Oksijeni ni nini? Misombo ya oksijeni

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 05:42

Oksijeni (O) ni kipengele cha kemikali kisicho na metali cha kikundi cha 16 (VIa) cha jedwali la upimaji. Ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu na isiyo na ladha ambayo ni muhimu kwa viumbe hai - wanyama wanaoigeuza kuwa kaboni dioksidi na mimea inayotumia CO₂ kama chanzo cha kaboni na kurudisha O ₂ kwenye angahewa. Oksijeni huunda misombo kwa kuguswa na karibu kipengele kingine chochote, na pia huondoa vipengele vya kemikali kutoka kwa kushikamana na kila mmoja. Mara nyingi, taratibu hizi zinafuatana na kutolewa kwa joto na mwanga. Mchanganyiko muhimu zaidi wa oksijeni ni maji.

Historia ya uvumbuzi

Mnamo 1772, mwanakemia wa Uswidi Carl Wilhelm Scheele alionyesha oksijeni kwa mara ya kwanza kwa kupasha joto nitrati ya potasiamu, oksidi ya zebaki na vitu vingine vingi. Bila yeye, mnamo 1774, mwanakemia wa Kiingereza Joseph Priestley aligundua kipengele hiki cha kemikali kwa mtengano wa joto wa oksidi ya zebaki na kuchapisha matokeo yake katika mwaka huo huo, miaka mitatu kabla ya kuchapishwa. Scheele. Mnamo 1775-1780, mwanakemia wa Kifaransa Antoine Lavoisier alitafsiri jukumu la oksijeni katika kupumua na mwako, akikataa nadharia ya phlogiston iliyokubaliwa kwa ujumla wakati huo. Alibainisha tabia yake ya kutengeneza asidi inapounganishwa na vitu mbalimbali na kukiita elementi oksijeni, ambayo kwa Kigiriki ina maana ya "kuzalisha asidi".

Maambukizi

Oksijeni ni nini? Hufanya 46% ya wingi wa ukoko wa dunia, ni kipengele chake cha kawaida. Kiasi cha oksijeni katika angahewa ni 21% kwa ujazo, na kwa uzito katika maji ya bahari ni 89%.

Katika miamba, kipengele huunganishwa na metali na zisizo metali katika mfumo wa oksidi, ambazo ni tindikali (kwa mfano, salfa, kaboni, alumini na fosforasi) au msingi (chumvi ya kalsiamu, magnesiamu na chuma), na kama misombo inayofanana na chumvi inayoweza kuzingatiwa kuwa imeundwa kutoka kwa oksidi za tindikali na msingi kama vile salfati, kabonati, silikati, alumini na fosfeti. Ingawa ni nyingi, yabisi haya hayawezi kutumika kama vyanzo vya oksijeni, kwa kuwa kuvunja dhamana ya elementi yenye atomi za chuma kunatumia nishati kupita kiasi.

Vipengele

Ikiwa halijoto ya oksijeni iko chini ya -183 °C, basi inakuwa kioevu cha samawati iliyokolea, na ifikapo -218 °C - kigumu. O₂ ni nzito mara 1.1 kuliko hewa.

Wakati wa kupumua, wanyama na baadhi ya bakteria hutumia oksijeni kutoka angahewa na kurudisha kaboni dioksidi, huku wakati wa usanisinuru, mimea ya kijani kukiwa na jua hufyonza kaboni dioksidi na kutoa oksijeni bila malipo. Karibuzote O₂ katika angahewa huzalishwa na usanisinuru.

Kwa 20 °C, takriban sehemu 3 za ujazo wa oksijeni huyeyuka katika sehemu 100 za maji safi, kidogo kidogo katika maji ya bahari. Hii ni muhimu kwa kupumua kwa samaki na viumbe vingine vya baharini.

Oksijeni asilia ni mchanganyiko wa isotopu tatu thabiti: ¹⁶O (99.759%), ¹⁷O (0.037 %) na¹⁸O (0.204%). Isotopu kadhaa za mionzi zinazozalishwa kwa njia ya bandia zinajulikana. Iliyoishi muda mrefu zaidi kati ya hizi ni ¹⁵O (iliyo na nusu ya maisha ya 124 s), ambayo hutumiwa kuchunguza kupumua kwa mamalia.

Allotropes

Wazo wazi zaidi la oksijeni ni nini, hukuruhusu kupata aina zake mbili za allotropiki, diatomiki (O₂) na triatomic (O₃ , ozoni). Sifa za muundo wa diatomiki zinaonyesha kwamba elektroni sita hufunga atomi na mbili kubaki bila kuunganishwa, na kusababisha paramagnetism ya oksijeni. Atomu tatu katika molekuli ya ozoni haziko katika mstari ulionyooka.

