חמצן (O) הוא יסוד כימי לא מתכתי מקבוצה 16 (VIa) של הטבלה המחזורית. זהו גז חסר צבע, חסר ריח וטעם החיוני לאורגניזמים חיים – בעלי חיים שהופכים אותו לפחמן דו חמצני וצמחים המשתמשים ב-CO2 כמקור פחמן ומחזירים O 2 לתוך האווירה. חמצן יוצר תרכובות על ידי תגובה כמעט עם כל יסוד אחר, וגם מחליף יסודות כימיים מחיבור זה עם זה. במקרים רבים, תהליכים אלו מלווים בשחרור של חום ואור. תרכובת החמצן החשובה ביותר היא מים.
היסטוריית גילוי
בשנת 1772, הכימאי השבדי קרל וילהלם שילה הדגים לראשונה חמצן על ידי חימום אשלגן חנקתי, תחמוצת כספית וחומרים רבים אחרים. ללא תלות בו, בשנת 1774, גילה הכימאי האנגלי ג'וזף פריסטלי את היסוד הכימי הזה על ידי פירוק תרמי של תחמוצת כספית ופרסם את ממצאיו באותה שנה, שלוש שנים לפני הפרסום.שייל. בשנים 1775-1780 פירש הכימאי הצרפתי אנטואן לבואזיה את תפקיד החמצן בנשימה ובבעירה, ודחה את תיאוריית הפלוגיסטון המקובלת באותה תקופה. הוא ציין את נטייתו ליצור חומצות בשילוב עם חומרים שונים וקרא ליסוד חמצן, שפירושו ביוונית הוא "ייצור חומצה".
שכיחות
מהו חמצן? המהווה 46% מהמסה של קרום כדור הארץ, זהו היסוד הנפוץ ביותר שלו. כמות החמצן באטמוספרה היא 21% בנפח, ובמשקל במי ים היא 89%.
בסלעים, היסוד משולב עם מתכות ולא-מתכות בצורה של תחמוצות, שהן חומציות (למשל, גופרית, פחמן, אלומיניום וזרחן) או בסיסיות (מלחים של סידן, מגנזיום וברזל), וכתרכובות דמויות מלח שניתן לראות בהן נוצרות מתחמוצות חומציות ובסיסיות כגון סולפטים, קרבונטים, סיליקטים, אלומינטים ופוספטים. למרות שהם רבים, מוצקים אלה אינם יכולים לשמש מקורות חמצן, שכן שבירת הקשר של יסוד עם אטומי מתכת גוזלת מדי אנרגיה.
תכונות
אם הטמפרטורה של חמצן מתחת ל-183 מעלות צלזיוס, אז הוא הופך לנוזל כחול בהיר, וב-218 מעלות צלזיוס - מוצק. Pure O2 כבד פי 1.1 מאוויר.
בזמן הנשימה, בעלי חיים וכמה חיידקים צורכים חמצן מהאטמוספירה ומחזירים פחמן דו חמצני, בעוד שבמהלך הפוטוסינתזה, צמחים ירוקים בנוכחות אור שמש סופגים פחמן דו חמצני ומשחררים חמצן חופשי. כִּמעַטכל O2 באטמוספירה מיוצר על ידי פוטוסינתזה.
ב-20 מעלות צלזיוס, כ-3 חלקי נפח של חמצן מתמוססים ב-100 חלקים של מים מתוקים, מעט פחות במי ים. זה הכרחי לנשימה של דגים וחיים ימיים אחרים.
חמצן טבעי הוא תערובת של שלושה איזוטופים יציבים: 16O (99.759%), 17O (0.037%) ו- 18O (0.204%). ידועים כמה איזוטופים רדיואקטיביים המיוצרים באופן מלאכותי. אורך החיים הארוך ביותר מבין אלה הוא 15O (עם זמן מחצית חיים של 124 שניות), המשמש לחקר הנשימה ביונקים.
Allotropes
רעיון ברור יותר של מה זה חמצן, מאפשר לך לקבל את שתי הצורות האלוטרופיות שלו, דיאטומי (O2) וטריאטומי (O3 , אוזון). המאפיינים של הצורה הדיאטומית מצביעים על כך ששישה אלקטרונים קושרים את האטומים ושניים נשארים בלתי מזווגים, מה שגורם לפארמגנטיות חמצן. שלושת האטומים במולקולת האוזון אינם בקו ישר.
