L'ossigeno (O) è un elemento chimico non metallico del gruppo 16 (VIa) della tavola periodica. È un gas incolore, inodore e insapore essenziale per gli organismi viventi: animali che lo trasformano in anidride carbonica e piante che utilizzano CO2 come fonte di carbonio e restituiscono O 2 nell'atmosfera. L'ossigeno forma composti reagendo con quasi tutti gli altri elementi e rimuove anche gli elementi chimici dal legame tra loro. In molti casi, questi processi sono accompagnati dal rilascio di calore e luce. Il composto più importante dell'ossigeno è l'acqua.
Cronologia delle scoperte
Nel 1772, il chimico svedese Carl Wilhelm Scheele dimostrò per la prima volta l'ossigeno riscaldando nitrato di potassio, ossido di mercurio e molte altre sostanze. Indipendentemente da lui, nel 1774, il chimico inglese Joseph Priestley scoprì questo elemento chimico per decomposizione termica dell'ossido di mercurio e pubblicò le sue scoperte nello stesso anno, tre anni prima della pubblicazione. Scheele. Nel 1775-1780, il chimico francese Antoine Lavoisier interpretò il ruolo dell'ossigeno nella respirazione e nella combustione, rifiutando la teoria del flogisto generalmente accettata all'epoca. Notò la sua tendenza a formare acidi quando combinato con varie sostanze e chiamò l'elemento oxygène, che in greco significa "produttore di acido".
Prevalenza
Cos'è l'ossigeno? Costituendo il 46% della massa della crosta terrestre, è il suo elemento più comune. La quantità di ossigeno nell'atmosfera è del 21% in volume e in peso nell'acqua di mare è dell'89%.
Nelle rocce, l'elemento è combinato con metalli e non metalli sotto forma di ossidi, che sono acidi (ad esempio zolfo, carbonio, alluminio e fosforo) o basici (sali di calcio, magnesio e ferro), e come composti simili al sale che possono essere considerati formati da ossidi acidi e basici come solfati, carbonati, silicati, alluminati e fosfati. Sebbene siano numerosi, questi solidi non possono fungere da fonti di ossigeno, poiché rompere il legame di un elemento con atomi di metallo consuma troppo energia.
Caratteristiche
Se la temperatura dell'ossigeno è inferiore a -183 °C, diventa un liquido blu pallido ea -218 °C - solido. Pure O2 è 1,1 volte più pesante dell'aria.
Durante la respirazione, gli animali e alcuni batteri consumano ossigeno dall'atmosfera e restituiscono anidride carbonica, mentre durante la fotosintesi, le piante verdi in presenza di luce solare assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno libero. Quasitutto O2 nell'atmosfera è prodotto dalla fotosintesi.
A 20 °C, circa 3 parti in volume di ossigeno si dissolvono in 100 parti di acqua dolce, leggermente meno in acqua di mare. Ciò è necessario per la respirazione dei pesci e di altre forme di vita marina.
L'ossigeno naturale è una miscela di tre isotopi stabili: 16O (99,759%), 17O (0,037%) e18O (0,204%). Sono noti diversi isotopi radioattivi prodotti artificialmente. Il più longevo di questi è 15O (con un'emivita di 124 s), che viene utilizzato per studiare la respirazione nei mammiferi.
Allotropi
Un'idea più chiara di cosa sia l'ossigeno, ti permette di ottenere le sue due forme allotropiche, biatomica (O2) e triatomica (O3 , ozono). Le proprietà della forma biatomica suggeriscono che sei elettroni legano gli atomi e due rimangono spaiati, causando il paramagnetismo dell'ossigeno. I tre atomi nella molecola di ozono non sono in linea retta.
L'ozono può essere prodotto secondo l'equazione: 3O2 → 2O3.
Il processo è endotermico (richiede energia); la riconversione dell'ozono in ossigeno biatomico è facilitata dalla presenza di metalli di transizione o loro ossidi. L'ossigeno puro viene convertito in ozono da una scarica elettrica incandescente. La reazione avviene anche per assorbimento di luce ultravioletta con una lunghezza d'onda di circa 250 nm. Il verificarsi di questo processo nell' alta atmosfera elimina le radiazioni che potrebbero causaredanni alla vita sulla superficie terrestre. L'odore pungente dell'ozono è presente negli spazi chiusi con apparecchiature elettriche che generano scintille come i generatori. È un gas azzurro. La sua densità è 1.658 volte quella dell'aria e ha un punto di ebollizione di -112°C a pressione atmosferica.
L'ozono è un forte agente ossidante, in grado di convertire l'anidride solforosa in triossido, il solfuro in solfato, lo ioduro in iodio (fornendo un metodo analitico per valutarlo) e molti composti organici in derivati ossigenati come aldeidi e acidi. La conversione degli idrocarburi dai gas di scarico delle auto in questi acidi e aldeidi da parte dell'ozono è ciò che provoca lo smog. Nell'industria, l'ozono viene utilizzato come agente chimico, disinfettante, trattamento delle acque reflue, purificazione dell'acqua e sbiancamento dei tessuti.
Metodi di acquisizione
Il modo in cui viene prodotto l'ossigeno dipende dalla quantità di gas necessaria. I metodi di laboratorio sono i seguenti:
1. Decomposizione termica di alcuni sali come il clorato di potassio o il nitrato di potassio:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
La decomposizione del clorato di potassio è catalizzata da ossidi di metalli di transizione. Per questo viene spesso utilizzato biossido di manganese (pirolusite, MnO2). Il catalizzatore abbassa la temperatura necessaria per far evolvere l'ossigeno da 400 a 250°C.
2. Decomposizione termica degli ossidi metallici:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele e Priestley hanno usato un composto (ossido) di ossigeno e mercurio (II) per ottenere questo elemento chimico.
