מהו חמצן? תרכובות חמצן

חמצן (O) - יסוד כימי אל-מתכתי של הקבוצה 16 (הדרך) של הטבלה המחזורית. זהו גז חסר צבע, חסר טעם וחסר ריח הנדרשים אורגניזמים חיים - בעלי חיים אשר להמיר אותו לתוך פחמן דו חמצני, וצמחים מנצלים CO ₂ כמקור פחמן, ו- O ₂ מוחזר האווירה. חמצן ויוצר תרכובת מגיבה עם כמעט כל אלמנט אחר, מחליף את היסודות הכימיים של תקשורת אחד עם השני. במקרים רבים, תהליכים אלה מלווים את שחרורם של חום ואור. המתחם החשוב ביותר של חמצן הוא מים.

היסטוריה של גילוי

בשנת 1772, הכימאי השבדי קרל וילהלם שלה מפגין הראשון חמצן כגון קבלתה על ידי חנק חימום תחמוצת אשלגן, כספית, כמו גם חומרים רבים אחרים. עצמאי של אותו 1774, הכימאי האנגלי Dzhozef Pristli גילה את היסוד הכימי על ידי פירוק תרמי של תחמוצת כספית ומפרסם את הממצאים באותה השנה, שלוש שנים לפני פרסום Scheele. בשנתי 1775-1780 הכימאי הצרפתי אנטואן Lavuaze לפרש את תפקידו של חמצן הנשימה והצריבה, שלכת פלוגיסטון, מקובל באותה התקופה. יצוין בנטייתה ליצור חומצות בשילוב עם חומרים שונים אלמנט מרכזי חמצן שנקרא, אשר פירושו ביוונית "שנוצר חומצה".

שכיח

מהו חמצן? טיפול חשבונאי 46% לפי משקל של הקרום, הוא היסוד הנפוץ ביותר של זה. כמות החמצן באטמוספרה הוא 21% לפי נפח ומשקל 89% שלה במי ים.

בשנת אלמנט סלעים בשילוב עם מתכות ואל-מתכות כמו התחמוצות כי הם חומציים (לדוגמא, גופרית, פחמן, אלומיניום, וזרחן) או בסיסי (סידן, מגנזיום וברזל) וכתוצאת תרכובות מלח דמוי שיכול להיחשב התגבשו מתוך החומצה ותחמוצות בסיסיות כגון סולפטים, קרבונטים, סיליקטים, פוספטים aluminates. למרות שהם רבים, אבל אלה מוצקים לא יכול לשמש מקורות חמצן, כמו מחשוף קשר עם אלמנט אטום מתכת צריכת אנרגיה מדי.

תכונות

אם טמפרטורת החמצן מתחת -183 מעלות צלזיוס, הוא הופך לנוזל כחול חיוור, ובבית -218 מעלות צלזיוס - מוצק. O ₂ Pure הוא 1.1 פעמים כבד מהאוויר.

במהלך נשימה חיות וכמה חיידקים לצרוך חמצן מהאטמוספירה פחמן דו חמצני ממוחזר, ואילו בתהליך הפוטוסינתזה הצמח הירוק בנוכחות אור השמש לספוג פחמן דו חמצני ולשחרר חמצן חופשי. כמעט כל O ₂ באטמוספרה מופק על ידי פוטוסינתזה.

בשעה 20 מעלות צלזיוס למשך כ 3 חלקים לפי נפח החמצן המומס 100 חלקים של מים מתוקים, קצת פחות מ - במי ים. זה הכרחי בשביל נשימה של דגים ויצורים ימיים אחרים.

חמצן טבעי הוא תערובת של שלושה איזוטופים יציבים ¹⁶ O (99,759%), ¹⁷ O ^(0037%), ו ¹⁸ O (0204%). ישנן מספר איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים מיוצרים. רובם חיים ארוכים הוא ¹⁵ O (מחצית חיים 124) אשר משמש ללימוד נשימה אצל יונקים.

allotrope

רעיון ברור של מה חמצן, מאפשרים להשיג צורותיה שני allotropic, diatomic (O ₂₎ ו triatomic (O _3, אוזון). מאפייני טופס diatomic לרמוז כי ששת האלקטרונים אטומים להיקשר ושני להישאר מזווגים, גורם המגנטיות של חמצן. שלוש מולקולות אוזון אטום אינן ממוקמות על קו ישר אחד.

אוזון יכול להיות מיוצר בהתאם למשוואה: 3O ₂ → 2O _3.

