OXYGEN: EGENSKABER, STRUKTUR, RISICI, ANVENDELSER - KEMI

Den ilt er et grundstof, der er repræsenteret ved symbolet O. er en meget reaktiv gas, som fører gruppen 16: chalcogener. Dette navn skyldes, at svovl og ilt findes i næsten alle mineraler.

Dens høje elektronegativitet forklarer dets store grådighed for elektroner, hvilket får den til at kombinere med et stort antal elementer; Sådan opstår en bred vifte af mineraloxider, der beriger jordskorpen. Således komponerer det resterende ilt og gør atmosfæren åndbar.

Oxygen er ofte synonymt med luft og vand, men det findes også i klipper og mineraler. Kilde: Pxhere.

Oxygen er det tredje mest rigelige element i universet bag brint og helium, og det er også den vigtigste bestanddel i massen af jordskorpen. Det har en volumenprocent på 20,8% af jordens atmosfære og repræsenterer 89% af massen af vand.

Det har normalt to allotropiske former: diatomisk ilt (O ₂), som er den mest almindelige form i naturen, og ozon (O ₃), der findes i stratosfæren. Der er imidlertid to andre (O ₄ og O ₈), der eksistere i deres flydende eller faste faser, og under et enormt tryk.

Oxygen produceres konstant gennem fotosynteseprocessen, der udføres af planteplankton og landplanter. Når den først er produceret, frigives den, så levende væsener kan bruge den, mens en lille del af den opløses i havet og opretholder vandlevende liv.

Det er derfor et væsentligt element for levende væsener; ikke kun fordi det er til stede i de fleste af de forbindelser og molekyler, der danner dem, men også fordi det griber ind i alle deres metaboliske processer.

Selvom dens isolering kontroversielt tilskrives Carl Scheele og Joseph Priestley i 1774, er der indikationer af, at ilt faktisk blev isoleret for første gang i 1608 af Michael Sendivogius.

Denne gas anvendes i medicinsk praksis til at forbedre levevilkårene for patienter med åndedrætsbesvær. På samme måde bruges ilt til at give folk mulighed for at udføre deres funktioner i miljøer, hvor der er formindsket eller ingen adgang til atmosfærisk ilt.

Kommercielt produceret ilt anvendes primært i den metallurgiske industri til omdannelse af jern til stål.

Historie

Nitroarial ånd

I 1500 Leonardo da Vinci, baseret på eksperimenterne af Philo of Byzantium udført i det andet århundrede f.Kr. C. konkluderede, at en del af luften blev forbrugt under forbrænding og respiration.

I 1608 viste Cornelius Drebble, at opvarmning salpetre (sølvnitrat, KNO ₃) producerede en gas. Denne gas, som det senere vil blive kendt, var ilt; men Drebble kunne ikke identificere det som en ny vare.

Derefter påpegede John Majow i 1668, at en del af luften, som han kaldte "Spiritus nitroaerus", var ansvarlig for brand, og at den også blev indtaget under respiration og forbrænding af stoffer. Majow bemærkede, at stoffer ikke brændte i fravær af nitroarialånden.

Majow udførte forbrænding af antimon og observerede en stigning i antimonets vægt under dens forbrænding. Så Majow konkluderede, at antimon kombineret med nitroarialånden.

Opdagelse

Selvom det ikke modtog anerkendelse af det videnskabelige samfund, i livet eller efter dets død, er det sandsynligt, at Michael Sandivogius (1604) er den ægte opdager af ilt.

Sandivogius var en svensk alkymist, filosof og læge, der producerede den termiske nedbrydning af kaliumnitrat. Hans eksperimenter førte ham til frigivelse af ilt, som han kaldte "cibus vitae": livets mad.

Mellem 1771 og 1772 opvarmede den svenske kemiker Carl W Scheele forskellige forbindelser: kaliumnitrat, manganoxid og kviksølvoxid. Scheele observerede, at der blev frigivet en gas fra dem, der øgede forbrændingen, og som han kaldte "brandluft."

