חמצן (lat. Oxygenium), O, יסוד כימי מקבוצת VI של המערכת המחזורית של מנדלייב; מספר אטומי 8, מסה אטומית 15.9994. בתנאים רגילים, חמצן הוא גז חסר צבע, חסר ריח וחסר טעם. קשה לציין אלמנט אחר שימלא תפקיד כה חשוב על הפלנטה שלנו כמו חמצן.
התייחסות היסטורית. תהליכי הבעירה והנשימה משכו זמן רב את תשומת לבם של מדענים. האינדיקציות הראשונות לכך שלא כל האוויר, אלא רק החלק ה"פעיל" שלו תומך בעירה, נמצאו בכתבי יד סיניים של המאה ה-8. הרבה יותר מאוחר, לאונרדו דה וינצ'י (1452-1519) ראה באוויר תערובת של שני גזים, שרק אחד מהם נצרך במהלך הבעירה והנשימה. הגילוי הסופי של שני המרכיבים העיקריים של האוויר - חנקן וחמצן, שעשה עידן במדע, התרחש רק בסוף המאה ה-18. חמצן הושג כמעט בו-זמנית על ידי K. Scheele (1769-70) על ידי סילוק מלח (KNO3, NaNO3), מנגן דו חמצני MnO2 וחומרים אחרים ו-J. Priestley (1774) על ידי חימום עופרת אדומה Pb3O4 ותחמוצת כספית HgO. בשנת 1772 גילה ד' רתרפורד חנקן. בשנת 1775, A. Lavoisier, לאחר שערך ניתוח כמותי של האוויר, מצא שהוא "מורכב משני (גזים) בעלי אופי שונה, כביכול, הפוך", כלומר מחמצן וחנקן. על בסיס מחקר ניסיוני נרחב, Lavoisier הסביר נכון בעירה ונשימה כתהליכים של אינטראקציה של חומרים עם חמצן. מכיוון שהחמצן הוא חלק מחומצות, לבואזיה כינה אותו חמצן, כלומר "ראשן של חומצות" (מיוונית אוקסיס - חמוץ וג'נאו - אני יולדת; ומכאן השם הרוסי "חמצן").
חלוקת חמצן בטבע. חמצן הוא היסוד הכימי הנפוץ ביותר בכדור הארץ. חמצן קשור מהווה כ-6/7 ממסת מעטפת המים של כדור הארץ - ההידרוספירה (85.82% במסה), כמעט מחצית מהליתוספירה (47% במסה), ורק באטמוספירה, שבה החמצן נמצא בשטח חופשי. המדינה, האם היא תופסת את המקום השני (23 .15% במשקל) אחרי חנקן.
החמצן מגיע ראשון גם מבחינת מספר המינרלים שהוא יוצר (1364); בין המינרלים המכילים חמצן, שולטים סיליקטים (פלדספארים, נציצים ואחרים), קוורץ, תחמוצות ברזל, קרבונטים וסולפטים. באורגניזמים חיים, בממוצע, כ-70% חמצן; הוא חלק מרוב התרכובות האורגניות החשובות ביותר (חלבונים, שומנים, פחמימות וכו') ובהרכב התרכובות האנאורגניות של השלד. תפקיד החמצן החופשי בתהליכים ביוכימיים ופיזיולוגיים, במיוחד בנשימה, חשוב במיוחד. למעט כמה מיקרואורגניזמים אנאירוביים, כל בעלי החיים והצמחים מקבלים את האנרגיה הדרושה לפעילות חייהם עקב חמצון ביולוגי של חומרים שונים בעזרת חמצן.
כל מסת החמצן החופשי של כדור הארץ קמה ונשמרת בשל פעילותם החיונית של צמחים ירוקים ביבשה ובאוקיינוס העולמי, המשחררים חמצן בתהליך הפוטוסינתזה. על פני כדור הארץ, היכן שמתמשכת הפוטוסינתזה והחמצן החופשי שולט, נוצרים תנאי חמצון חדים. להיפך, במאגמה, כמו גם אופקים עמוקים של מים תת-קרקעיים, בסחי הים והאגמים, בביצות, שבהן חסר חמצן חופשי, נוצרת סביבה מפחיתה. תהליכי חימצון-הפחתת חמצן קובעים את ריכוזם של אלמנטים רבים ואת היווצרותם של מרבצי מינרלים - פחם, נפט, גופרית, עפרות ברזל, נחושת וכו'. הפעילות הכלכלית האנושית גם מציגה שינויים במחזור החמצן. בחלק מהמדינות המתועשות, שריפת הדלק צורכת יותר חמצן ממה שצמחים מייצרים במהלך הפוטוסינתזה. בסך הכל, כ-9·109 טון חמצן נצרכים בשנה לשריפת דלק בעולם.
איזוטופים, אטום ומולקולת חמצן. לחמצן יש שלושה איזוטופים יציבים: 16O, 17O ו-18O, שתכולתם הממוצעת היא 99.759%, 0.037% ו-0.204% בהתאמה מהמספר הכולל של אטומי החמצן על פני כדור הארץ. הדומיננטיות החדה של הקל שבהם, 16O, בתערובת האיזוטופים נובעת מהעובדה שגרעין אטום 16O מורכב מ-8 פרוטונים ו-8 נויטרונים. ולגרעינים כאלה, כדלקמן מהתיאוריה של גרעין האטום, יש יציבות מיוחדת.
בהתאם למיקום החמצן במערכת המחזורית של יסודות מנדלייב, האלקטרונים של אטום החמצן ממוקמים על שתי קליפות: 2 - על הפנימי ו -6 - על החיצוני (תצורה 1s22s22p4). מכיוון שהקליפה החיצונית של אטום החמצן אינה מלאה, ופוטנציאל היינון וזיקת האלקטרונים הם בהתאמה 13.61 ו-1.46 eV, אטום החמצן בתרכובות כימיות בדרך כלל רוכש אלקטרונים ויש לו מטען יעיל שלילי. להיפך, ישנן תרכובות נדירות ביותר שבהן אלקטרונים מנותקים (ליתר דיוק, נמשכים) מאטום החמצן (כגון, למשל, F2O, F2O3). בעבר, על סמך מיקומו של החמצן במערכת המחזורית בלבד, אטום החמצן בתחמוצות וברוב התרכובות האחרות קיבל מטען שלילי (-2). עם זאת, כפי שמראים נתוני ניסוי, יון O2 - אינו קיים לא במצב חופשי או בתרכובות, והמטען האפקטיבי השלילי של אטום החמצן כמעט אף פעם לא עולה באופן משמעותי על האחדות.