ניתן לייצר אוזון לפי המשוואה: 3O2 → 2O3.
התהליך הוא אנדותרמי (דורש אנרגיה); ההמרה של אוזון חזרה לחמצן דיאטומי מתאפשרת על ידי נוכחות של מתכות מעבר או תחמוצות שלהן. חמצן טהור הופך לאוזון על ידי פריקה חשמלית זוהרת. התגובה מתרחשת גם עם בליעה של אור אולטרה סגול באורך גל של כ-250 ננומטר. התרחשות תהליך זה באטמוספרה העליונה מבטלת קרינה שעלולה לגרוםנזק לחיים על פני כדור הארץ. הריח החריף של האוזון קיים בחללים סגורים עם ציוד חשמלי מעורר כמו גנרטורים. זהו גז כחול בהיר. צפיפותו היא פי 1.658 מזו של אוויר, ויש לו נקודת רתיחה של -112 מעלות צלזיוס בלחץ אטמוספרי.
אוזון הוא חומר מחמצן חזק, המסוגל להפוך דו תחמוצת הגופרית לטריאוקסיד, גופרית לסולפט, יודיד ליוד (המספק שיטה אנליטית להערכתו), ותרכובות אורגניות רבות לנגזרות מחומצנות כגון אלדהידים וחומצות. ההמרה של פחמימנים מפליטת מכוניות לחומצות ואלדהידים אלו על ידי אוזון היא הגורמת ערפיח. בתעשייה, האוזון משמש כחומר כימי, חיטוי, טיפול בשפכים, טיהור מים והלבנת בדים.
קבלת שיטות
אופן הפקת החמצן תלוי בכמות הגז הנדרשת. שיטות המעבדה הן כדלקמן:
1. פירוק תרמי של מלחים מסוימים כמו אשלגן כלורט או אשלגן חנקתי:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
הפירוק של אשלגן כלורט מזורז על ידי תחמוצות מתכות מעבר. מנגן דו חמצני (פירולוזיט, MnO2) משמש לעתים קרובות לכך. הזרז מוריד את הטמפרטורה הדרושה ליצירת חמצן מ-400 ל-250 מעלות צלזיוס.
2. פירוק טמפרטורה של תחמוצות מתכת:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Schele ופריסטלי השתמשו בתרכובת (תחמוצת) של חמצן וכספית (II) כדי להשיג את היסוד הכימי הזה.
3. פירוק תרמי של חמצן מתכת או מי חמצן:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
השיטות התעשייתיות הראשונות להפרדת חמצן מהאטמוספרה או לייצור מי חמצן היו תלויות ביצירת בריום חמצן מהתחמוצת.
4. אלקטרוליזה של מים עם זיהומים קטנים של מלחים או חומצות, המספקות מוליכות זרם חשמלי:
2H2O → 2H2 + O2
ייצור תעשייתי
אם יש צורך להשיג כמויות גדולות של חמצן, נעשה שימוש בזיקוק חלקי של אוויר נוזלי. מבין המרכיבים העיקריים של האוויר, יש לו את נקודת הרתיחה הגבוהה ביותר ולכן הוא פחות נדיף מחנקן וארגון. התהליך משתמש בקירור של הגז כשהוא מתרחב. השלבים העיקריים של הפעולה הם כדלקמן:
- אוויר מסונן כדי להסיר חלקיקים;
- לחות ופחמן דו חמצני מוסרים על ידי ספיגה לתוך אלקלי;
- האוויר נדחס וחום הדחיסה מוסר בהליכי קירור רגילים;
- ואז הוא נכנס לסליל שנמצא בתוכומצלמה;
- חלק מהגז הדחוס (בלחץ של כ-200 atm) מתרחב בתא, מקרר את הסליל;
- גז מורחב חוזר למדחס ועובר מספר שלבים של התפשטות ודחיסה, וכתוצאה מכך נוזל ב-196 מעלות צלזיוס האוויר הופך לנוזלי;
- נוזל מחומם כדי לזקק את הגזים האינרטיים הקלים הראשונים, ואז נשאר חנקן וחמצן נוזלי. חלוקה מרובה מייצרת מוצר טהור מספיק (99.5%) עבור רוב המטרות התעשייתיות.
שימוש תעשייתי
מטאלורגיה היא הצרכן הגדול ביותר של חמצן טהור לייצור פלדה עתירת פחמן: היפטר מפחמן דו חמצני ומזיהומים אחרים שאינם מתכתיים מהר וקל יותר מאשר שימוש באוויר.