Ozoni inaweza kuzalishwa kulingana na mlinganyo: 3O₂ → 2O₃.

Mchakato huo ni wa mwisho wa joto (inahitaji nishati); ubadilishaji wa ozoni kuwa oksijeni ya diatomiki huwezeshwa na uwepo wa metali za mpito au oksidi zao. Oksijeni safi hubadilishwa kuwa ozoni kwa kutokwa kwa umeme unaowaka. Mmenyuko pia hutokea wakati mwanga wa urujuani unapofyonzwa na urefu wa mawimbi wa takriban 250 nm. Tukio la mchakato huu katika anga ya juu huondoa mionzi ambayo inaweza kusababishauharibifu wa maisha juu ya uso wa Dunia. Harufu kali ya ozoni inapatikana katika nafasi zilizofungwa na vifaa vya umeme vinavyotoa cheche kama vile jenereta. Ni gesi nyepesi ya bluu. Uzito wake ni mara 1.658 ya hewa, na ina kiwango cha kuchemka cha -112°C katika shinikizo la angahewa.

Ozoni ni kioksidishaji chenye nguvu, chenye uwezo wa kubadilisha dioksidi ya sulfuri hadi trioksidi, sulfidi hadi salfati, iodidi kuwa iodini (hutoa mbinu ya uchanganuzi ya kuitathmini), na misombo mingi ya kikaboni kwa vitokanavyo na oksijeni kama vile aldehidi na asidi. Kubadilishwa kwa hidrokaboni kutoka kwa moshi wa gari hadi asidi hizi na aldehidi na ozoni ndio husababisha moshi. Katika tasnia, ozoni hutumika kama wakala wa kemikali, dawa ya kuua viini, kutibu maji machafu, utakaso wa maji na upaukaji wa kitambaa.

Mbinu za Kupata

Njia ya oksijeni inatolewa inategemea ni kiasi gani cha gesi kinachohitajika. Mbinu za kimaabara ni kama ifuatavyo:

1. Mtengano wa joto wa baadhi ya chumvi kama vile klorati ya potasiamu au nitrati ya potasiamu:

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

Mtengano wa klorati ya potasiamu huchangiwa na oksidi za mpito za metali. Dioksidi ya manganese (pyrolusite, MnO₂) mara nyingi hutumika kwa hili. Kichocheo hiki hupunguza halijoto inayohitajika ili kubadilisha oksijeni kutoka 400 hadi 250°C.

2. Mtengano wa halijoto wa oksidi za chuma:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele na Priestley walitumia mchanganyiko (oksidi) wa oksijeni na zebaki (II) kupata kipengele hiki cha kemikali.

3. Mtengano wa joto wa peroksidi za chuma au peroksidi ya hidrojeni:

2BaO + O₂ → 2BaO₂.
2BaO₂ → 2BaO +O₂.
BaO₂ + H₂SO₄ → H₂ O₂ + BaSO₄.
2H₂O₂ → 2H₂O+O _2.

Njia za kwanza za kiviwanda za kutenganisha oksijeni kutoka angahewa au za kuzalisha peroksidi hidrojeni zilitegemea uundaji wa peroxide ya bariamu kutoka kwa oksidi.

4. Electrolysis ya maji yenye uchafu mdogo wa chumvi au asidi, ambayo hutoa conductivity ya sasa ya umeme:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Uzalishaji wa viwanda

Ikiwa ni muhimu kupata kiasi kikubwa cha oksijeni, kunereka kwa sehemu kwa hewa kioevu hutumiwa. Kati ya vipengele vikuu vya hewa, ina kiwango cha juu cha kuchemsha na kwa hiyo haina tete kuliko nitrojeni na argon. Mchakato hutumia kupoeza kwa gesi inapopanuka. Hatua kuu za operesheni ni kama ifuatavyo:

hewa huchujwa ili kuondoa chembe chembe;
unyevu na kaboni dioksidi huondolewa kwa kufyonzwa ndani ya alkali;
hewa hubanwa na joto la mgandamizo huondolewa kwa taratibu za kawaida za kupoeza;
kisha inaingia kwenye koili iliyoko ndanikamera;
sehemu ya gesi iliyobanwa (kwa shinikizo la takriban atm 200) hupanuka kwenye chemba, na kupoza koili;
gesi iliyopanuliwa hurudi kwenye kikandamizaji na kupitia hatua kadhaa za upanuzi na mgandamizo unaofuata, na kusababisha kioevu cha -196 °C hewa kuwa kioevu;
kioevu hutiwa joto ili kumwaga gesi za ajizi mwanga, kisha nitrojeni na oksijeni ya kioevu inasalia. Ugawaji wa sehemu nyingi huzalisha bidhaa safi ya kutosha (99.5%) kwa madhumuni mengi ya viwanda.