בתנאים רגילים, מולקולת החמצן היא דיאטומית (O2); בפריקה חשמלית שקטה נוצרת גם מולקולת O3 טריאטומית, אוזון; בלחצים גבוהים, מולקולות O4 נמצאות בכמויות קטנות. המבנה האלקטרוני של O2 הוא בעל עניין תיאורטי רב. במצב היסוד, למולקולת O2 יש שני אלקטרונים לא מזווגים; נוסחת המבנה הקלאסית ה"רגילה" O=O עם שני קשרים של שני אלקטרונים אינה חלה עליה. הסבר ממצה לעובדה זו ניתן במסגרת תורת האורביטלים המולקולריים. אנרגיית היינון של מולקולת חמצן (O2 - e > O2+) היא 12.2 eV, וזיקת האלקטרונים (O2 + e > O2-) היא 0.94 eV. הניתוק של חמצן מולקולרי לאטומים בטמפרטורה רגילה הוא זניח, הוא הופך להיות מורגש רק ב-1500 מעלות צלזיוס; ב-5000 מעלות צלזיוס מולקולות החמצן מתפרקות כמעט לחלוטין לאטומים.
תכונות פיזיקליות של חמצן. חמצן הוא גז חסר צבע שמתעבה ב-182.9 מעלות צלזיוס ובלחץ רגיל לנוזל כחול בהיר, שמתמצק ב-218.7 מעלות צלזיוס ליצירת גבישים כחולים. צפיפות החמצן הגזי (ב-0°C ובלחץ רגיל) היא 1.42897 גרם/ליטר. הטמפרטורה הקריטית של חמצן נמוכה למדי (Tcrit = -118.84°C), כלומר נמוכה מזו של Cl2, CO2, SO2 ועוד כמה גזים; Tcrit = 4.97 MN/m2 (49.71 atm). מוליכות תרמית (ב-0°C) 23.86 10-3 W/(m K). קיבולת חום מולארית (ב-0°C) ב-j/(מול K) Cp = 28.9, Cv = 20.5, Cp/Cv = 1.403. הקבוע הדיאלקטרי של חמצן גזי הוא 1.000547 (0°C), נוזל 1.491. צמיגות 189 mpoise (0°C). חמצן מסיס מעט במים: ב-20 מעלות צלזיוס וב-1 אטמוספירה, 0.031 מ"ק מומס ב-1 מ"ר מים, וב-0 מעלות צלזיוס - 0.049 מ"ק חמצן. בולמי חמצן מוצקים טובים הם שחור פלטינה ופחם פעיל.
תכונות כימיות של חמצן. חמצן יוצר תרכובות כימיות עם כל היסודות מלבד גזים אינרטיים קלים. בהיותו הלא-מתכת הפעילה ביותר (לאחר הפלואור), חמצן יוצר אינטראקציה ישירה עם רוב היסודות; יוצאי הדופן הם גזים אינרטיים כבדים, הלוגנים, זהב ופלטינה; התרכובות שלהם עם חמצן מתקבלות בעקיפין. כמעט כל התגובות של חמצן עם חומרים אחרים - תגובות חמצון הן אקסותרמיות, כלומר, הן מלוות בשחרור אנרגיה. חמצן מגיב באיטיות רבה עם מימן בטמפרטורות רגילות; מעל 550°C תגובה זו ממשיכה עם פיצוץ 2H2 + O2 = 2H2O.
חמצן מגיב לאט מאוד עם גופרית, פחמן, חנקן וזרחן בתנאים רגילים. עם עלייה בטמפרטורה, קצב התגובה עולה ובטמפרטורת הצתה מסוימת האופיינית לכל יסוד מתחילה הבעירה. התגובה של חנקן עם חמצן עקב החוזק המיוחד של מולקולת N2 היא אנדותרמית ונהיית מורגשת רק מעל 1200°C או בפריקה חשמלית: N2 + O2 = 2NO. חמצן מחמצן באופן פעיל כמעט את כל המתכות, במיוחד מתכות אלקליות ואדמה אלקליין. פעילות האינטראקציה של מתכת עם חמצן תלויה בגורמים רבים - מצב פני המתכת, מידת השחזה, נוכחות זיהומים.
בתהליך האינטראקציה של חומר עם חמצן, תפקיד המים חשוב ביותר. לדוגמה, אפילו מתכת פעילה כזו כמו אשלגן אינה מגיבה עם חמצן נטול לחות לחלוטין, אלא מתלקחת בחמצן בטמפרטורה רגילה בנוכחות אפילו כמויות זניחות של אדי מים. ההערכה היא שעד 10% מכלל המתכות המיוצרות אובדות מדי שנה כתוצאה מקורוזיה.
תחמוצות של מתכות מסוימות, על ידי הוספת חמצן, יוצרות תרכובות חמצן המכילות 2 או יותר אטומי חמצן הקשורים זה לזה. לפיכך, החמצנים Na2O2 ו-BaO2 כוללים יון חמצן O22-, סופראוקסיד NaO2 ו-KO2 - יון O2-, ואוזונידים NaO3, KO3, RbO3 ו-CsO3 - יון O3- חמצן יוצר אינטראקציה אקזותרמית עם חומרים מורכבים רבים. אז, אמוניה שורפת בחמצן בהיעדר זרזים, התגובה ממשיכה לפי המשוואה: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O. חמצון של אמוניה עם חמצן בנוכחות זרז נותן NO (תהליך זה משמש לייצור חומצה חנקתית). חשיבות מיוחדת היא בעירה של פחמימנים (גז טבעי, בנזין, נפט) - מקור החום החשוב ביותר בחיי היום יום ובתעשייה, למשל CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. האינטראקציה של פחמימנים עם חמצן עומדת בבסיס רבים מתהליכי הייצור החשובים ביותר - כגון, למשל, המרה של מתאן לייצור מימן: 2CH4 + O2 + 2H2O = 2CO2 + 6H2. תרכובות אורגניות רבות (פחמימנים עם קשרים כפולים או משולשים, אלדהידים, פנולים, כמו גם טרפנטין, שמנים מייבשים ואחרים) מוסיפים חמצן באופן פעיל. חמצון של חומרים מזינים בתאים על ידי חמצן משמש מקור אנרגיה לאורגניזמים חיים.
מקבל חמצן. ישנן 3 דרכים עיקריות להשיג חמצן: כימי, אלקטרוליזה (אלקטרוליזה של מים) ופיזיקלית (הפרדת אוויר).
