مقدمه ای بر اکسیژن

اکسیژن یکی از رایج ترین عناصر روی زمین و کیهان است. دارای طیف گسترده ای از خواص از جمله پارامغناطیس و قابلیت احتراق است. اکسیژن گازی بی رنگ و بی بو است و سومین عنصر فراوان هم بر روی زمین و هم در جهان گسترده تر است. کاربردهای زیادی از جمله در پزشکی و احتراق سوخت دارد. به دلیل ماهیت بسیار واکنش پذیر، اکسیژن به طور شگفت انگیزی در طبیعت و صنعت نقش حیاتی ایفا می کند. مهمتر از همه، اکسیژن مسئول بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی حیاتی است، زندگی روی زمین بدون فراوانی آن وجود نخواهد داشت.

ده حقایق جالب و سرگرم کننده در مورد اکسیژن

1. همه موجودات زنده هوازی برای زنده ماندن و رشد به اکسیژن نیاز دارند. این شامل گیاهان، حیوانات و قارچ ها می شود. فقط موجودات بی هوازی می توانند بدون اکسیژن زنده بمانند.
2. قبل از اینکه در سال 1961 با کربن 12 جایگزین شود، اکسیژن استاندارد وزن اتمی بود.
3. در طول دوره کربونیفر 350 میلیون سال پیش، سطح اکسیژن در جو 35٪ بود. این به حشرات اجازه می دهد تا نزدیک به 10 برابر اندازه مدرن خود رشد کنند!
4. اکسیژن طبیعی دارای سه ایزوتوپ است، اما اکسیژن 16 فراوان ترین است و مسئول تقریباً 99.7 درصد عنصر موجود در طبیعت است.
5. هنگامی که الکترون های بیرونی اکسیژن به حالت برانگیخته می پرند، رنگ های روشنی مانند بنفش و سبز تولید می کنند. اینگونه است که اکسیژن شفق قطبی را ایجاد می کند!
6. تولید اکسیژن جامد بسیار دشوار است زیرا نقطه ذوب بسیار کمی دارد.
7. اتم‌های منفرد اکسیژن در طبیعت بسیار نادر هستند – آنها در واقع دو اتمی هستند! اتم های اکسیژن تقریباً همیشه به یک اتم اکسیژن دیگر یا به عنصر دیگری متصل هستند.
8. اکسیژن می تواند در هسته ستارگان تشکیل شود
9. آب شیرین در هر لیتر اکسیژن بیشتری نسبت به آب دریا دارد. آب دریا فقط حدود 82 درصد به اندازه آب شیرین حاوی اکسیژن است.
10. اکسیژن فراوان ترین عنصر در بدن انسان از نظر جرم است. تقریباً ⅔ وزن بدن ما اکسیژن است!

اکسیژن در جدول تناوبی

اکسیژن هشتمین عنصر جدول تناوبی است و دارای نماد O است. عدد اتمی آن 8 است زیرا دارای 8 پروتون است. این یک Chalcogen است، یعنی در گروه 16 جدول تناوبی قرار دارد. یک اتم اکسیژن دارای 6 الکترون ظرفیتی و دارای بار 2- است. اکسیژن یکی از الکترونگاتیوترین عناصر با 3.44 در مقیاس پالینگ است و بنابراین در سمت راست بالای جدول تناوبی قرار دارد. آن را در p-block و گاز یک پیکربندی از واقع شده است [He] 2s²2p4

اکسیژن در محیط

اکسیژن بیشتر به عنوان آلوتروپ، به ویژه O یافت می شود₂ و O₃ (ازن). ازن واکنش پذیرتر از O است₂ و با جذب اشعه ماوراء بنفش نور خورشید نقش مهمی در شیمی اتمسفر ایفا می کند. بدون لایه اوزون جو زمین، شاخص UV در سطح برای موجودات زنده بسیار بالا خواهد بود. همانطور که گازهای گلخانه ای به مرور زمان ازن را از بین می برند، اشعه ماوراء بنفش بیشتری وارد جو زمین می شود و باعث گرم شدن کره زمین می شود.

اهمیت اکسیژن برای زندگی:

اکسیژن به دلیل نیاز به تنفس سلولی معروف است. انرژی را در میتوکندری برای تولید آدنوزین تری فسفات در طی فسفوریلاسیون اکسیداتیو آزاد می کند که اغلب با معادله شیمیایی نشان داده می شود:

اکسیژن دیاتومیک از طریق غشاهای ریه و گلبول های قرمز پخش می شود و به هموگلوبین متصل می شود و رنگ قرمز متمایز آن را به خون می دهد. انسان به طور متوسط ​​در حالت استراحت تقریباً 2 گرم اکسیژن در دقیقه استنشاق می کند.

