تكون شديدة التفاعل. تتفاعل المعادن والمعادن الأكثر نشاطًا فقط مع O 2 بمعدل مرتفع عند درجات حرارة منخفضة. الأكثر نشاطًا القلوي (المجموعات الفرعية IA) وبعض الفلزات القلوية (مجموعات فرعية IIA) تشكل بيروكسيدات مثل NaO 2 و BaO 2 مع O 2. العناصر والمركبات الأخرى تتفاعل فقط مع منتج التفكك O 2. في ظل ظروف مناسبة ، تتفاعل جميع العناصر ، باستثناء الغازات النبيلة والمعادن Pt و Ag و Au مع الأكسجين. تشكل هذه المعادن أيضًا أكاسيدًا ، ولكن في ظل ظروف خاصة.
التركيب الإلكتروني للأكسجين (1s 2 2s 2 2p 4) هو أن ذرة O تقبل إلكترونين إلى المستوى الخارجي لتشكيل غلاف إلكترون خارجي ثابت ، مكونًا O 2-ion. في أكاسيد الفلزات القلوية ، تتشكل روابط أيونية في الغالب. يمكن افتراض أن إلكترونات هذه المعادن تنجذب بالكامل تقريبًا إلى الأكسجين. في أكاسيد المعادن الأقل نشاطًا وغير الفلزية ، يكون انتقال الإلكترونات غير مكتمل ، وتكون كثافة الشحنة السالبة على الأكسجين أقل وضوحًا ، وبالتالي تكون الرابطة أقل أيونية أو تساهمية أكثر.
أثناء أكسدة المعادن بالأكسجين ، يتم إطلاق الحرارة ، والتي يرتبط حجمها بقوة رابطة M-O. أثناء أكسدة بعض اللافلزات ، يتم امتصاص الحرارة ، مما يدل على ضعف روابطها مع الأكسجين. هذه الأكاسيد غير مستقرة حراريًا (أو أقل ثباتًا من الأكاسيد المترابطة أيونيًا) وغالبًا ما تكون شديدة التفاعل. يوضح الجدول للمقارنة قيم المحتوى الحراري لتكوين أكاسيد المعادن الأكثر شيوعًا ، والمعادن الانتقالية وغير الفلزية ، وعناصر المجموعتين الفرعيتين A و B (علامة الطرح تعني إطلاق الحرارة).
يمكن استخلاص عدة استنتاجات عامة حول خصائص الأكاسيد:
1 - تتناقص نقاط انصهار أكاسيد الفلزات القلوية مع زيادة نصف القطر الذري للمعدن ؛ لذا، ر pl (Cs 2 O) t pl (Na 2 O). الأكاسيد التي يغلب عليها الترابط الأيوني لها نقاط انصهار أعلى من نقاط انصهار الأكاسيد التساهمية: ررر (Na 2 O)> ررر (SO 2).
2. أكاسيد الفلزات التفاعلية (IA – IIIA subgroups) أكثر استقرارًا من الناحية الحرارية من أكاسيد الفلزات الانتقالية واللافلزات. أكاسيد المعادن الثقيلة في أعلى حالة أكسدة أثناء التفكك الحراري تشكل أكاسيدًا ذات حالات أكسدة منخفضة (على سبيل المثال ، 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0.5O 2 ® 2Hg 0 + O 2). يمكن أن تكون هذه الأكاسيد في حالات الأكسدة العالية مؤكسدات جيدة.
3. تتفاعل أكثر المعادن نشاطًا مع الأكسجين الجزيئي عند درجات حرارة مرتفعة لتكوين البيروكسيدات:
Sr + O 2 ® SrO 2.
4. تشكل أكاسيد المعادن النشطة محاليل عديمة اللون ، بينما تكون أكاسيد معظم المعادن الانتقالية ملونة وغير قابلة للذوبان عمليًا. تظهر المحاليل المائية لأكاسيد المعادن الخصائص الأساسية وهي هيدروكسيدات تحتوي على مجموعات OH ، بينما تشكل الأكاسيد غير المعدنية في المحاليل المائية أحماض تحتوي على أيون H +.