השיטה הכימית הומצאה מוקדם יותר מאחרות. ניתן להשיג חמצן, למשל, ממלח Bertolet KClOz, שמתפרק בחימום, ומשחרר O2 בכמות של 0.27 מ"ק לכל ק"ג מלח. תחמוצת בריום BaO, כאשר היא מחוממת ל-540 מעלות צלזיוס, סופגת תחילה חמצן מהאוויר, ויוצרת פרוקסיד BaO2, ובהמשך החימום ל-870 מעלות צלזיוס, BaO2 מתפרק, ומשחרר חמצן טהור. ניתן להשיג אותו גם מ-KMnO4, Ca2PbO4, K2Cr2O7 וחומרים אחרים על ידי חימום והוספת זרזים. השיטה הכימית להשגת חמצן אינה יעילה ויקרה, אין לה משמעות תעשייתית והיא משמשת רק במעבדה.
שיטת האלקטרוליזה מורכבת מהעברת זרם חשמלי ישר דרך המים, שאליו מתווספת תמיסה של סודה קאוסטית NaOH כדי להגביר את המוליכות החשמלית שלה. במקרה זה, מים מתפרקים לחמצן ומימן. חמצן נאסף ליד האלקטרודה החיובית של התא, ומימן - ליד השלילי. בדרך זו מופק חמצן כתוצר לוואי בייצור מימן. כדי להשיג 2 מ"ק מימן ו-1 מ"ק חמצן, צורכים 12-15 קוט"ש של חשמל.
הפרדת אוויר היא הדרך העיקרית להשיג חמצן בטכנולוגיה מודרנית. קשה מאוד לבצע את הפרדת האוויר במצב גז רגיל, ולכן האוויר עובר נוזלי תחילה ורק לאחר מכן מחולק לחלקיו המרכיבים אותו. שיטה זו להשגת חמצן נקראת הפרדת אוויר על ידי קירור עמוק. ראשית, האוויר נדחס על ידי מדחס, ולאחר מכן, לאחר שעבר דרך מחליפי החום, הוא מתרחב במכונת הרחבה או שסתום מצערת, וכתוצאה מכך הוא מקורר לטמפרטורה של 93 K (-180 מעלות צלזיוס) והופך לאוויר נוזלי. הפרדה נוספת של אוויר נוזלי, המורכב בעיקר מחנקן נוזלי וחמצן נוזלי, מבוססת על ההבדל בנקודות הרתיחה של מרכיביו [רתיחה O2 90.18 K (-182.9°C), N2 Boil 77.36 K (-195.8° WITH) ]. עם אידוי הדרגתי של אוויר נוזלי, חנקן מתאדה תחילה, והנוזל הנותר מתעשר יותר ויותר בחמצן. על ידי חזרה על תהליך זה פעמים רבות על לוחות הזיקוק של עמודי הפרדת האוויר, מתקבל חמצן נוזלי בטוהר (ריכוז) הנדרש. ברית המועצות מייצרת מפעלים קטנים (מספר ליטרים) והגדולים בעולם להפרדת אוויר חמצן (35,000 מ"ק לשעה של חמצן). יחידות אלו מייצרות חמצן טכנולוגי בריכוז של 95-98.5%, חמצן טכני בריכוז של 99.2-99.9% ומוצרים טהורים יותר, חמצן רפואי, בצורת נוזל וגז. צריכת האנרגיה החשמלית היא בין 0.41 ל-1.6 קוט"ש/מ"ק.
ניתן להשיג חמצן גם על ידי הפרדת אוויר בשיטה של חדירה (דיפוזיה) סלקטיבית דרך מחיצות ממברנות. אוויר בלחץ גבוה מועבר דרך מחיצות פלואורפלסטיות, זכוכית או פלסטיק, שהסריג המבני שלהן מסוגל להעביר את המולקולות של רכיבים מסוימים ולשמור על אחרים.
חמצן גזי מאוחסן ומועבר בגלילי פלדה ומקלטי פלדה בלחץ של 15 ו-42 MN/m2 (בהתאמה 150 ו-420 בר, או 150 ו-420 atm), חמצן נוזלי בכלי דיואר מתכת או במכלים מיוחדים. צינורות מיוחדים משמשים גם להובלת חמצן נוזלי וגזי. גלילי חמצן צבועים בכחול ועליהם כיתוב שחור "חמצן".
השימוש בחמצן. חמצן טכני משמש בתהליכי טיפול בלהבה של מתכות, בריתוך, חיתוך חמצן, התקשות פני השטח, מתכות ועוד, כמו גם בתעופה, בצוללות וכו'. חמצן טכנולוגי משמש בתעשייה הכימית לייצור דלקים נוזליים מלאכותיים, שמני סיכה, חומצות חנקתיות וגופרית, מתנול, דשני אמוניה ואמוניה, פרוקסיד מתכת ומוצרים כימיים נוספים. חמצן נוזלי משמש בפיצוץ, במנועי סילון ובתרגול מעבדה כחומר קירור.
חמצן טהור סגור בגלילים משמש לנשימה בגובה רב, במהלך טיסות לחלל, במהלך צלילה וכו' .P.
חמצן נמצא בשימוש נרחב במטלורגיה כדי להעצים מספר תהליכים פירומטלורגיים. החלפה מלאה או חלקית של האוויר הנכנס ליחידות המתכות בחמצן שינתה את הכימיה של התהליכים, הפרמטרים התרמיים שלהם ואינדיקטורים טכניים וכלכליים. פיצוץ החמצן אפשר להפחית את איבודי החום בגזים היוצאים, שחלק ניכר מהם במהלך פיצוץ האוויר היה חנקן. לא לוקח חלק משמעותי בתהליכים כימיים, חנקן האט את מהלך התגובות, והפחית את ריכוז הריאגנטים הפעילים במדיום החיזור. כאשר מטוהר עם חמצן, צריכת הדלק מצטמצמת, איכות המתכת משתפרת, ניתן להשיג סוגים חדשים של מוצרים ביחידות מתכות (לדוגמה, סיגים וגזים בהרכב יוצא דופן לתהליך זה, אשר מוצאים יישומים טכניים מיוחדים ), וכו.