טיפול בשפכי חמצן מבטיח טיפול בשפכים נוזליים בצורה יעילה יותר מתהליכים כימיים אחרים. שריפת פסולת במערכות סגורות באמצעות O2.
. הופכת חשובה יותר ויותר
מה שנקרא מחמצן רקטות הוא חמצן נוזלי. Pure O2 בשימוש בצוללות ופעמוני צלילה.
בתעשייה הכימית, החמצן החליף אוויר רגיל בייצור חומרים כמו אצטילן, אתילן אוקסיד ומתנול. יישומים רפואיים כוללים שימוש בגז בתאי חמצן, משאפים ואינקובטורים לתינוקות. גז הרדמה מועשר בחמצן מספק תמיכת חיים במהלך הרדמה כללית. ללא יסוד כימי זה, מספרתעשיות המשתמשות בתנורי התכה. זה מה זה חמצן.
מאפיינים ותגובות כימיות
האלקטרושליליות הגבוהה והזיקה האלקטרונית של חמצן אופייניות ליסודות המפגינים תכונות לא מתכתיות. לכל תרכובות החמצן יש מצב חמצון שלילי. כאשר שני אורביטלים מלאים באלקטרונים, נוצר יון O2-. בפרוקסידים (O22-) מניחים שלכל אטום יש מטען של -1. תכונה זו של קבלת אלקטרונים בהעברה מלאה או חלקית קובעת את חומר החמצון. כאשר חומר כזה מגיב עם חומר תורם אלקטרונים, מצב החמצון שלו מופחת. השינוי (הירידה) במצב החמצון של חמצן מאפס ל-2 נקרא הפחתה.
בתנאים רגילים, היסוד יוצר תרכובות דו-אטומיות ותלת-אטומיות. בנוסף, קיימות מולקולות של ארבעה אטומים מאוד לא יציבות. בצורה הדו-אטומית, שני אלקטרונים לא מזווגים ממוקמים באורביטלים לא קשורים. זה מאושר על ידי ההתנהגות הפראמגנטית של הגז.
התגובתיות האינטנסיבית של האוזון מוסברת לפעמים על ידי ההנחה שאחד משלושת האטומים נמצא במצב "אטומי". בכניסה לתגובה, אטום זה מתנתק מ-O3 ומשאיר חמצן מולקולרי.
המולקולה O2 מגיבה חלשה בטמפרטורות סביבה ולחצים רגילים. חמצן אטומי פעיל הרבה יותר. אנרגיית הדיסוציאציה (O2 → 2O) היא משמעותית והוא 117.2 קק ל לכל שומה.
חיבורים
עם לא-מתכות כגון מימן, פחמן וגופרית, חמצן יוצר מגוון רחב של תרכובות הקשורות קוולנטיות, כולל תחמוצות של לא-מתכות כגון מים (H2O), דו תחמוצת הגופרית (SO2) ופחמן דו חמצני (CO2); תרכובות אורגניות כגון אלכוהול, אלדהידים וחומצות קרבוקסיליות; חומצות נפוצות כגון פחמן (H2CO3), גופרתית (H2SO4) וחנקן (HNO3); ומלחים מתאימים כגון נתרן סולפט (Na2SO4), נתרן קרבונט (Na2 CO 3) וניטראט נתרן (NaNO3). חמצן קיים בצורה של יון O2- במבנה הגבישי של תחמוצות מתכת מוצקות, כגון התרכובת (תחמוצת) של חמצן וסידן CaO. סופראוקסיד מתכת (KO2) מכילים את היון O2- יון, בעוד שחמצנים מתכתיים (BaO2), מכילים את היון O22-. לתרכובות חמצן יש בעיקר מצב חמצון של -2.
תכונות בסיסיות
לבסוף, אנו מפרטים את המאפיינים העיקריים של חמצן:
- תצורת אלקטרונים: 1s22s22p4.
- מספר אטומי: 8.
- מסה אטומית: 15.9994.
- נקודת רתיחה: -183.0 מעלות צלזיוס.
- נקודת התכה: -218.4 מעלות צלזיוס.
- צפיפות (אם לחץ החמצן הוא 1 atm ב-0°C): 1.429 גרם/ליטר.
- מצבי חמצון: -1, -2, +2 (בתרכובות עם פלואור).