5. تشكل المعادن وغير الفلزات الخاصة بالمجموعات الفرعية A أكاسيدًا لها حالة أكسدة تقابل رقم المجموعة ، على سبيل المثال ، Na و Be و B على شكل Na 1 2 O و Be II O و B 2 III O 3 وغير- المعادن IVA-VIIA من المجموعات الفرعية C ، N ، S ، Cl شكل C IV O 2 ، N V 2 O 5 ، S VI O 3 ، Cl VII 2 O 7. يرتبط رقم المجموعة لعنصر ما فقط بحالة الأكسدة القصوى ، حيث يمكن أيضًا استخدام الأكاسيد ذات حالات الأكسدة المنخفضة للعناصر. في عمليات احتراق المركبات ، تكون الأكاسيد منتجات نموذجية ، على سبيل المثال:
2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O
المواد المحتوية على الكربون والهيدروكربونات تتأكسد (تحترق) إلى CO 2 و H 2 O عند تسخينها قليلاً. ومن أمثلة هذه المواد الوقود - الخشب والزيت والكحول (وكذلك الكربون - الفحم ، فحم الكوك والفحم). تُستخدم الحرارة الناتجة عن عملية الاحتراق لإنتاج البخار (ثم الكهرباء أو تذهب إلى محطات الطاقة) ، وكذلك لتدفئة المنازل. المعادلات النموذجية لعمليات الاحتراق هي:
أ) الخشب (السليلوز):
(C6H10O5) ن + 6نيا 2 ® 6 نثاني أكسيد الكربون + 5 ن H 2 O + طاقة حرارية
ب) النفط أو الغاز (بنزين C 8 H 18 أو غاز طبيعي CH 4):
2C 8 H 18 + 25O 2 ® 16CO 2 + 18H 2 O + طاقة حرارية
CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + طاقة حرارية
C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + طاقة حرارية
د) الكربون (الحجر أو الفحم ، فحم الكوك):
2C + O 2 ® 2CO + طاقة حرارية
2CO + O 2 ® 2CO 2 + طاقة حرارية
يخضع أيضًا عدد من المركبات المحتوية على C- و H- و N- و O مع احتياطي طاقة مرتفع للاحتراق. يمكن استخدام الأكسجين للأكسدة ليس فقط من الغلاف الجوي (كما في التفاعلات السابقة) ، ولكن أيضًا من المادة نفسها. لبدء رد فعل ، يكفي تنشيط بسيط للتفاعل ، مثل ضربة أو اهتزاز. في هذه التفاعلات ، تكون الأكاسيد أيضًا نواتج احتراق ، لكنها كلها غازية وتتمدد بسرعة عند درجة حرارة نهائية عالية للعملية. لذلك ، هذه المواد قابلة للانفجار. من أمثلة المتفجرات ثلاثي النتروجليسرين (أو النتروجليسرين) C 3 H 5 (NO 3) 3 و trinitrotoluene (أو TNT) C 7 H 5 (NO 2) 3.
تتفاعل أكاسيد المعادن أو غير الفلزات ذات حالات الأكسدة المنخفضة لعنصر ما مع الأكسجين لتكوين أكاسيد ذات حالات أكسدة عالية لهذا العنصر:
تعمل الأكاسيد الطبيعية ، التي يتم الحصول عليها من الخامات أو المركبة ، كمواد خام لإنتاج العديد من المعادن المهمة ، على سبيل المثال ، الحديد من Fe 2 O 3 (الهيماتيت) و Fe 3 O 4 (أكسيد الحديد الأسود) ، والألمنيوم من Al 2 O 3 (الألومينا) ) والمغنيسيوم من MgO (المغنيسيا). تستخدم أكاسيد الفلزات الخفيفة في الصناعة الكيميائية لإنتاج القلويات أو القواعد. يجد بيروكسيد البوتاسيوم KO 2 استخدامًا غير عادي ، لأنه في وجود الرطوبة ونتيجة للتفاعل معها ، فإنه يطلق الأكسجين. لذلك ، يستخدم KO 2 في أجهزة التنفس لإنتاج الأكسجين. الرطوبة من هواء الزفير تطلق الأكسجين في جهاز التنفس ، ويمتص KOH ثاني أكسيد الكربون. يعتبر إنتاج أكسيد الكالسيوم وهيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2 إنتاجًا واسع النطاق في تكنولوجيا السيراميك والأسمنت.