הניסויים הראשונים בשימוש בפיצוץ מועשר בחמצן בייצור תנורים להיתוך של ברזל חזיר ופרומנגן בוצעו בו זמנית בברית המועצות ובגרמניה בשנים 1932-33. תכולת החמצן המוגברת בכבשן הפיצוץ מלווה בהפחתה גדולה בצריכתו של האחרון, בעוד שתכולת הפחמן החד חמצני בגז הכבשן עולה וחום הבעירה שלו עולה. העשרת החמצן של הפיצוץ מאפשרת להגביר את התפוקה של כבשן הפיצוץ, ובשילוב עם דלק גזי ונוזלי המסופק לאח, היא מביאה להפחתה בצריכת הקוקס. במקרה זה, על כל אחוז נוסף של חמצן בפיצוץ, התפוקה עולה בכ-2.5%, וצריכת הקולה יורדת ב-1%.
חמצן בייצור באח פתוח בברית המועצות שימש לראשונה להגברת שריפת הדלק (בקנה מידה תעשייתי, חמצן שימש לראשונה למטרה זו במפעלי מגל והאמר וקרסנוי סורמובו בשנים 1932-33). בשנת 1933 החלו להפריח חמצן ישירות לאמבט הנוזל על מנת לחמצן זיהומים במהלך תקופת הגמר. עם עלייה בעוצמת ניפוח ההיתוך ב-1 m 3 /t לשעה, הפרודוקטיביות של הכבשן עולה ב-5-10%, צריכת הדלק מופחתת ב-4-5%. עם זאת, נשיפה מגבירה את אובדן המתכת. בצריכת חמצן של עד 10 מ"ק/ט למשך שעה, התפוקה של הפלדה יורדת מעט (עד 1%). החמצן הופך נפוץ יותר ויותר בייצור באח פתוח. אז, אם בשנת 1965 עם השימוש בחמצן בתנורים פתוחים 52.1% מהפלדה הותך, אז בשנת 1970 זה כבר היה 71%.
ניסויים בשימוש בחמצן בתנורי התכת פלדה חשמליים בברית המועצות החלו בשנת 1946 במפעל Elektrostal. הכנסת פיצוץ חמצן אפשרה להגדיל את התפוקה של תנורים ב-25-30%, להפחית את צריכת החשמל הספציפית ב-20-30%, לשפר את איכות הפלדה ולהפחית את צריכת האלקטרודות וכמה תוספי סגסוג נדירים. אספקת חמצן לתנורים חשמליים הוכיחה את עצמה כיעילה במיוחד בייצור פלדות אל חלד בעלות תכולת פחמן נמוכה, שההתכה שלהן קשה מאוד בגלל השפעת הקרבור של האלקטרודות. חלקה של הפלדה החשמלית המיוצרת בברית המועצות באמצעות חמצן גדל ברציפות ובשנת 1970 הסתכם ב-74.6% מכלל ייצור הפלדה.
בהתכת הכיפה משתמשים בפיצוץ מועשר בחמצן בעיקר להתחממות יתר גבוהה של ברזל יצוק, דבר הכרחי לייצור יציקות איכותיות, במיוחד בסגסוגת גבוהה (סיליקון, כרום וכו'). בהתאם למידת העשרת החמצן של פיצוץ הכיפה, צריכת הדלק מופחתת ב-30-50%, תכולת הגופרית במתכת מופחתת ב-30-40%, התפוקה של הכיפה גדלה ב-80-100%, וכן הטמפרטורה של ברזל יצוק המופק ממנו עולה באופן משמעותי (עד 1500 מעלות צלזיוס). .
חמצן במטלורגיה לא ברזלית הפך לתפוצה מאוחרת במקצת מאשר במטלורגיית ברזל. פיצוץ מועשר בחמצן משמש בהמרת מט, בתהליכי סובלימציה של סיגים, וואלזציה, צבירה, ובהמסה רפלקטיבית של תרכיזי נחושת. בייצור עופרת, נחושת וניקל, פיצוץ החמצן העצים את תהליכי ההתכת המכרות, אפשרו להפחית את צריכת הקוקס ב-10-20%, להגביר את החדירה ב-15-20% ולהפחית את כמות השטפים במקרים מסוימים ב-2-3 פִּי. העשרת חמצן של פיצוץ האוויר של עד 30% במהלך קליית תרכיזי אבץ גופרתי הגדילה את תפוקת התהליך ב-70% והפחיתה את נפח גזי הפליטה ב-30%.
תכונת איזוטופ יסוד חמצן
חַמצָן
חַמצָן-א; M.יסוד כימי (O), גז חסר צבע וריח שהוא חלק מהאוויר, הכרחי לנשימה ולבעירה ויצירת מים בשילוב מימן.
◊ כבה את החמצן ל-smb. ליצור תנאי חיים ועבודה בלתי נסבלים.
◁ חמצן, ה, ה. סביבה ק'. K חיבורים. חיתוך ק'(חיתוך גז). ריתוך K-th(ריתוך גז). ק-ה רעב; איזה חוסר (דבש.;ירידה בתכולת החמצן ברקמות הגוף; היפוקסיה).
◊ כרית חמצן (ראה כרית).
חַמצָן(lat. Oxygenium), יסוד כימי מקבוצה VI של המערכת המחזורית. בצורה חופשית, הוא מתרחש בצורה של שני שינויים - O 2 (חמצן "רגיל") ו- O 3 (אוזון). O 2 - גז חסר צבע וריח, צפיפות 1.42897 גרם לליטר, ט pl -218.6ºC, טקיפ -182.96ºC. מבחינה כימית הלא מתכת הפעילה ביותר (אחרי פלואור). עם רוב היסודות האחרים (מימן, הלוגנים, גופרית, מתכות רבות וכו') הוא מקיים אינטראקציה ישירה (חמצון) וככלל, עם שחרור אנרגיה. ככל שהטמפרטורה עולה, קצב החמצון עולה ועלולה להתחיל בעירה. בעלי חיים וצמחים מקבלים את האנרגיה הדרושה לחיים עקב חמצון ביולוגי של חומרים שונים על ידי חדירת חמצן לאורגניזמים במהלך הנשימה. היסוד הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ; בצורת תרכובות הוא בערך 1/2 מהמסה של קרום כדור הארץ; הוא חלק ממים (88.8% במשקל) ורקמות רבות של אורגניזמים חיים (כ-70% במשקל). החמצן החופשי של האטמוספירה (20.95% בנפח) נוצר ונאגר באמצעות פוטוסינתזה. חמצן (או אוויר מועשר בחמצן) משמש במטלורגיה, בתעשייה הכימית, ברפואה ובמכשירי נשימת חמצן. חמצן נוזלי הוא מרכיב של דלק רקטות.
חַמצָןמילון אנציקלופדי. 2009 .