Joseph Priestly's eksperimenter

I 1774 opvarmede den engelske kemiker Joseph Priestly oxid af kviksølv ved hjælp af et tolv tommer forstørrelsesglas, der koncentrerede sollys. Kviksølvoxid frigav en gas, der fik lyset til at brænde meget hurtigere end normalt.

Derudover testede Priestly den biologiske virkning af gas. For at gøre dette placerede han en mus i en lukket beholder, som han forventede at overleve i femten minutter; dog i nærværelse af gassen overlevede den en time, længere end den anslog.

Priestly offentliggjorde sine resultater i 1774; mens Scheele gjorde det i 1775. Af denne grund tilskrives opdagelsen af ilt ofte Priestly.

Oxygen i luften

Antoine Lavoisier, fransk kemiker (1777), opdagede, at luft indeholder 20% ilt, og at når et stof brænder, kombineres det faktisk med ilt.

Lavoisier konkluderede, at den tilsyneladende vægtøgning, som stofferne oplevede under deres forbrænding, skyldtes det vægttab, der forekommer i luften; da ilt kombineret med disse stoffer og derfor masserne af reaktanterne blev bevaret.

Dette gjorde det muligt for Lavoisier at etablere loven om bevarelse af materie. Lavoisier foreslog navnet på ilt, der kom fra dannelsen af rodsyre "oxys" og "gener". Så ilt betyder "syreformende".

Dette navn er forkert, da ikke alle syrer indeholder ilt; for eksempel hydrogenhalogenider (HF, HCI, HBr og HI).

Dalton (1810) tildelte den kemiske formel HO til vand, og derfor var den atomære vægt af ilt 8. En gruppe kemikere, herunder: Davy (1812) og Berzelius (1814) korrigerede Daltons tilgang og konkluderede, at den korrekte formel for vand er H ₂ O og atomvægten af oxygen er 16.

Fysiske og kemiske egenskaber

Udseende

Farveløs, lugtfri og smagløs gas; mens ozon har en skarp lugt. Oxygen fremmer forbrænding, men det er ikke i sig selv et brændstof.

Flydende ilt. Kilde: Stab Sgt. Nika Glover, US Air Force

I sin flydende form (øverste billede) er den lyseblå i farven, og dens krystaller er også blålige; men de kan få lyserøde, orange og endda rødlige farver (som det vil blive forklaret i afsnittet om deres struktur).

Atomvægt

15.999 u.

Atomnummer (Z)

Smeltepunkt

-218,79 ° C

Kogepunkt

-182,962 ° C

Massefylde

Under normale forhold: 1.429 g / L Oxygen er en gas, der er tættere end luft. Derudover er det en dårlig leder af varme og elektricitet. Og ved dens (flydende) kogepunkt er densiteten 1,141 g / ml.

Triple point

54.361 K og 0.1463 kPa (14.44 atm).

Kritisk punkt

154,581 K og 5,043 MPa (49770,54 atm).

Fusionsvarme

0,444 kJ / mol.

Fordampningsvarme

6,82 kJ / mol.

Molær kalorikapacitet

29,388 J / (mol · K).

Damptryk

Ved en temperatur på 90 K har det et damptryk på 986,92 atm.

Oxidationstilstande

-2, -1, +1, +2. Den vigtigste oxidationstilstand er -2 (O ^2-).

elektronegativitet

3.44 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

Først: 1.313,9 kJ / mol.

Andet: 3.388,3 kJ / mol.

Tredje: 5.300,5 kJ / mol.

Magnetisk orden

Paramagnetisk.

Vandopløselighed

Opløseligheden af ilt i vand falder, når temperaturen stiger. F.eks. Opløses 14,6 ml ilt / l vand ved 0 ºC og 7,6 ml ilt / l vand ved 20 ºC. Opløseligheden af ilt i drikkevand er højere end i havvand.

Ved en temperatur på 25 ºC og ved et tryk på 101,3 kPa kan drikkevand indeholde 6,04 ml ilt / l vand; mens vandet i havvand kun 4,95 ml ilt / l vand.

Reaktivitet

Oxygen er en meget reaktiv gas, der reagerer direkte med næsten alle elementer ved stuetemperatur og høje temperaturer; undtagen for metaller med større reduktionspotentiale end kobber.