התהליך הוא אנדותרמית (דורש אנרגיה); מרה של גב אוזון לחמצן diatomic תורמת הנוכחות של מתכות מעברות או התחמוצות שלהם. חמצן טהור מומר אוזון על ידי הפעולה של פריקת זוהר חשמלית. התגובה מתרחשת גם על קליטה של האור האולטרה סגול באורך גל של כ 250 ננומטר. המופע של התהליך הזה באטמוספרה העליונה מבטל קרינה, שתהיה מזיקים לחיים על פני השטח של כדור הארץ. ריח חריף של האוזון הוא בתוך הבית הנוכחי עם ציוד חשמלי שהצית כגון גנרטורים. גז זה הוא תכלת. הצפיפות שלה ב 1658 פעמים יותר מאשר באוויר, ויש לו נקודת רתיחה של -112 מעלות צלזיוס בלחץ אטמוספרי.

אוזון - מחמצן חזק מסוגל להמיר תחמוצת גופרית, trioxide, גופרתי סולפט, יודיד, יוד (שיטה אנליטית למתן ההערכה שלה) כמו גם נגזר תרכובת אורגנית רבה המכילים חמצן כגון אלדהידים וחומצות. מרה של פחמימנים עם אוזון מגזי פליטה של מכוניות בחומצות ו אלדהידים אלה היא גורם ערפיח. בענף, אוזון משמש מגיב כימי, חיטוי לטיפול בשפכים, טיהור מי הלבנה של בדים.

שיטות כנות

תהליך לייצור חמצן תלוי כמה נדרשת גז לקבל. שיטות מעבדה עבור הבאים:

1. פירוק תרמי של כמה מלחים כגון אשלגן כלוריד או אשלגן חנקתי:

• 2KClO ₃ → 2KCl + 3O _2.
• 2KNO ₃ → 2KNO ₂ + O _2.

אשלגן כלורי פירוק מזורז על ידי תחמוצות מתכת מעבר. לקבלת המשמש לעתים קרובות זה דו-תחמוצת המנגן (פירולוזיט, MNO _2). הזרז מוריד את הטמפרטורה הנדרשת עבור אבולוצית חמצן, מ 400 עד 250 מעלות C.

שפלת 2. של תחמוצות המתכת תחת הפעולה של טמפרטורה:

• 2HgO → 2Hg + O _2.
• 2Ag ₂ O → 4Ag + O _2.

Scheele ו פריסטלי עבור יסוד כימי זה המשמש מתחם (תחמוצת), חמצן כספי (II).

3. פירוק תרמי של תחמוצות מתכת או מי חמצן:

• 2BaO + O ₂ → 2BaO _2.
• ₂ 2BaO → 2BaO + O _2.
• באו ₂ + H ₂ SO ₄ → H ₂ O ₂ + BaSO _4.
• 2H ₂ O ₂ → 2H ₂ O + O _2.

השיטות התעשייתיות הראשונות עבור הפרדת החמצן מהאטמוספרה או לייצור של מי חמצן תלויה היווצרות תחמוצת של מי חמצן בריום.

4. אלקטרוליזה של מים עם מוספים קטנים של מלחים או חומצות המספקות הולכה של זרם חשמלי:

2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂

ייצור תעשייתי

במידת הצורך להשיג כמויות גדולות של חמצן משמשים בזיקוק של אוויר נוזלי. המרכיבים העיקריים של אוויר יש לו את נקודת הרתיחה הגבוהה ביותר, ולכן, לעומת חנקן וכן את הארגון תנודתי פחות. התהליך משתמש בגז קירור במהלך ההתרחבות שלה. השלבים העיקריים של פעילות כדלקמן:

• אוויר מסונן כדי להסיר חלקיקים מוצקים;
• לחות ודו תחמוצת הפחמן יוסרו על ידי ספיגה ב אלקלי;
• אוויר דחוס וחום הדחיסה מוסר על ידי נהלים קונבנציונליים קירור;
• אז זה נכנס לתוך הסליל הממוקם בתוך החדר;
• חלק הגז הדחוס (בלחץ של כ 200 ATM) ב מתרחב הקאמרי, קירור הסליל;
• הרחיב מחזיר גז המדחס עובר מספר שלבים של דחיסה ורחבה בהמשך, לפיה ב -196 מעלות צלזיוס, באוויר הופך נוזלי;
• זיקוק נוזל מחומם גזים ראשון אור אינרטי, אז חנקן ושרידי חמצן נוזלי. חלוקה מרובה מייצרת מוצר טהור מספיק (99.5%) עבור רוב היישומים תעשייתיים.