מילים נרדפות:ראה מה זה "חמצן" במילונים אחרים:
- (חמצן). גז חסר צבע, חסר ריח וטעם. מסיס מעט במים (בערך 1:43). שאיפות חמצן נמצאות בשימוש נרחב במחלות שונות המלוות בהיפוקסיה: במחלות בדרכי הנשימה (דלקת ריאות, בצקת ריאות... מילון רפואה
8 O 1s 2 2s 2 2p 4 ; A r = 15.999 איזוטופים: 16 O (99.759%); 17 O (0.037%); 18 O (0.204%); EO - 3.5
קלארק בקרום כדור הארץ 47% במסה; בהידרוספירה 85.82% במשקל; באטמוספירה 20.95% בנפח.
האלמנט הנפוץ ביותר.
צורות מציאת היסוד: א) בצורה חופשית - O 2, O 3;
ב) בצורה קשורה: O 2- אניונים (בעיקר)
חמצן הוא אלמנט אופייני שאינו מתכת, אלמנט p. Valency = II; מצב חמצון -2 (למעט H 2 O 2, OF 2, O 2 F 2)
תכונות פיזיקליות של O 2
חמצן מולקולרי O 2 בתנאים רגילים נמצא במצב גזי, אין לו צבע, ריח וטעם, והוא מסיס מעט במים. לאחר קירור עמוק בלחץ, הוא מתעבה לנוזל כחול בהיר (Tbp - 183 מעלות צלזיוס), אשר ב-219 מעלות צלזיוס הופך לגבישים כחולים.
איך להגיע
1. חמצן נוצר בטבע בתהליך הפוטוסינתזה mCO 2 + nH 2 O → mO 2 + Cm (H 2 O) n
2. ייצור תעשייתי
א) תיקון אוויר נוזלי (הפרדה מ-N 2);
ב) אלקטרוליזה של מים: 2H 2 O → 2H 2 + O 2
3. במעבדה הם מתקבלים על ידי פירוק חיזור תרמי של מלחים:
א) 2KSlO 3 \u003d 3O 2 + 2KCI
ב) 2KMnO 4 \u003d O 2 + MnO 2 + K 2 MnO 4
ג) 2KNO 3 \u003d O 2 + 2KNO 2
ד) 2Cu (NO 3) O 2 \u003d O 2 + 4NO 2 + 2CuO
ה) 2AgNO 3 \u003d O 2 + 2NO 2 + 2Ag
4. בחדרים אטומים הרמטית ובמכשירי נשימה אוטונומיים מתקבל חמצן בתגובה:
2Na 2 O 2 + 2СO 2 \u003d O 2 + 2Na 2 CO 3
תכונות כימיות של חמצן
חמצן הוא חומר מחמצן חזק. מבחינת פעילות כימית, היא שנייה רק לפלואור. יוצר תרכובות עם כל היסודות מלבד He, Ne ו-Ag. מגיב ישירות עם רוב החומרים הפשוטים בתנאים רגילים או בחימום, כמו גם בנוכחות זרזים (למעט Au, Pt, Hal 2, גזים אצילים). תגובות המערבות O 2 הן ברוב המקרים אקסותרמיות, לעתים קרובות מתרחשות במצב בעירה, לפעמים בפיצוץ. כתוצאה מתגובות נוצרות תרכובות שבהן לאטומי חמצן, ככלל, יש C.O. -2:
חמצון מתכת אלקלית
4Li + O 2 = 2Li 2 O תחמוצת ליתיום
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2 נתרן מי חמצן
K + O 2 \u003d KO 2 אשלגן סופראוקסיד
חמצון של כל המתכות מלבד Au, Pt
Me + O 2 = Me x O y תחמוצות
חמצון של לא מתכות, למעט הלוגנים וגזים אצילים
N 2 + O 2 \u003d 2NO - Q
S + O 2 \u003d SO 2;
C + O 2 \u003d CO 2;
4P + 5O 2 \u003d 2P 2 O 5
Si + O 2 \u003d SiO 2
חמצון של תרכובות מימן של לא מתכות ומתכות
4HI + O 2 \u003d 2I 2 + 2H 2 O
2H 2 S + 3O 2 \u003d 2SO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O
4NH 3 + 5O 2 \u003d 4NO + 6H 2 O
2PH 3 + 4O 2 \u003d P 2 O 5 + 3H 2 O
SiH 4 + 2O 2 \u003d SiO 2 + 2H 2 O
C x H y + O 2 = CO 2 + H 2 O
MeH x + 3O 2 \u003d Me x O y + H 2 O
חמצון של תחמוצות נמוכות יותר והידרוקסידים של מתכות רב ערכיות ולא מתכות
4FeO + O 2 \u003d 2Fe 2 O 3
4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3
2SO 2 + O 2 = 2SO 3
4NO 2 + O 2 + 2H 2 O \u003d 4HNO 3
חמצון של סולפידים מתכת
4FeS 2 + 11О 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 О 3
חמצון של חומרים אורגניים
כל התרכובות האורגניות נשרפות, כשהן מתחמצנות על ידי חמצן אטמוספרי.
תוצרי החמצון של יסודות שונים הכלולים במולקולות שלהם הם:
בנוסף לתגובות של חמצון מלא (בעירה), אפשריות גם תגובות חמצון חלקיות.
דוגמאות לתגובות של חמצון לא שלם של חומרים אורגניים:
1) חמצון קטליטי של אלקנים
2) חמצון קטליטי של אלקנים
3) חמצון של אלכוהול
2R-CH 2 OH + O 2 → 2RCOH + 2H 2 O
4) חמצון של אלדהידים
אוֹזוֹן
Ozone O 3 הוא חומר מחמצן חזק יותר מ O 2, שכן במהלך התגובה המולקולות שלו מתפרקות ליצירת חמצן אטומי.
O 3 טהור הוא גז כחול, רעיל מאוד.
K + O 3 \u003d KO 3 אשלגן אוזוניד, אדום.
PbS + 2O 3 \u003d PbSO 4 + O 2
2KI + O 3 + H 2 O \u003d I 2 + 2KOH + O 2
התגובה האחרונה משמשת לקביעה איכותית וכמותית של אוזון.
מבוא
כל יום אנו נושמים את האוויר שאנו צריכים. האם אי פעם חשבת ממה, ליתר דיוק, מאילו חומרים מורכב האוויר? יותר מכל הוא מכיל חנקן (78%), ואחריו חמצן (21%) וגזים אינרטיים (1%). החמצן אמנם אינו מהווה את החלק הבסיסי ביותר באוויר, אך בלעדיו האווירה לא ניתנת למגורים. בזכותו קיימים חיים על פני כדור הארץ, כי חנקן, גם יחד וגם לחוד, מזיק לבני אדם. בואו נסתכל על תכונות החמצן.