قبل از وجود اولین موجودات تک سلولی، گاز اکسیژن آزاد روی زمین بسیار نادر بود. باکتری‌های فتوسنتزی و باستان‌شناسی 3.5 میلیارد سال پیش تکامل یافتند و شروع به افزایش غلظت اکسیژن در جو کردند. با این حال، بیش از یک میلیارد سال طول کشید تا موجودات هوازی به شکل غالب حیات روی زمین تبدیل شوند و حجم اکسیژن جو را به شدت افزایش دهند. در 500 میلیون سال گذشته، سطح اکسیژن اتمسفر بین 15 تا 30 درصد در نوسان بوده و امروزه در حدود 21 درصد است.

عنصر کاربردهای اکسیژن در دنیای امروز

سوخت موشک

اکسیژن یک واکنش دهنده اولیه در واکنش های احتراق گرمازا است که در صنایع در سراسر جهان استفاده می شود. یکی از معروف ترین کاربردهای اکسیژن مایع به ویژه، که “LOX” نامیده می شود، نقش آن به عنوان یک اکسید کننده در تولید سوخت موشک است که برای اولین بار توسط دانشمند ناسا استفاده شد. رابرت گدارد در سال 1962. هنوز هم احتراق اولیه در سوخت موشک امروزی است.

دارو

اکسیژن گازی اغلب در پزشکی استفاده می شود، به ویژه برای بیمارانی که در تلاش برای تنفس مستقل هستند. مخازن اکسیژن با لوله های متصل به بینی برای بیماران بیمارستانی تجویز می شود تا به تنفس کمک کرده و سطح اکسیژن خون را ثابت نگه دارد. به طور معمول، مردم در هوا تنفس می کنند که از 79 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن احتراق می شود. نیتروژن به داخل و سپس دوباره بدون تغییر خارج می شود. در پزشکی، اکسیژن برای جلوگیری از آلودگی به قدری خالص است که بیماران فقط گاز مورد نیاز خود را تنفس می کنند.

صنعت

اکسیژن دو اتمی به راحتی با فلزات ترکیب می شود و اکسید تولید می کند و همچنین مسئول خوردگی است. خوردگی یک پوشش محافظ در اطراف فلز ایجاد می کند که به کاربردهای صنعتی متعدد اکسیژن می دهد. معروف است که با آهن واکنش می دهد و اکسید آهن (III) را تشکیل می دهد که از طریق اکسیداسیون منجر به زنگ زدگی می شود. وقتی چیزی در حال سوختن است، اکسیژن سوخت را اکسید می کند. اگر اکسیژن کمتری در اتمسفر وجود داشته باشد، ایجاد آتش سوزی بسیار دشوار خواهد بود.

آزمایشگاه

اکسیژن خالص معمولاً از طریق الکترولیز به دست می آید، فرآیندی که در آن جریان الکتریکی از آب عبور می کند. این به مولکول های آب انرژی کافی برای شکستن پیوندهای بین هیدروژن و اکسیژن می دهد و گاز خالص اکسیژن و هیدروژن آزاد می کند. در شرایط آزمایشگاهی، اگر غلظت اکسیژن اتمسفر افزایش یابد، می توان مواد را با کارایی بیشتری احتراق کرد. وقتی چیزی در حال سوختن است، اکسیژن سوخت را اکسید می کند. اگر اکسیژن کمتری در اتمسفر وجود داشته باشد، ایجاد آتش بسیار دشوار خواهد بود!

اکسیژن نیز یکی از عناصری است که می تواند همراه با نیتروژن و فلوئور در پیوند هیدروژنی شرکت کند. این قابلیت اتصال به آن اجازه می دهد تا ترکیبات قوی با نقطه جوش بالاتر مانند آب تشکیل دهد.

کی و چگونه اکسیژن کشف شد

تاریخچه اکسیژن

هوا برای اولین بار بیش از 2500 سال پیش توسط یونانیان باستان به عنوان یک “عنصر” شناسایی شد. آنها هوا را با آتش، باد و آب دسته بندی کردند.

با این حال، کشف صحیح اکسیژن عمدتاً به دانشمند انگلیسی نسبت داده می شود جوزف پریستلی. پریستلی آزمایش‌های مختلفی را روی نمونه‌های هوا انجام داد و توانست ثابت کند که یک ترکیب یکنواخت نیست، بلکه مخلوطی از عناصر مختلف است که هر کدام واکنش‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

برخی هستند که به شیمیدان آلمانی اعتبار می دهند کارل ویلهلم استیل با کشف اکسیژن در سال 1773، اگرچه گاهی اوقات این موضوع مورد مناقشه قرار می گیرد. استیل نتایج تجربی خود را تا سال 1774 منتشر نکرد، درست پس از انتشار پریستلی. ممکن است هر دو دانشمند این عنصر را در یک زمان به طور مستقل کشف کرده باشند، شبیه به چگونگی اسحاق نیوتن و گوتفرید ویلهلم لایب نیتس هر دو پایه های حساب را کشف کردند.

اکسیژن در کجای کیهان یافت می شود؟

در شکل عنصری خود، اکسیژن سومین عنصر رایج در پوسته زمین و دومین عنصر رایج در جو زمین است. اکسیژن دیاتومیک و ازن به ندرت خارج از این دو شرایط یافت می شود. با این حال، ترکیبات اکسیژن در طبیعت و در صنعت بسیار رایج هستند.