Det kan også reagere med forbindelser og oxiderer de elementer, der findes i dem. Dette er, hvad der sker, når det reagerer med glukose, for eksempel til at producere vand og kuldioxid; eller når træ eller kulbrinter brænder.

Oxygen kan acceptere elektroner ved komplet eller delvis overførsel, hvorfor det betragtes som et oxidationsmiddel.

Det mest almindelige oxidationsnummer eller tilstand for ilt er -2. Med denne oxidation nummer, findes det i vand (H ₂ O), svovldioxid (SO ₂) og carbondioxid (CO ₂).

I organiske forbindelser, såsom aldehyder, alkoholer, carboxylsyrer; almindelige syrer som H ₂ SO ₄, H ₂ CO ₃, HNO ₃; og dens afledte salte: Na ₂ SO ₄, Na ₂ CO ₃ eller KNO ₃. I dem alle kunne antages eksistensen af O ^2- (hvilket ikke er tilfældet for organiske forbindelser).

Oxider

Oxygen er til stede som O ^2- i krystalstrukturer af metaloxider.

På den anden side, i metalliske superoxider, såsom kaliumsuperoxid (KO ₂), oxygen er til stede som O ₂ ^- ion. Mens i metalperoxider, at sige bariumperoxid (BaO ₂), oxygen- vises som ionen O ₂ ^2- (Ba ²⁺ O ₂ ^2-).

isotoper

Oxygen har tre stabile isotoper: ¹⁶ O med 99,76% overflod; den ^17. O, med 0,04%; og ¹⁸ O med 0,20%. Bemærk, at ¹⁶ O er langt den mest stabile og rigelige isotop.

Struktur og elektronisk konfiguration

Oxygenmolekyle og dets interaktioner

Diatomisk iltmolekyle. Kilde: Claudio Pistilli

Oxygen i dens jordtilstand er et atom, hvis elektroniske konfiguration er:

2s ² 2p ⁴

I henhold til valensbindingsteorien (TEV) er to oxygenatomer kovalent bundet, så begge fuldstændigt fuldender deres valensoktet; ud over at være i stand til at parre sine to ensomme elektroner fra 2p orbitaler.

På denne måde vises det diatomiske iltmolekyle, O ₂ (øverste billede), der har en dobbeltbinding (O = O). Dens energistabilitet er sådan, at ilt aldrig findes som individuelle atomer i gasfasen, men som molekyler.

Fordi O ₂ er homonuklear, lineær og symmetrisk, mangler det et permanent dipol-øjeblik; derfor afhænger deres intermolekylære interaktioner af deres molekylmasse og Londons spredningskræfter. Disse kræfter er relativt svage for ilt, hvilket forklarer, hvorfor det er en gas under jordforhold.

Men når temperaturen falder eller trykket stiger, O ₂ molekyler er tvunget til at smelte sammen; til det punkt, at deres interaktioner bliver betydningsfulde og tillader dannelse af flydende eller fast ilt. At forsøge at forstå dem molekylært, er det nødvendigt ikke at glemme O ₂ som en strukturel enhed.

Ozon

Oxygen kan anvende andre betydeligt stabile molekylstrukturer; det vil sige, at det findes i naturen (eller i laboratoriet) i forskellige allotropiske former. Ozon (nederste billede), O ₃, er for eksempel den næstbedst kendte iltotrop.

Struktur af resonanshybrid repræsenteret ved en kugle- og stavmodel for ozonmolekylet. Kilde: Ben Mills via Wikipedia.

Igen opretholder, forklarer TEV og viser, at der i O ₃ skal være resonansstrukturer, der stabiliserer den positive formelle ladning af ilt i midten (røde stiplede linjer); mens oxygener i enderne af boomerang fordeler en negativ ladning, hvilket gør den totale ladning for ozonneutral.

På denne måde er obligationerne ikke enkelt, men heller ikke dobbelt. Eksempler på resonanshybrider er meget almindelige i så mange uorganiske molekyler eller ioner.

O ₂ og O ₃, fordi deres molekylære strukturer er forskellige, det samme sker med deres fysiske og kemiske egenskaber, væskefaser eller krystaller (selv når begge består af oxygenatomer). De teoretiserer, at storstilet syntese af cyklisk ozon sandsynligvis er, hvis struktur ligner strukturen i en rødlig, iltet trekant.

