Tlen: właściwości chemiczne pierwiastka

Jednym z najważniejszych elementów na naszej planecie jest tlen. Chemiczne właściwości tej substancji pozwalają jej uczestniczyć w procesach biologicznych, a zwiększona aktywność sprawia, że ​​tlen jest istotnym uczestnikiem we wszystkich znanych reakcjach chemicznych. W stanie wolnym substancja ta jest obecna w atmosferze. W stanie związanym tlen jest zawarty w składzie minerałów, skał, złożonych substancji, które składają się na różne żywe organizmy. Całkowita ilość tlenu na Ziemi szacowana jest na 47% całkowitej masy naszej planety.

Oznaczenie tlenu

W układzie okresowym tlen zajmuje ósmą komórkę tego stołu. Jego międzynarodowa nazwa to oxigenium. W zapisach chemicznych jest to oznaczone łacińską literą "O". W środowisku naturalnym atom tlenu nie występuje, jego cząsteczki łączą się, tworząc parę cząsteczek gazu, których masa cząsteczkowa wynosi 32 g / mol.

Powietrze i tlen

Powietrze jest mieszaniną kilku gazów występujących na Ziemi. Najwięcej w powietrzu masy azotu - 78,2% objętościowo i 75,5% wagowych. Tlen zajmuje tylko drugie miejsce pod względem wielkości - 20,9%, a waga - 23,2%. Trzecie miejsce przypisuje się szlachetnym gazom. Pozostałe zanieczyszczenia - dwutlenek węgla, para wodna, pył i tak dalej - zajmują tylko ułamek procenta całkowitej masy powietrza.

Cała masa naturalnego tlenu jest mieszaniną trzech izotopów - ¹⁶ O, ¹⁷ O, ¹⁸ O. Udział tych izotopów w całkowitej masie tlenu wynosi odpowiednio 99,76%, 0,04% i 0,2%.

Właściwości fizyczne i chemiczne tlenu

Jeden litr powietrza waży 1,293 g w normalnych warunkach, kiedy temperatura spada do -140 ° C, powietrze staje się bezbarwną przezroczystą cieczą. Pomimo niskiej temperatury wrzenia powietrze może być utrzymywane w stanie ciekłym nawet w temperaturze pokojowej. Aby to zrobić, płyn musi być umieszczony w tzw Naczynie Dewara. Zanurzenie w ciekłym tlenie zasadniczo zmienia zwykłe właściwości przedmiotów. Alkohol etylowy i wiele gazów staje się twardymi przedmiotami, rtęć nabywa twardości i plastyczności, a gumowa kula traci swoją elastyczność i kruszy się przy najmniejszym uderzeniu.

Tlen jest rozpuszczalny w wodzie, chociaż w niewielkich ilościach - woda morska zawiera 3-5% tlenu. Ale nawet tak niewielka ilość tego gazu oznaczała początek istnienia ryb, skorupiaków i różnych organizmów morskich, które pobierają tlen z wody w celu wsparcia własnych procesów podtrzymywania życia.

Struktura atomu tlenu

Opisane właściwości tlenu wynikają przede wszystkim z wewnętrznej struktury tego pierwiastka.

Tlen należy do głównej podgrupy szóstej grupy pierwiastków układu okresowego. W zewnętrznym obłoku elektronowym elementu znajduje się sześć elektronów, z których cztery zajmują p-orbitale, a pozostałe dwa znajdują się na orbitalach s. Ta wewnętrzna struktura powoduje duże koszty energii, mające na celu przełamanie wiązań elektronicznych - atom tlenu łatwiej jest pożyczyć dwa brakujące elektrony na zewnętrzny orbital, niż zrezygnować z jego sześciu. W związku z tym kowalencyjność tlenu w większości przypadków jest równa dwóm. Dzięki dwóm wolnym elektronom tlen łatwo tworzy dwuatomowe cząsteczki, które charakteryzują się wysoką siłą wiązania. Tylko przy przyłożonej energii większej niż 498 J / mol molekuły rozpadają się i tworzy się tlen atomowy. Chemiczne właściwości tego pierwiastka pozwalają mu reagować ze wszystkimi znanymi substancjami, z wyjątkiem helu, neonu i argonu. Szybkość interakcji zależy od temperatury reakcji i charakteru substancji.