תכונות פיזיקליות של חמצן
באוויר פשוט לא ניתן להבחין בחמצן, שכן בתנאים רגילים מדובר בגז ללא טעם, צבע וריח. אך ניתן להעביר חמצן באופן מלאכותי למצבי צבירה אחרים. אז ב-183 מעלות צלזיוס הוא הופך לנוזל, וב-219 מעלות צלזיוס הוא מתקשה. אבל חמצן מוצק ונוזל יכול להתקבל רק על ידי אדם, ובטבע הוא קיים רק במצב גזי. נראה כך (תמונה). וקשה כמו קרח.
התכונות הפיזיקליות של החמצן הן גם מבנה המולקולה של חומר פשוט. אטומי חמצן יוצרים שני חומרים כאלה: חמצן (O 2) ואוזון (O 3). המודל של מולקולת חמצן מוצג להלן.
חַמצָן. תכונות כימיות
הדבר הראשון שבו מתחיל המאפיין הכימי של יסוד הוא מיקומו במערכת המחזורית של D.I. Mendeleev. אז, חמצן נמצא בתקופה ה-2 של הקבוצה ה-6 של תת-הקבוצה הראשית במספר 8. המסה האטומית שלו היא 16 אמו, היא לא מתכת.
בכימיה אנאורגנית, התרכובות הבינאריות שלו עם יסודות אחרים שולבו לאחד נפרד - תחמוצות. חמצן יכול ליצור תרכובות כימיות עם מתכות וגם עם לא מתכות.
בוא נדבר על קבלת זה במעבדות.
מבחינה כימית ניתן להשיג חמצן על ידי פירוק של אשלגן פרמנגנט, מי חמצן, מלח ברטהולט, חנקות מתכות פעילות ותחמוצות מתכות כבדות. שקול את משוואות התגובה עבור כל אחת מהשיטות הללו.
1. אלקטרוליזה של מים:
H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2
5. פירוק של תחמוצות מתכות כבדות (למשל תחמוצת כספית):
2HgO \u003d 2Hg + O 2
6. פירוק חנקות של מתכות פעילות (למשל, נתרן חנקתי):
2NaNO 3 \u003d 2NaNO 2 + O 2
יישום של חמצן
סיימנו עם תכונות כימיות. עכשיו הגיע הזמן לדבר על השימוש בחמצן בחיי אדם. הוא נחוץ לשריפת דלק בתחנות כוח חשמליות ותרמיות. הוא משמש לייצור פלדה מברזל יצוק וגרוטאות מתכת, לריתוך וחיתוך מתכת. דרוש חמצן למסכות כבאים, גלילי צוללנים, משמש במטלורגיה של ברזל ולא ברזל, ואפילו בייצור חומרי נפץ. גם בתעשיית המזון, חמצן ידוע כתוסף מזון E948. נראה שאין תעשייה שבה לא משתמשים בה, אבל היא ממלאת את התפקיד החשוב ביותר ברפואה. שם הוא נקרא "חמצן רפואי". על מנת שחמצן יהיה שמיש, הוא דחוס מראש. התכונות הפיזיקליות של החמצן תורמות לעובדה שניתן לדחוס אותו. בצורה זו, הוא מאוחסן בתוך צילינדרים דומים לאלה.
הוא משמש בהחייאה ופעולות בציוד לשמירה על תהליכי חיים בגופו של חולה חולה, כמו גם בטיפול במחלות מסוימות: דקומפרסיה, פתולוגיות של מערכת העיכול. בעזרתו, רופאים מצילים חיים רבים מדי יום. התכונות הכימיות והפיזיקליות של חמצן תורמות לשימוש הנרחב בו.
יסודות הממוקמים בתת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI של הטבלה המחזורית של היסודות של D. I. מנדלייב.
|
אֵלֵמֶנט |
טעינת ליבה |
רמות אנרגיה |
רדיוס אטומי Å |
||||
|
ק |
ל |
M |
נ |
O |
|||
|
0,60 1,04 1,16 1,43 |
|||||||
התחשבות במבנים האטומיים של היסודות של תת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI מראה שלכולם יש מבנה של שישה אלקטרונים של השכבה החיצונית (טבלה 13) ולכן יש להם ערכי אלקטרושליליות גבוהים יחסית. בעל האלקטרושליליות הגבוהה ביותר, הקטן ביותר -, אשר מוסבר על ידי שינוי בערך הרדיוס האטומי. המקום המיוחד של החמצן בקבוצה זו מודגש על ידי העובדה כי, וטלוריום יכול לשלב ישירות עם חמצן, אבל לא יכול לשלב זה עם זה.
למספר שייכים גם יסודות מקבוצת החמצן ר-אלמנטים, מאחר שהם בהשלמתם ר-צדף. עבור כל מרכיבי המשפחה, מלבד החמצן עצמו, 6 אלקטרונים מהשכבה החיצונית הם ערכיות.
בתגובות חיזור, אלמנטים מקבוצת החמצן מראים לעתים קרובות תכונות חמצון. תכונות החמצון החזקות ביותר מתבטאות בחמצן.
כל האלמנטים של תת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI מאופיינים במצב חמצון שלילי של -2. עם זאת, עבור גופרית, סלניום וטלוריום, יחד עם זה, יתכנו גם מצבי חמצון חיוביים (מקסימום +6).
מולקולת החמצן, כמו כל גז פשוט, היא דו-אטומית, בנויה לפי סוג הקשר הקוולנטי שנוצר על ידי שני זוגות אלקטרונים. לכן, חמצן הוא דו ערכי כאשר נוצר פשוט.
גופרית היא מוצק. המולקולה מכילה 8 אטומי גופרית (S8), אך הם מחוברים במעין טבעת, שבה כל אטום גופרית מחובר רק לשני אטומים שכנים בקשר קוולנטי.
לפיכך, כל אטום גופרית, בעל זוג אלקטרונים אחד משותף עם שני אטומים שכנים, הוא בעצמו דו ערכי. מולקולות דומות יוצרות סלניום (Se8) וטלוריום (Te8).