الماء (أكسيد الهيدروجين).
تتطلب أهمية الماء H 2 O في كل من الممارسة المختبرية للتفاعلات الكيميائية وفي عمليات الحياة اهتمامًا خاصًا بهذه المادة WATER و ICE و STEAM). كما ذكرنا سابقًا ، في التفاعل المباشر للأكسجين والهيدروجين في ظل ظروف ، على سبيل المثال ، يحدث تفريغ شرارة ، يحدث انفجار وتكوين الماء ، مع إطلاق 143 كيلو جول / (مول H 2 O).
يحتوي جزيء الماء على هيكل رباعي السطوح تقريبًا ، حيث تبلغ زاوية H – O – H 104 ° 30 °. الروابط في الجزيء أيونية جزئيًا (30٪) وتساهمية جزئيًا ذات كثافة عالية من الشحنة السالبة للأكسجين ، وبالتالي ، شحنة موجبة للهيدروجين:
بسبب القوة العالية لروابط الهيدروجين ، بالكاد ينفصل الهيدروجين عن الأكسجين ، ويظهر الماء خصائص حمضية ضعيفة للغاية. يتم تحديد العديد من خصائص المياه من خلال توزيع الرسوم. على سبيل المثال ، يشكل جزيء الماء هيدرات مع أيون معدني:
يعطي الماء زوج إلكترون واحد لمقبل ، والذي يمكن أن يكون H +:
Oxoanions و oxocations
- الجسيمات المحتوية على الأكسجين التي تحتوي على شحنة سالبة متبقية (oxoanions) أو شحنة موجبة متبقية (oxocations). O 2 - أيون له تقارب عالي (تفاعل عالي) للجسيمات المشحونة إيجابياً من النوع H +. أبسط ممثل للأكسونات المستقرة هو أيون الهيدروكسيد OH -. هذا ما يفسر عدم استقرار الذرات ذات الكثافة العالية من الشحنة وتثبيتها الجزئية نتيجة إضافة جسيم بشحنة موجبة. لذلك ، عندما يعمل المعدن النشط (أو أكسيده) على الماء ، يتشكل OH وليس O 2 -:
2Na + 2H 2 O ® 2Na + + 2OH - + H 2
Na 2 O + H 2 O ® 2Na + + 2OH -
تتشكل الأكسونات الأكثر تعقيدًا من الأكسجين مع أيون معدني أو جسيم غير معدني له شحنة موجبة كبيرة ، مما ينتج عنه جسيم منخفض الشحنة يكون أكثر استقرارًا ، على سبيل المثال:
درجة مئوية تتكون مادة صلبة أرجوانية داكنة. الأوزون السائل قابل للذوبان بشكل طفيف في الأكسجين السائل ، و 49 سم 3 O 3 يذوب في 100 غرام من الماء عند 0 درجة مئوية. من حيث الخصائص الكيميائية ، يعتبر الأوزون أكثر نشاطًا من الأكسجين ، ومن حيث خصائص الأكسدة فهو في المرتبة الثانية بعد O و F 2 و OF 2 (ثنائي فلوريد الأكسجين). تنتج الأكسدة الطبيعية أكسيد وأكسجين جزيئي O 2. تحت تأثير الأوزون على المعادن النشطة في ظل ظروف خاصة ، تتشكل أوزونيدات التركيبة K + O 3. يتم الحصول على الأوزون في الصناعة لأغراض خاصة ، فهو مطهر جيد ويستخدم لتنقية المياه وكمبيض ، ويحسن حالة الغلاف الجوي في الأنظمة المغلقة ، ويطهر الأشياء والمواد الغذائية ، ويسرع نضج الحبوب والفواكه. في المختبر الكيميائي ، غالبًا ما يستخدم جهاز الأوزون لإنتاج الأوزون ، وهو ضروري لبعض طرق التحليل الكيميائي والتوليف. يتم تدمير المطاط بسهولة حتى تحت تأثير تركيزات منخفضة من الأوزون. في بعض المدن الصناعية ، يؤدي التركيز الكبير للأوزون في الهواء إلى تدهور سريع لمنتجات المطاط إذا لم تكن محمية بمضادات الأكسدة. الأوزون شديد السمية. استنشاق الهواء المستمر حتى مع تركيزات منخفضة جدًا من الأوزون يسبب الصداع والغثيان وغيرها من الظروف غير السارة.الأكسجين هو عنصر من المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة السادسة ، الفترة الثانية من النظام الدوري للعناصر الكيميائية ، برقم ذري 8. ويشار إليه بالرمز O (الأوكسجين اللاتيني). الأكسجين هو مادة غير معدنية تفاعلية وهو أخف عنصر في مجموعة الكالكوجين. مادة الأكسجين البسيطة (رقم سجل المستخلصات الكيميائية: 7782-44-7) في الظروف العادية هي غاز عديم اللون ، عديم الطعم والرائحة ، يتكون جزيءه من ذرتين من الأكسجين (الصيغة O 2) ، وبالتالي يُسمى أيضًا ثنائي الأوكسجين. الأكسجين السائل له لون أزرق فاتح ، والأكسجين الصلب عبارة عن بلورات زرقاء فاتحة.