Det er her de "normale allotropes" af ilt slutter. Der er imidlertid to andre til at overveje: O ₄ og O ₈, fundet eller foreslået i flydende og fast oxygen hhv.

Flydende ilt

Gasformigt ilt er farveløst, men når temperaturen falder til -183 ºC, kondenseres det til en lyseblå væske (svarer til lyseblå). Interaktionerne mellem O _2- molekyler er nu sådan, at selv deres elektroner kan absorbere fotoner i det røde område af det synlige spektrum for at afspejle deres karakteristiske blå farve.

Det er imidlertid blevet teoretiseret, at i denne væske er der mere end simple O ₂ molekyler, men også en O ₄ molekyle (nederste billede). Det ser ud til, at ozonet var blevet "fastlåst" af et andet iltatom, der på en eller anden måde griber ind for den positive formelle ladning, der netop er beskrevet.

Foreslået modelstruktur med kugler og stænger til tetraoxygenmolekylet. Kilde: Benjah-bmm27

Problemet er, at ifølge beregningsmæssige og molekylære simuleringer, hvilken struktur for O ₄ er ikke ligefrem stabilt; de forudsiger imidlertid, at de eksisterer som (O ₂) _2- enheder, det vil sige to O _2- molekyler er så tæt, at de danner en slags uregelmæssig ramme (O-atomerne er ikke på linje overfor hinanden).

Fast ilt

Når temperaturen falder til -218,79 ºC, udkrystalliserer ilt i en simpel kubisk struktur (γ-fase). Når temperaturen falder yderligere, gennemgår den kubiske krystal overgange til ß (rhombohedrale og -229,35 ° C) og α (monokliniske og -249,35 ° C) faser.

Alle disse krystallinske faser af fast ilt forekommer ved omgivelsestryk (1 atm). Når trykket stiger til 9 GPa (~ 9000 atm), vises 6-fasen, hvis krystaller er orange. Hvis trykket fortsætter med at stige til 10 GPa, vises den faste røde ilt- eller ε-fase (igen monoklinisk).

Den ε fase er speciel, fordi trykket er så enorm, at O ₂ molekyler ikke kun arrangere sig som O ₄ enheder, men også O ₈:

Modelstruktur med kugler og stænger til octa-iltmolekylet. Kilde: Benjah-bmm27

Bemærk, at denne O ₈ består af to O ₄ enheder, hvor den uregelmæssige ramme allerede forklaret kan ses. Ligeledes er det gyldigt at betragte det som fire O _{2'er, der er} rettet tæt sammen og i lodrette positioner. Men deres stabilitet under dette tryk er således, at O ₄ og O ₈ er to yderligere allotropes for oxygen.

Og endelig har vi ζ-fasen, metallisk (ved tryk større end 96 GPa), hvor trykket får elektronerne til at sprede sig i krystallen; ligesom det sker med metaller.

Hvor man finder og producerer

Mineraler

Oxygen er det tredje element i universet efter masse bagved brint og helium. Det er det mest rigelige element i jordskorpen, der repræsenterer omkring 50% af dens masse. Det findes hovedsageligt i kombination med silicium, i form af siliciumoxid (SiO ₂).

Oxygen findes som en del af utallige mineraler, såsom: kvarts, talkum, feldspars, hæmatit, cuprite, brucite, malachite, limonit osv. Ligeledes er det placeret som en del af adskillige forbindelser såsom carbonater, phosphater, sulfater, nitrater osv.

Luft

Oxygen udgør 20,8% volumen af atmosfæren. I troposfæren findes den primært som et diatomisk iltmolekyle. Mens det i stratosfæren, et gasformigt lag mellem 15 og 50 km fra jordoverfladen, findes det som ozon.

Ozon produceres ved en elektrisk udladning på O _2- molekylet. Denne allotrope ilt absorberer ultraviolet lys fra solstråling og blokerer dets skadelige virkning på mennesker, som i ekstreme tilfælde er forbundet med udseendet af melanomer.