3. Decomposizione termica di perossidi metallici o acqua ossigenata:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
I primi metodi industriali per separare l'ossigeno dall'atmosfera o per produrre perossido di idrogeno dipendevano dalla formazione di perossido di bario dall'ossido.
4. Elettrolisi dell'acqua con piccole impurità di sali o acidi, che forniscono la conducibilità della corrente elettrica:
2H2O → 2H2 + O2
Produzione industriale
Se è necessario ottenere grandi volumi di ossigeno, viene utilizzata la distillazione frazionata dell'aria liquida. Tra i principali costituenti dell'aria, ha il punto di ebollizione più alto ed è quindi meno volatile dell'azoto e dell'argon. Il processo utilizza il raffreddamento del gas mentre si espande. I passaggi principali dell'operazione sono i seguenti:
- l'aria viene filtrata per rimuovere il particolato;
- l'umidità e l'anidride carbonica vengono rimossi mediante assorbimento negli alcali;
- l'aria viene compressa e il calore di compressione viene rimosso dalle normali procedure di raffreddamento;
- poi entra nella bobina situata infotocamera;
- parte del gas compresso (alla pressione di circa 200 atm) si espande nella camera, raffreddando la batteria;
- il gas espanso ritorna al compressore e attraversa diverse fasi di espansione e compressione successive, risultando in un liquido a -196 °C l'aria diventa liquida;
- il liquido viene riscaldato per distillare i primi gas inerti leggeri, poi rimane l'azoto e l'ossigeno liquido. Il frazionamento multiplo produce un prodotto sufficientemente puro (99,5%) per la maggior parte degli scopi industriali.
Uso industriale
La metallurgia è il più grande consumatore di ossigeno puro per la produzione di acciaio ad alto tenore di carbonio: elimina l'anidride carbonica e altre impurità non metalliche più velocemente e facilmente rispetto all'utilizzo dell'aria.
Il trattamento delle acque reflue con ossigeno promette di trattare gli effluenti liquidi in modo più efficiente rispetto ad altri processi chimici. L'incenerimento dei rifiuti in sistemi chiusi utilizzando puro O2.
. sta diventando sempre più importante
Il cosiddetto ossidante per razzi è ossigeno liquido. Pure O2 Usato nei sottomarini e nelle campane da sub.
Nell'industria chimica, l'ossigeno ha sostituito la normale aria nella produzione di sostanze come acetilene, ossido di etilene e metanolo. Le applicazioni mediche includono l'uso del gas in camere di ossigeno, inalatori e incubatrici per bambini. Un gas anestetico arricchito di ossigeno fornisce supporto vitale durante l'anestesia generale. Senza questo elemento chimico, un certo numero diindustrie che utilizzano forni fusori. Ecco cos'è l'ossigeno.
Proprietà chimiche e reazioni
L'elevata elettronegatività e l'affinità elettronica dell'ossigeno sono tipiche degli elementi che presentano proprietà non metalliche. Tutti i composti dell'ossigeno hanno uno stato di ossidazione negativo. Quando due orbitali sono pieni di elettroni, si forma uno ione O2-. Nei perossidi (O22-) si presume che ogni atomo abbia una carica di -1. Questa proprietà di accettare elettroni per trasferimento totale o parziale determina l'agente ossidante. Quando un tale agente reagisce con una sostanza donatrice di elettroni, il suo stesso stato di ossidazione si abbassa. Il cambiamento (diminuzione) nello stato di ossidazione dell'ossigeno da zero a -2 è chiamato riduzione.
In condizioni normali, l'elemento forma composti biatomici e triatomici. Inoltre, ci sono molecole di quattro atomi altamente instabili. Nella forma biatomica, due elettroni spaiati si trovano in orbitali di non legame. Ciò è confermato dal comportamento paramagnetico del gas.
L'intensa reattività dell'ozono è talvolta spiegata dall'assunto che uno dei tre atomi sia in uno stato "atomico". Entrando nella reazione, questo atomo si dissocia da O3, lasciando ossigeno molecolare.
La molecola O2 è debolmente reattiva a temperature e pressioni ambiente normali. L'ossigeno atomico è molto più attivo. L'energia di dissociazione (O2 → 2O) è significativa eè 117,2 kcal per mole.
Connessioni
Con non metalli come idrogeno, carbonio e zolfo, l'ossigeno forma un'ampia gamma di composti legati in modo covalente, inclusi ossidi di non metalli come l'acqua (H2O), anidride solforosa (SO2) e anidride carbonica (CO2); composti organici come alcoli, aldeidi e acidi carbossilici; acidi comuni come carbonico (H2CO3), solforico (H2SO4) e azoto (HNO3); e sali corrispondenti come solfato di sodio (Na2SO4), carbonato di sodio (Na2 CO 3) e nitrato di sodio (NaNO3). L'ossigeno è presente sotto forma di ione O2- nella struttura cristallina degli ossidi di metalli solidi, come il composto (ossido) di ossigeno e CaO di calcio. I superossidi metallici (KO2) contengono lo ione O2-, mentre i perossidi metallici (BaO2), contengono lo ione O22-. I composti dell'ossigeno hanno principalmente uno stato di ossidazione di -2.
Caratteristiche di base
Infine, elenchiamo le principali proprietà dell'ossigeno:
- Configurazione elettronica: 1s22s22p4.
- Numero atomico: 8.
- Massa atomica: 15.9994.
- Punto di ebollizione: -183,0 °C.
- Punto di fusione: -218,4 °C.
- Densità (se la pressione dell'ossigeno è 1 atm a 0 °C): 1.429 g/l.
- Stati di ossidazione: -1, -2, +2 (in composti con fluoro).