هناك أشكال أخرى متآصلة من الأكسجين ، على سبيل المثال ، الأوزون (رقم CAS: 10028-15-6) - في ظل الظروف العادية ، غاز أزرق برائحة معينة ، يتكون جزيءه من ثلاث ذرات أكسجين (الصيغة O 3).
تاريخ الاكتشاف
يُعتقد رسميًا أن الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي اكتشف الأكسجين في 1 أغسطس 1774 عن طريق تحلل أكسيد الزئبق في وعاء مغلق بإحكام (وجه بريستلي أشعة الشمس إلى هذا المركب باستخدام عدسة قوية).
2HgO (t) → 2Hg + O 2
ومع ذلك ، لم يدرك بريستلي في البداية أنه اكتشف مادة بسيطة جديدة ، فقد اعتقد أنه عزل أحد الأجزاء المكونة للهواء (وأطلق على هذا الغاز اسم "الهواء المتطور"). أبلغ بريستلي الكيميائي الفرنسي البارز أنطوان لافوازييه باكتشافه. في عام 1775 ، أثبت A. Lavoisier أن الأكسجين جزء لا يتجزأ من الهواء والأحماض ويوجد في العديد من المواد.
قبل بضع سنوات (عام 1771) حصل الكيميائي السويدي كارل شيل على الأكسجين. قام بتكلس الملح الصخري بحمض الكبريتيك ثم حلل أكسيد النيتريك الناتج. أطلق سكيل على هذا الغاز اسم "الهواء الناري" ووصف اكتشافه في كتاب نُشر عام 1777 (على وجه التحديد لأن الكتاب نُشر بعد إعلان بريستلي اكتشافه ، ويعتبر الأخير هو مكتشف الأكسجين). أبلغ Scheele أيضًا عن تجربته إلى Lavoisier.
كانت المرحلة المهمة التي ساهمت في اكتشاف الأكسجين هي عمل الكيميائي الفرنسي بيتر باين ، الذي نشر أعمالًا عن أكسدة الزئبق وما تلاه من تحلل لأكسيده.
أخيرًا ، اكتشف A. Lavoisier أخيرًا طبيعة الغاز الناتج باستخدام معلومات من بريستلي وشيل. كان لعمله أهمية كبيرة ، لأنه بفضله ، تم الإطاحة بنظرية phlogiston التي سادت في ذلك الوقت وأعاقت تطور الكيمياء. أجرى لافوازييه تجربة على احتراق مواد مختلفة ودحض نظرية الفلوجستون من خلال نشر النتائج على وزن العناصر المحترقة. تجاوز وزن الرماد الوزن الأولي للعنصر ، مما أعطى لافوازييه الحق في التأكيد على أنه أثناء الاحتراق يحدث تفاعل كيميائي (أكسدة) للمادة ، فيما يتعلق بهذا ، تزداد كتلة المادة الأصلية ، مما يدحض نظرية فلوجستون.
وهكذا ، فإن الفضل في اكتشاف الأكسجين يتقاسمه في الواقع بريستلي وشيل ولافوازييه.