Frisk og salt vand

Oxygen er en vigtig komponent i havvand og ferskvand fra søer, floder og grundvand. Oxygen er en del af den kemiske formel for vand, der udgør 89% af det i masse.

På den anden side, selv om opløseligheden af ilt i vand er relativt lav, er mængden af ilt, der er opløst i det, afgørende for akvatisk liv, som inkluderer mange dyrearter og alger.

Levende væsner

Mennesket består af cirka 60% vand og på samme tid rig på ilt. Men derudover er ilt en del af adskillige forbindelser, såsom fosfater, carbonater, carboxylsyrer, ketoner osv., Som er essentielle for livet.

Oxygen er også til stede i polysaccharider, lipider, proteiner og nukleinsyrer; det vil sige de såkaldte biologiske makromolekyler.

Det er også en del af skadeligt affald fra menneskelig aktivitet, for eksempel: kulilte og dioxid samt svovldioxid.

Biologisk produktion

Planter er ansvarlige for at berige luften med ilt i bytte for den kuldioxid, som vi udånder. Kilde: Pexels.

Oxygen produceres under fotosyntesen, en proces, hvor marine planteplankton og landplanter bruger lysenergi til at få kuldioxid til at reagere med vand, skabe glukose og frigive ilt.

Det anslås, at mere end 55% af det ilt, der produceres ved fotosyntesen, skyldes virkningen af det marine planteplankton. Derfor udgør den den vigtigste kilde til iltgenerering på Jorden og er ansvarlig for at opretholde livet på den.

Industriel produktion

Lufttilførsel

Den vigtigste metode til produktion af ilt i industriel form er den, der blev oprettet i 1895, uafhængigt af Karl Paul Gottfried Von Linde og William Hamson. Denne metode bruges fortsat i dag med nogle ændringer.

Processen begynder med en komprimering af luften for at kondensere vanddampen og således fjerne den. Derefter sigtes luften ved at blive ledet af en blanding af zeolit og silicagel til eliminering af carbondioxid, tunge kulbrinter og resten af vand.

Efterfølgende adskilles komponenterne i den flydende luft gennem en fraktioneret destillation, hvilket opnår adskillelsen af de gasser, der er til stede i den ved deres forskellige kogepunkter. Ved denne metode er det muligt at opnå ilt med 99% renhed.

Elektrolyse af vand

Oxygen produceres ved elektrolyse af stærkt oprenset vand og med en elektrisk ledningsevne, der ikke overstiger 1 µS / cm. Vand adskilles ved elektrolyse i dets komponenter. Brint som kation bevæger sig mod katoden (-); mens ilt bevæger sig mod anoden (+).

Elektroderne har en særlig struktur til at opsamle gasserne og derefter frembringe deres flydende virkning.

Termisk nedbrydning

Termisk nedbrydning af forbindelser såsom kviksølvoxid og salpetre (kaliumnitrat) frigiver ilt, som kan opsamles til brug. Peroxider bruges også til dette formål.

Biologisk rolle

Oxygen produceres af planteplankton og landplanter gennem fotosyntesen. Det krydser lungevæggen og i blodet fanges det af hæmoglobin, som transporterer det til forskellige organer for senere at blive brugt i cellulær metabolisme.

I denne proces anvendes ilt under metabolismen af kulhydrater, fedtsyrer og aminosyrer til i sidste ende at producere kuldioxid og energi.

Respiration kan beskrives som følger:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ => CO ₂ + H ₂ O + Energi

Glukose metaboliseres i et sæt sekventielle kemiske processer, herunder glycolyse, Krebs-cyklus, elektrontransportkæden og oxidativ phosphorylering. Denne serie af begivenheder producerer energi, der akkumuleres som ATP (adenosintrifosfat).

ATP bruges i forskellige processer i celler, herunder transport af ioner og andre stoffer over plasmamembranen; stofferabsorption af stoffer; sammentrækning af forskellige muskelceller; metabolismen af forskellige molekyler osv.

Polymorphonuclear leukocytter og makrofager er fagocytiske celler, der er i stand til at bruge ilt til at producere superoxidion, hydrogenperoxid og singlet oxygen, der bruges til at ødelægge mikroorganismer.