■
1. ערכו סיפור על קבוצת החמצן לפי התוכנית הבאה: א) מיקום במערכת המחזורית; ב) מטענים גרעיניים ו. מספר הנייטרונים בגרעין; ג) תצורות אלקטרוניות; ד) מבנה סריג הגביש; ה) מצבי חמצון אפשריים של חמצן ושל כל שאר היסודות מקבוצה זו.
2. מהם הדמיון וההבדלים במבנים האטומיים ובתצורות האלקטרוניות של האטומים של היסודות של תת הקבוצות העיקריות של הקבוצות VI ו-VII?
3. כמה אלקטרוני ערכיות יש ליסודות תת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI?
4. כיצד צריכים להתנהג האלמנטים של תת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI בתגובות חיזור?
5. איזה מהיסודות של תת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI הוא האלקטרונילי ביותר?
כאשר בוחנים את האלמנטים של תת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI, אנו נתקלים לראשונה בתופעת האלוטרופיה. אותו יסוד במצב חופשי יכול ליצור שני חומרים פשוטים או יותר. תופעה זו נקראת אלוטרופיה, והם עצמם נקראים שינויים אלוטרופיים.
כתוב את הנוסח הזה במחברת שלך.
לדוגמה, היסוד חמצן מסוגל ליצור שניים פשוטים - חמצן ואוזון.
הנוסחה של חמצן פשוט היא O2, הנוסחה של החומר הפשוט של אוזון היא O3. המולקולות שלהם בנויות בצורה שונה:
חמצן ואוזון הם שינויים אלוטרופיים של היסוד חמצן.
גופרית יכולה גם ליצור מספר שינויים אלוטרופיים (מודיפיקציות). גופרית מעוין (אוקטהדרלית), פלסטית ומונוקלינית ידועה. סלניום וטלוריום יוצרים גם כמה שינויים אלוטרופיים. יש לציין כי תופעת האלוטרופיה אופיינית לאלמנטים רבים. נשקול את ההבדלים במאפיינים של שינויים אלוטרופיים שונים בעת לימוד היסודות.
■ 6. מה ההבדל בין מבנה מולקולת חמצן למבנה של מולקולת אוזון?
7. איזה סוג קשר יש במולקולות חמצן ואוזון?
חַמצָן. תכונות פיזיקליות, פעולה פיזיולוגית, חשיבות החמצן בטבע
חמצן הוא היסוד הקל ביותר בתת-הקבוצה הראשית של קבוצה VI. המשקל האטומי של החמצן הוא 15.994. 31,988. לאטום החמצן יש את הרדיוס הקטן ביותר מבין היסודות של תת-קבוצה זו (0.6 Å). תצורה אלקטרונית של אטום החמצן: ls 2 2s 2 2p 4 .
התפלגות האלקטרונים על פני האורביטלים של השכבה השנייה מצביעה על כך שלחמצן יש שני אלקטרונים בלתי מזווגים על ה-p-אורביטלים, שניתן להשתמש בהם בקלות ליצירת קשר כימי בין אטומים. מצב חמצון אופייני של חמצן.
חמצן הוא גז חסר צבע וריח. הוא כבד יותר מהאוויר, בטמפרטורה של -183° הוא הופך לנוזל כחול, ובטמפרטורה של -219° הוא מתמצק.
צפיפות החמצן היא 1.43 גרם/ליטר. חמצן אינו מסיס במים: 3 נפחים של חמצן מתמוססים ב-100 נפחים של מים ב-0 מעלות צלזיוס. לכן ניתן לשמור חמצן בגז-מטר (איור 34) - מכשיר לאחסון גזים שאינם מסיסים ומסיסים מעט במים. לרוב, חמצן מאוחסן בגזומטר.
הגזומטר מורכב משני חלקים עיקריים: כלי 1 המשמש לאגירת גז ומשפך גדול 2 עם ברז וצינור ארוך, המגיע כמעט עד לתחתית כלי 1 ומשמש לאספקת מים למכשיר. לכלי 1 יש שלושה צינורות: צינור 3 עם משטח פנימי קרקע מוכנס, משפך 2 עם ברז, צינור יציאת גז מצויד בברז מוכנס לצינור 4; צינור 5 בתחתית משמש לשחרור מים מהמכשיר בעת טעינה ופריקה. בכלי גזומטר טעון 1 מלא בחמצן. בתחתית הכלי ממוקם, שאליו מורד קצה הצינור של משפך 2.
אורז. 34.
1 - כלי לאחסון גז; 2 - משפך לאספקת מים; 3 - צינור עם משטח קרקע; 4 - צינור להסרת גז; 5 - צינור לשחרור מים בעת טעינת המכשיר.
אם אתה צריך לקבל חמצן מהגזומטר, פתח תחילה את שסתום המשפך ודחוס מעט את החמצן בגזומטר. ואז השסתום על צינור יציאת הגז נפתח, שדרכו חמצן שנעקר על ידי מים בורח.
בתעשייה, חמצן מאוחסן בגלילי פלדה במצב דחוס (איור 35, א), או בצורה נוזלית ב"מיכלי" חמצן (איור 36).
אורז. 35.בלון חמצן
רשמו מהטקסט את שמות המכשירים המיועדים לאגירת חמצן.
חמצן הוא היסוד הנפוץ ביותר. הוא מהווה כמעט 50% ממשקל קרום כדור הארץ כולו (איור 37). גוף האדם מכיל 65% חמצן, המהווה חלק מחומרים אורגניים שונים מהם בנויים רקמות ואיברים. מים מכילים כ-89% חמצן. באטמוספרה, החמצן מהווה 23% במשקל ו-21% בנפח. חמצן כלול במגוון רחב של סלעים (לדוגמה, אבן גיר, גיר, שיש CaCO3, חול SiO2), עפרות מתכות שונות (עפרת ברזל מגנטית Fe3O4, עפרת ברזל חומה 2Fe2O3 nH2O, עפרת ברזל אדומה Fe2O3, בוקסיט Al2O3 nH2O וכו' .) . חמצן הוא מרכיב של רוב החומרים האורגניים.
המשמעות הפיזיולוגית של החמצן היא עצומה. זהו הגז היחיד שאורגניזמים חיים יכולים להשתמש בו לנשימה. המחסור בחמצן גורם להפסקת תהליכים חיוניים ולמוות של האורגניזם. ללא חמצן, אדם יכול לחיות רק כמה דקות. בעת הנשימה נספג חמצן הלוקח חלק בתהליכי החיזור המתרחשים בגוף ומשתחררים תוצרי חמצון של חומרים אורגניים, פחמן דו חמצני וחומרים נוספים. גם יצורים חיים יבשתיים וגם מימיים נושמים חמצן: חמצן יבשתי - חופשי של האטמוספירה, ומימי - חמצן מומס במים.