أصل الاسم
كلمة أكسجين (في بداية القرن التاسع عشر كانت لا تزال تسمى "حمض") ، وظهورها في اللغة الروسية يرجع إلى حد ما إلى M. وهكذا كانت كلمة "أكسجين" بدورها عبارة عن ورقة تتبع لمصطلح "أكسجين" (أوكسيجين فرنسي) ، اقترحه أ. لافوازييه (من اليونانية الأخرى ὀξύς - "تعكر" و γεννάω - "ألد") ، والذي يترجم إلى "توليد حمض" ، والذي يرتبط بمعناه الأصلي - "حمض" ، والذي كان يعني سابقًا الأكاسيد ، والتي تسمى الأكاسيد وفقًا للتسميات الدولية الحديثة.
إيصال
في الوقت الحاضر ، في الصناعة ، يتم الحصول على الأكسجين من الهواء. الطريقة الصناعية الرئيسية للحصول على الأكسجين هي التقطير المبرد. كما أن مصانع الأكسجين التي تعتمد على تقنية الأغشية معروفة جيدًا وتستخدم بنجاح في الصناعة.
في المختبرات ، يتم استخدام الأكسجين الصناعي ، والذي يتم توفيره في اسطوانات فولاذية تحت ضغط حوالي 15 ميجا باسكال.
يمكن الحصول على كميات صغيرة من الأكسجين عن طريق تسخين برمنجنات البوتاسيوم KMnO 4:
2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
يستخدم أيضًا تفاعل التحلل الحفزي لبيروكسيد الهيدروجين H 2 O 2:
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
المحفز هو ثاني أكسيد المنغنيز (MnO 2) أو قطعة من الخضار النيئة (تحتوي على إنزيمات تسرع تحلل بيروكسيد الهيدروجين).
يمكن الحصول على الأكسجين عن طريق التحلل التحفيزي لكلورات البوتاسيوم (ملح برتوليت) KClO 3:
2KClO 3 → 2KCl + 3O 2
تشمل الطرق المختبرية للحصول على الأكسجين طريقة التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات.
الخصائص الفيزيائية
في ظل الظروف العادية ، يكون الأكسجين غازًا عديم اللون ولا طعم له ولا رائحة.
1 لتر منه كتلته 1.429 جم ، وهو أثقل قليلاً من الهواء. قابل للذوبان قليلاً في الماء (4.9 مل / 100 جم عند 0 درجة مئوية ، 2.09 مل / 100 جم عند 50 درجة مئوية) والكحول (2.78 مل / 100 جم عند 25 درجة مئوية). يذوب جيدًا في الفضة المصهورة (22 مجلداً من O 2 في 1 حجم Ag عند 961 درجة مئوية). إنها مغناطيسية.
عندما يتم تسخين الأكسجين الغازي ، يحدث تفككه العكسي في الذرات: عند 2000 درجة مئوية - 0.03٪ ، عند 2600 درجة مئوية - 1٪ ، 4000 درجة مئوية - 59٪ ، 6000 درجة مئوية - 99.5٪.
الأكسجين السائل (نقطة الغليان −182.98 درجة مئوية) هو سائل أزرق شاحب.
الأكسجين الصلب (نقطة الانصهار -218.79 درجة مئوية) - بلورات زرقاء.
يدعم الأكسجين عمليات التنفس والاحتراق. العديد من المواد غير المعدنية تحترق في الأكسجين. على سبيل المثال ، يحترق الفحم في الهواء ، بينما يتفاعل مع الأكسجين. نتيجة لهذا التفاعل ، يتكون ثاني أكسيد الكربون وتطلق الحرارة. من المعروف أن الحرارة يشار إليها بالحرف "Q". إذا تم إطلاق الحرارة نتيجة التفاعل ، تتم كتابة "Q" في المعادلة ، إذا تم امتصاصها ، ثم "-Q".
تسمى الحرارة المنبعثة أو الممتصة أثناء تفاعل كيميائي بالحرارة تأثير تفاعل كيميائي.
ردود الفعل التي تطلق الحرارة تسمى طارد للحرارة.
ردود الفعل التي تحدث مع امتصاص الحرارة تسمى ماص للحرارة.