Właściwości chemiczne tlenu

W przypadku różnych substancji tlen wchodzi w reakcję tworzenia tlenków, a reakcje te są charakterystyczne dla metali i niemetali. Związki tlenu z metalami nazywane są tlenkami zasadowymi - klasycznym przykładem są tlenek magnezu i tlenek wapnia. Oddziaływanie tlenków metali z wodą prowadzi do powstawania wodorotlenków, potwierdzając aktywne chemiczne właściwości tlenu. W przypadku niemetali substancja ta tworzy kwaśne tlenki - na przykład trójtlenek siarki SO _3. Gdy ten pierwiastek oddziałuje z wodą, okazuje się, że kwas siarkowy.

Aktywność chemiczna

Przy ogromnej większości pierwiastków tlen oddziałuje bezpośrednio. Wyjątkami są złoto, halogeny i platyna. Interakcja tlenu z pewnymi substancjami ulega znacznemu przyspieszeniu w obecności katalizatorów. Na przykład mieszanina wodoru i tlenu w obecności platyny reaguje nawet w temperaturze pokojowej. W ogłuszającym wybuchu mieszanina zamienia się w zwykłą wodę, której ważnym elementem jest tlen. Właściwości chemiczne i wysoka aktywność tego pierwiastka wyjaśniają uwalnianie dużej ilości światła i ciepła, więc reakcje chemiczne z tlenem są często nazywane wypalaniem.

Spalanie w czystym tlenie występuje znacznie intensywniej niż w powietrzu, chociaż ilość wydzielanego podczas reakcji ciepła będzie w przybliżeniu taka sama, ale z powodu braku azotu proces przebiega znacznie szybciej, a temperatura spalania staje się wyższa.

Produkcja tlenu

W 1774 r. Angielski naukowiec D. Kapłańskie wypuściło nieznany gaz z reakcji rozkładu tlenku rtęci. Ale naukowiec nie skojarzył uwolnionego gazu z już znaną substancją skład powietrza. Zaledwie kilka lat później wielki Lavoisier zbadał właściwości fizykochemiczne tlenu uzyskanego w tej reakcji i udowodnił swoją tożsamość z gazem, który tworzy powietrze. We współczesnym świecie tlen pochodzi z powietrza. W laboratoriach używam tlenu przemysłowego, który jest dostarczany przez butle pod ciśnieniem około 15 MPa. Czysty tlen można również uzyskać w warunkach laboratoryjnych, standardową metodą jego produkcji jest termiczny rozkład nadmanganianu potasu, który przebiega zgodnie ze wzorem:

Produkcja ozonu

Jeśli energia elektryczna przepuszczana jest przez tlen lub powietrze, w atmosferze pojawi się charakterystyczny zapach, który zwiastuje pojawienie się nowej substancji - ozonu. Ozon można również uzyskać z chemicznie czystego tlenu. Tworzenie tej substancji można wyrazić za pomocą następującego wzoru:

3O ₂ = 2O ₃

Ta reakcja nie może przebiegać niezależnie - dla jej pomyślnego zakończenia niezbędna jest energia zewnętrzna. Ale odwrotna konwersja ozonu w tlen występuje spontanicznie. Właściwości chemiczne tlenu i ozonu różnią się znacznie. Ozon różni się od tlenu gęstością, temperaturą topnienia i temperaturą wrzenia. W normalnych warunkach gaz ten jest niebieski i ma charakterystyczny zapach. Ozon ma wyższą przewodność elektryczną i jest bardziej rozpuszczalny w wodzie niż tlen. Chemiczne właściwości ozonu tłumaczy się procesem jego rozpadu - podczas rozkładu cząsteczki tej substancji powstaje dwuatomowa cząsteczka tlenu plus jeden wolny atom tego pierwiastka, który reaguje agresywnie z innymi substancjami. Na przykład znana reakcja oddziaływania ozonu i tlenu: 6Ag + O ₃ = 3Ag ₂ O

Ale zwykły tlen nie łączy się ze srebrem, nawet w wysokich temperaturach.

W naturze aktywny rozpad ozonu jest obarczony tworzeniem się tzw dziury ozonowe które zagrażają procesom życiowym na naszej planecie.