Risici

Indånding af ilt ved højt tryk kan forårsage kvalme, svimmelhed, muskelspasmer, synstab, anfald og tab af bevidsthed. Derudover forårsager indånding af rent ilt i en lang periode langsom irritation af lungerne, manifesteret ved hoste og åndenød.

Det kan også være årsagen til dannelse af lungeødem: en meget alvorlig tilstand, der begrænser luftvejsfunktionen.

En atmosfære med en høj koncentration af ilt kan være farlig, da det letter udviklingen af brande og eksplosioner.

Applikationer

Læger

Oxygen administreres til patienter, der har respirationssvigt; sådan er tilfældet med patienter med lungebetændelse, lungeødem eller emfysem. De kunne ikke indånde det omgivende ilt, da de ville blive alvorligt påvirket.

Patienter med hjertesvigt med væskeansamling i alveolerne skal også forsynes med ilt; såvel som patienter, der har lidt en alvorlig cerebrovaskulær ulykke (CVA).

Erhvervsmæssigt behov

Brandmænd, der kæmper for en brand i et miljø med utilstrækkelig ventilation, kræver brug af masker og iltcylindre, der giver dem mulighed for at udføre deres funktioner uden at sætte deres liv i fare.

Ubåde er udstyret med iltproduktionsudstyr, der giver sejlere mulighed for at opholde sig i et lukket miljø og uden adgang til atmosfærisk luft.

Dykkere udfører deres arbejde nedsænket i vand og dermed isoleret fra atmosfærisk luft. De indånder ilt, der pumpes gennem rør, der er forbundet til deres dykkerdragt eller brug af cylindre, der er fastgjort til dykkerens krop.

Astronauter udfører deres aktiviteter i miljøer udstyret med iltgeneratorer, der tillader overlevelse under rumfart og i en rumstation.

Industriel

Mere end 50% af det industrielt producerede ilt forbruges ved omdannelse af jern til stål. Det smeltede jern injiceres med en iltstråle for at fjerne det tilstedeværende svovl og kulstof; de reagerer for at producere henholdsvis gasserne SO ₂ og CO ₂.

Acetylen bruges i kombination med ilt til at skære metalplader og også til at fremstille deres loddemetode. Oxygen anvendes også til fremstilling af glas, hvilket øger forbrændingen i fyringen af glasset for at forbedre dets gennemsigtighed.

Atomabsorptionsspektrofotometri

Kombinationen af acetylen og ilt bruges til at brænde prøver af forskellig oprindelse i et atomabsorptionsspektrofotometer.

Under proceduren presses en lysstråle fra en lampe på flammen, hvilket er specifikt for det element, der skal kvantificeres. Flammen absorberer lyset fra lampen, så elementet kan kvantificeres.

Referencer

Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
Wikipedia. (2019). Ilt. Gendannet fra: en.wikipedia.org
Richard Van Noorden. (13. september 2006). Bare en smuk fase? Fast rød ilt: ubrugelig, men dejlig. Gendannes fra: nature.com
AzoNano. (4. december 2006). Fast ilt-e-fase krystalstruktur bestemt sammen med opdagelsen af en rød ilt O8-klynge. Gendannes fra: azonano.com
National Center for Biotechnology Information. (2019). Oxygenmolekyle. PubChem-database. CID = 977. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta om iltbestanddele. Chemicool. Gendannes fra: chemicool.com
Robert C. børstet. (9. juli 2019). Oxygen: kemisk element. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
Wiki Børn. (2019). Oxygenfamilie: egenskaber ved VIA-elementer. Gendannes fra: simpelthen.videnskab
Advameg, Inc. (2019). Ilt. Gendannes fra: madehow.com
Lenntech BV (2019). Periodisk tabel: ilt. Gendannes fra: lenntech.com
New Jersey Department of Health and Senior Services. (2007). Oxygen: faktablad om farligt stof.. Gendannes fra: nj.gov
Yamel Mattarollo. (2015, 26. august). Industrielle anvendelser af industrielt ilt. Gendannes fra: altecdust.com

OXYGEN: EGENSKABER, STRUKTUR, RISICI, ANVENDELSER - KEMI - 2025