تفاعل الأكسجين مع اللافلزات
معادلة تفاعل احتراق الفحم في الهواء:
C O 2 \ u003d CO 2 Q
إذا قمت بحرق الفحم في وعاء به أكسجين ، فسيحترق الفحم في هذه الحالة أسرع من الهواء. أي أن معدل احتراق الفحم في الأكسجين أعلى منه في الهواء.
يحترق الكبريت أيضًا في الهواء ، وتنطلق الحرارة أيضًا. هذا يعني أن تفاعل تفاعل الكبريت مع الأكسجين يمكن أن يسمى طارد للحرارة. يحترق الكبريت في الأكسجين النقي أسرع منه في الهواء.
معادلة تفاعل احتراق الكبريت في الأكسجين إذا تشكل أكسيد الكبريت (IV) في هذه الحالة :
S O 2 \ u003d SO 2 Q
وبالمثل ، من الممكن إجراء تفاعل احتراق الفوسفور في الهواء أو في الأكسجين. هذا التفاعل هو أيضا طارد للحرارة. معادلتها إذا كانت النتيجة أكسيد الفوسفور (V):
4P 5O 2 \ u003d 2P 2 O 5 Q
تفاعل الأكسجين مع المعادن
يمكن لبعض المعادن أن تحترق في جو من الأكسجين. على سبيل المثال ، يحترق الحديد في الأكسجين لتشكيل مقياس الحديد:
3Fe 2O 2 \ u003d Fe 3 O 4 Q
لكن النحاس لا يحترق في الأكسجين ، ولكنه يتأكسد بالأكسجين عند تسخينه. في هذه الحالة يتكون أكسيد النحاس (II):
2CuO 2 = 2CuO
تفاعل الأكسجين مع المواد المعقدة
الأكسجين قادر على التفاعل ليس فقط مع المواد البسيطة ، ولكن أيضًا مع المواد المعقدة.
غاز الميثان الطبيعي يحترق في الأكسجين لتكوين أول أكسيد الكربون (IV) والماء:
CH 4 2O 2 \ u003d CO 2 2H 2 O Q
مع الاحتراق غير الكامل للميثان (في ظروف نقص الأكسجين) ، لا يتكون ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أول أكسيد الكربون CO. أول أكسيد الكربون مادة سامة خطيرة للغاية بالنسبة للإنسان ، لأنه لا يشعر الشخص بتأثيره السام ، ولكنه 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. هذه المواد تسمى أكاسيد.
1. مجموعة مهام وتمارين في الكيمياء: الصف الثامن: إلى كتاب مدرسي. ب. Orzhekovsky وآخرون "الكيمياء. الصف 8 / ب. Orzhekovsky، N.A. تيتوف ، ف. هيجل. - م: أستريل 2006. (ص 70-74)
2. Ushakova O.V. كتاب الكيمياء: الصف الثامن: إلى الكتاب المدرسي بقلم أ. Orzhekovsky وآخرون "الكيمياء. الصف 8 "/ O.V. أوشاكوفا ، بي. بيسبالوف ، ب. أورزيكوفسكي. تحت. إد. الأستاذ. ب. Orzhekovsky - M.: AST: Astrel: Profizdat، 2006. (ص 68-70)
3. الكيمياء. الصف 8. بروك. للعامة المؤسسات / P.A. Orzhekovsky ، L.M. ميشرياكوفا ، م. شالاشوفا. - م: Astrel ، 2012. (§21)
4. الكيمياء: الصف الثامن: كتاب مدرسي. للعامة المؤسسات / P.A. Orzhekovsky ، L.M. ميشرياكوفا ، إل. بونتاك. M: AST: Astrel، 2005. (§28)
5. الكيمياء: غير عضوية. الكيمياء: كتاب مدرسي. ل 8 كيلو لتر. جنرال لواء inst. / جي إي. رودزيتيس ، إف جي. فيلدمان. - م: التعليم ، JSC "الكتب المدرسية في موسكو" ، 2009. (§20)
6. موسوعة للأطفال. المجلد 17. الكيمياء / الفصل. حرره V.A. فولودين ، الرائد. علمي إد. أنا لينسون. - م: أفانتا ، 2003.