שימוש בתעשייה

מטלורגיה היא הצרכנית הגדולה ביותר של חמצן טהור לייצור פלדת פחמן גבוה: להיפטר של פחמן דו חמצני וזיהומים אחרים nonmetals כך מהר וקלה יותר עם אוויר.

שפכי הבטחת חמצן לטיפול יעיל יותר של שפכים נוזליים מ בתהליכים כימיים אחרים. זה הופך להיות חשוב יותר ויותר מערכות שריפת פסולת סגורות באמצעות O _{2 הטהור.}

המחמצן הטילים שנקרא הוא חמצן נוזלי. Pure O ₂ זו משמש על צוללות ב פעמון הצלילה.

בתעשייה הכימית, חמצן חליף אוויר רגיל בייצור של חומרים כגון אצטילן, תחמוצת אתילן ו מתנול. יישומים רפואיים כוללים שימוש בגז חמצן המשאפים התאיים וחממות תינוק. גז הרדמה מועשר בחמצן מספק תמיכת חיים במהלך הרדמה כללית. בלי יסוד כימי זה הצליח להתקיים במספר התעשיות המשתמשות תנורים. זה מה חמצן.

התכונות הכימיות והתגובה

ערכים גבוהים של זיקה אלקטרונית ו אלקטרושליליות של חמצן הם מרכיבים אופייניים להציג נכסים מתכתיים. כל התרכובות מדינת חמצון חמצן שלילית. כאשר שני אורביטלים אלקטרונים מלאים, נוצר O ^2- יון. חמצניים (O ₂ ^2-) מניח כי כל אטום יש מטען של -1. מאפיין זה של קבלת אלקטרונים על ידי שידור מוחלט או חלקי וקובע סוכן חמצון. כאשר הסוכן מגיב עם החומר, תורם אלקטרון, מצב החמצון שלו יורד. השינוי (ירידה) במדינת חמצון חמצן מאפס -2 הנקרא שחזור.

בתנאים רגילים האלמנט יוצר תרכובות dihydric ו trihydric. בנוסף, ישנם chetyrehatomnye מולקולות יציבות מאוד. בצורתו diatomic שני אלקטרונים מזווגים ממוקמים על אורביטלים nonbonding. זה אושר על ידי התנהגות פאראמגנטיים גז.

תגובתיות Intense לעתים הסבירו הנחת אוזון שהאחד אטום שלוש נמצא במצב "האטומי". בתגובה האטום הזה מנותק מן O _3, עוזב חמצן מולקולרי.

O ₂ מולקולה בטמפרטורות נורמליות לחץ סביבתי בחולשה תגובתי. החמצן האטומי הוא הרבה יותר פעיל. האנרגיה דיסוציאציה (O ₂ → 2O) הינה משמעותית 117.2 mol קלוריות.

חיבורים

C כגון nonmetals כמו מימן, פחמן, גופרית, חמצן, יוצר מגוון גדול של תרכובות מחויבות קוולנטית, כולל תחמוצות מתכתיות כגון מים (H ₂ O), גופרית דו-חמצנית (SO ₂₎ ודו תחמוצת הפחמן (CO _2); תרכובות אורגניות כגון אלכוהול, אלדהידים וחומצות קרבוקסיליות; חומצות נפוצות כגון פחמתית _{(CO3 H2),} חומצה גופרתית (H ₂ SO ₄₎ ו חנקתית (HNO _3); והמלחים המקבילים כגון נתרן גופרתי (Na ₂ SO _4), סודיום קרבונט (Na ₂ CO ₃₎ ו נתרן חנק (Nano _3). חמצן קיים בצורה של יון הו ^2- במבנה הגבישי של תחמוצות מתכת מוצקות, כגון מתחם (תחמוצת), חמצן וצא של סידן. דיסמוטאז מתכת (KO ₂₎ מכיל יון הו ₂ ^-, בעוד תחמוצות מתכת (BAO ₂₎ מכילות יון הו ₂ ^2. תרכובות חמצן בדרך כלל יש מצב חמצון -2.

תכונותהמפתח

לבסוף נציין את המאפיינים העיקריים של חמצן:

• מבנה אלקטרוני: 1s 2s ^{2 2} 2p ^4.
• מספר אטומי: 8.
• מסה אטומית: 15.9994.
• נקודת רתיחה: -183,0 ° C.
• נקודת התכה: -218,4 ° C.
• צפיפות (אם לחץ החמצן הוא 1 כספומט בבית 0 ° C): 1429 גר '/ ליטר.
• מצב החמצון של -1, -2, 2 (ב תרכובות עם פלואור).