Matumizi ya viwandani

Madini ya madini ndiyo matumizi makubwa zaidi ya oksijeni safi kwa ajili ya utengenezaji wa chuma chenye kaboni nyingi: ondoa kaboni dioksidi na uchafu mwingine usio na metali kwa haraka na kwa urahisi zaidi kuliko kutumia hewa.

Matibabu ya maji machafu ya oksijeni yana ahadi ya kutibu maji machafu ya kioevu kwa ufanisi zaidi kuliko michakato mingine ya kemikali. Uchomaji taka katika mifumo iliyofungwa kwa kutumia O₂.

. inazidi kuwa muhimu

Kinachojulikana kama kioksidishaji cha roketi ni oksijeni ya kioevu. Safi O₂ Inatumika katika nyambizi na kengele za kupiga mbizi.

Katika tasnia ya kemikali, oksijeni imechukua nafasi ya hewa ya kawaida katika utengenezaji wa vitu kama vile asetilini, oksidi ya ethilini na methanoli. Maombi ya kimatibabu ni pamoja na matumizi ya gesi katika vyumba vya oksijeni, inhalers, na incubators za watoto. Gesi ya ganzi iliyoboreshwa na oksijeni hutoa msaada wa maisha wakati wa anesthesia ya jumla. Bila kipengele hiki cha kemikali, idadi yaviwanda vinavyotumia tanuru za kuyeyusha. Hiyo ndivyo oksijeni ilivyo.

Sifa za kemikali na athari

Mwezo wa juu wa kielektroniki na mshikamano wa elektroni wa oksijeni ni kawaida ya vipengele vinavyoonyesha sifa zisizo za metali. Misombo yote ya oksijeni ina hali mbaya ya oxidation. Obiti mbili zinapojazwa elektroni, ioni ya O^2- huundwa. Katika peroksidi (O₂^2-) kila atomi inachukuliwa kuwa na chaji ya -1. Mali hii ya kukubali elektroni kwa uhamisho wa jumla au sehemu huamua wakala wa oxidizing. Wakati wakala kama huyo humenyuka na dutu ya wafadhili wa elektroni, hali yake ya oxidation hupunguzwa. Mabadiliko (kupungua) katika hali ya oksidi ya oksijeni kutoka sifuri hadi -2 inaitwa kupunguza.

Chini ya hali ya kawaida, kipengele huunda misombo ya diatomiki na triatomiki. Kwa kuongeza, kuna molekuli zisizo imara za atomi nne. Katika fomu ya diatomiki, elektroni mbili ambazo hazijaoanishwa ziko kwenye orbital zisizo za kuunganisha. Hii inathibitishwa na tabia ya paramagnetic ya gesi.

Utendaji tena mkali wa ozoni wakati mwingine hufafanuliwa na dhana kwamba moja ya atomi tatu iko katika hali ya "atomiki". Inapoingia kwenye mmenyuko, atomi hii hujitenga na O₃, na kuacha oksijeni ya molekuli.

Molekuli ya O₂ haifanyi kazi kwa nguvu katika viwango vya joto na shinikizo la kawaida. Oksijeni ya atomiki inafanya kazi zaidi. Nishati ya kutenganisha (O₂ → 2O) ni muhimu nani 117.2 kcal kwa mole.

Miunganisho

Ikiwa na metali zisizo na metali kama vile hidrojeni, kaboni na salfa, oksijeni huunda aina mbalimbali za misombo inayounganishwa, ikijumuisha oksidi zisizo na metali kama vile maji (H₂O), dioksidi sulfuri (SO₂) na dioksidi kaboni (CO₂); misombo ya kikaboni kama vile alkoholi, aldehidi na asidi ya kaboksili; asidi za kawaida kama vile kaboniki (H₂CO₃), sulfuriki (H₂SO4_{) na nitrojeni (HNO}3_{); na chumvi zinazolingana kama vile salfati ya sodiamu (Na}2_SO4_{), sodium carbonate (Na}2 _CO 3_{) na nitrati ya sodiamu (NaNO}3_{). Oksijeni inapatikana katika umbo la ioni ya O}2- ^{katika muundo wa fuwele wa oksidi za metali imara, kama vile kiwanja (oksidi) cha oksijeni na kalsiamu CaO. Supaoksidi za metali (KO}2_{) zina ioni O}2- ^{ioni, huku peroksidi za chuma (BaO2}), ina ioni O₂_2-. Michanganyiko ya oksijeni huwa na hali ya oksidi ya -2.