جداسازی اکسیژن

اکسیژن از طریق روشی به نام روش تقطیر کسری جداسازی می شود. این کار با محتوی هوای اتمسفر، خنک کردن آن تا -181 درجه سانتیگراد انجام می شود که در آن نقطه اکسیژن مایع می شود. سپس این اکسیژن مایع برداشت می شود. می توان آن را به شکل مایع با دمای پایین نگه داشت یا به راحتی به گاز تبدیل کرد.

شیمی اکسیژن – ترکیبات، واکنش ها، حالت های اکسیداسیون

خواص شیمیایی اکسیژن

اکسیژن بسیار واکنش پذیر است و بیشتر با عناصر دیگر اکسید تشکیل می دهد، اما قادر به تشکیل طیف گسترده ای از ترکیبات است. اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده قوی عمل می کند و دومین عنصر الکترونگاتیو پس از فلوئور است. در دما و فشار استاندارد، اکسیژن (STP) مولکول های دو اتمی را در یک گاز بی رنگ و بی بو تشکیل می دهد. اکسیژن نیز در آب محلول است، اما این یک ویژگی وابسته به دما است.

اکسیژن مایع

اکسیژن مایع نسبت به اکسیژن گازی رنگ آبی قابل توجه تری دارد و نسبتاً عامل اکسید کننده بسیار قوی تری است و همچنین واکنش پذیرتر است. اکسیژن در شکل مایع خود تمایل به ایجاد واکنش‌های بسیار پرانرژی در حضور مولکول‌های آلی، اغلب به شکل واکنش‌های احتراق یا انفجار دارد. در نتیجه اسپین موازی الکترون های جفت نشده، به شدت پارامغناطیس است. پارامغناطیس آن چنان قوی است که دو قطب یک آهنربا وجود دارد. در واقع می تواند اکسیژن مایع را معلق کند الکترون های جفت نشده در اوربیتال های مولکولی مسئول رنگ کمی مایل به آبی هستند که وقتی اکسیژن به شکل مایع است، تشخیص آن آسان تر است.

حالت های اکسیداسیون اکسیژن

اکسیژن می تواند چندین حالت اکسیداسیون را نشان دهد، اما معمولاً -2 را نشان می دهد. حالت اکسیداسیون -1 در پراکسیدها و پرسولفات ها وجود دارد. حالت های اکسیداسیون 1+ و 2+ برای اکسیژن بسیار نادر است و زمانی رخ می دهد که با فلوئور ترکیب شود.

اکسیژن ترکیبات

اکسیژن یک عنصر بسیار واکنش پذیر است. گازهای نجیب هلیوم و نئون تنها عناصری هستند که اکسیژن با آنها ترکیب نمی شود و دلیل آن این است که آنها به تنهایی بسیار پایدار هستند.

• H2O – آب
• Fe2O3 – اکسید آهن (III) (زنگ)
• CO2 – دی اکسید کربن (محصول تنفس)
• SiO2 – دی اکسید سیلیکون (موجود در گرانیت و ماسه)
• Al2O – اکسید آلومینیوم (در بوکسیت و کوراندوم)
• حدودCO₃. – کربنات کلسیم (در سنگ آهک و سیلیکات)
• C2H4O – اکسید اتیلن (برای تهیه ضدیخ استفاده می شود)

اکسیژن در بسیاری از گروه های عملکردی آلی از جمله الکل ها، استرها و کتون ها نیز وجود دارد. این یکی از دو اتم اولیه در کربونیل است که یک بلوک ساختمانی اساسی برای مولکول‌های آلی است.

خواص فیزیکی اکسیژن:

در حالت گازی، اکسیژن بی رنگ، بی بو و بی مزه است.

• نماد اکسیژن: O
• نقطه ذوب: 54 K
• نقطه جوش: 90 K
• حالت های اکسیداسیون: -2 (شایع ترین)، -1، +1، +2 (کمتر رایج)
• چگالی: 1.43 گرم در لیتر
• وزن اتمی: 15.99 u
• عدد اتمی: 8
• الکترونگاتیوی: 3.44
• طبقه بندی: غیر فلزی، کالکوژن
• فراوانی طبیعی: 46.6 درصد از پوسته زمین
• پیکربندی پوسته الکترونی: [He] 2s²2p4
• انرژی یونیزاسیون: 13.61 eV

از کجا می توانم اکسیژن بخرم؟

کپسول های اکسیژن را می توان بدون نسخه در اکثر داروخانه ها خریداری کرد. این می تواند برای مصارف پزشکی و همچنین عملکرد ورزشی استفاده شود. یک کوهنورد ممکن است نیاز به استفاده از قوطی اکسیژن برای حفظ سلامت قلب و عروق در هنگام نزدیک شدن به ارتفاع خاصی داشته باشد. با این حال، اکسیژن مایع را باید مستقیماً از یک آزمایشگاه یا شرکت شیمیایی خریداری کرد، زیرا برای حفظ این وضعیت انرژی پایین باید در دمای بسیار پایین نگهداری شود.