בטבע מתרחש מעין מחזור חמצן. חמצן מהאטמוספירה נספג על ידי בעלי חיים, צמחים, בני אדם, מושקע בתהליכים של שריפת דלק, ריקבון ותהליכי חמצון אחרים. פחמן דו חמצני ומים הנוצרים בתהליך החמצון נצרכים על ידי צמחים ירוקים, שבהם, בעזרת כלורופיל עלים ואנרגיה סולארית, מתבצע תהליך הפוטוסינתזה, כלומר סינתזה של חומרים אורגניים מפחמן דו חמצני ומים, מלווה בשחרור חמצן.
כדי לספק חמצן לאדם אחד, יש צורך בכתרים של שני עצים גדולים. צמחים ירוקים שומרים על הרכב קבוע של האטמוספירה.
■
8. מהי חשיבות החמצן בחיי יצורים חיים?
9. כיצד מתחדשת אספקת החמצן באטמוספירה?
תכונות כימיות של חמצן
חמצן חופשי, המגיב עם חומרים פשוטים ומורכבים, מתנהג בדרך כלל כמו.
אורז. 37.
מצב החמצון שהוא מקבל במקרה זה הוא תמיד -2. יסודות רבים נכנסים לאינטראקציה ישירה עם חמצן, למעט מתכות אצילות, יסודות בעלי ערכי אלקטרושליליות הקרובים לחמצן () ויסודות אינרטיים.
כתוצאה מכך נוצרות תרכובות חמצן עם חומרים פשוטים ומורכבים. רבים שורפים בחמצן, למרות שהם לא נשרפים או נשרפים חלש מאוד באוויר. כוויות בחמצן עם להבה צהובה בוהקת; במקרה זה, נוצר נתרן חמצן (איור 38):
2Na + O2 = Na2O2,
גופרית נשרפת בחמצן עם להבה כחולה בוהקת ליצירת דו תחמוצת הגופרית:
S + O2 = SO2
פחם בקושי מעיר באוויר, אבל בחמצן הוא מתחמם מאוד ונשרף עם היווצרות פחמן דו חמצני (איור 39):
C + O2 = CO2
אורז. 36.
הוא נשרף בחמצן עם להבה לבנה ומסנוורת, ונוצר פנטאוקסיד זרחן לבן מוצק:
4P + 5O2 = 2P2O5
כוויות בחמצן, פיזור ניצוצות ויצירת אבנית ברזל (איור 40).
חומרים אורגניים נשרפים גם בחמצן, למשל מתאן CH4, שהוא חלק מגז טבעי: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
הבעירה בחמצן טהור היא הרבה יותר אינטנסיבית מאשר באוויר, ומאפשרת להשיג טמפרטורות גבוהות משמעותית. תופעה זו משמשת להעצמת מספר תהליכים כימיים ולשריפת דלק יעילה יותר.
בתהליך הנשימה, חמצן, בשילוב עם המוגלובין בדם, יוצר אוקסיהמוגלובין, אשר, בהיותו תרכובת מאוד לא יציבה, מתפרק בקלות ברקמות עם היווצרות חמצן חופשי, המשמש לחמצון. ריקבון הוא גם תהליך חמצוני הכולל חמצן.
הם מזהים חמצן טהור על ידי החדרת רסיס עשן לתוך הכלי, שם צפויה נוכחותו. זה מהבהב בבהירות - זהו בדיקה איכותית לחמצן.
■ 10. איך, כשיש רסיס ברשותך, תוכל לזהות חמצן ופחמן דו חמצני בכלים שונים? 11. באיזה נפח חמצן ישמש לשריפת 2 ק"ג פחם המכילים 70% פחמן, 5% מימן, 7% חמצן, והשאר רכיבים בלתי דליקים?
אורז. 38.שריפת נתרן אורז. 39.גחלים אורז. 40.בעירה של ברזל בחמצן.
12. האם 10 ליטר חמצן יספיקו לשריפת 5 גרם זרחן?
13. 1 מ"ק מתערובת גז המכילה 40% פחמן חד חמצני, 20% חנקן, 30% מימן ו-10% פחמן דו חמצני נשרף בחמצן. כמה חמצן נצרך?
14. האם ניתן לייבש חמצן על ידי העברתו דרך: א) חומצה גופרתית, ב) סידן כלורי, ג) אנהידריד זרחתי, ד) מתכתי?
15. איך משחררים פחמן דו חמצני מזיהומי חמצן ולהיפך, איך משחררים חמצן מזיהומי פחמן דו חמצני?
16. 20 ליטר חמצן שהכיל תערובת של פחמן דו חמצני הועברו דרך 200 מ"ל של 0.1 נ'. תמיסת בריום. כתוצאה מכך, קטיון Ba 2+ שקע לחלוטין. כמה פחמן דו חמצני (באחוזים) הכיל החמצן המקורי?
השגת חמצן
החמצן מתקבל בכמה דרכים. במעבדה מקבלים חמצן מחומרים המכילים חמצן שיכולים לפצל אותו בקלות, למשל מאשלגן פרמנגנט KMnO4 (איור 41) או ממלח Bertolet KClO3:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
2KSlO3 = 2KSl + O2
כאשר משיגים חמצן ממלח ברטולט, חייב להיות נוכח זרז, מנגן דו חמצני, כדי להאיץ את התגובה. הזרז מאיץ את הפירוק והופך אותו לאחיד יותר. בלי זרז
אורז. 41. מכשיר להשגת חמצן בדרך מעבדתית מאשלגן פרמנגנט. 1 - פרמנגנט אשלגן; 2 - חמצן; 3 - צמר גפן; 4 - צילינדר - איסוף.
פיצוץ מתרחש אם מלח ברטולט נלקח בכמויות גדולות ובמיוחד אם הוא מזוהם בחומרים אורגניים.
חמצן מתקבל גם ממי חמצן בנוכחות זרז - מנגן דו חמצני MnO2 לפי המשוואה:
2H2O2[MnO2] = 2H2O + O2
■ 17. מדוע מוסיפים MnO2 במהלך הפירוק של מלח Berthollet?
18. ניתן לאסוף חמצן שנוצר במהלך פירוק KMnO4 על פני מים. שיקפו זאת בתרשים המכשיר.
19. לעיתים, בהיעדר מנגן דו-חמצני במעבדה, מוסיפים מעט שאריות למלח של ברטולט במקומו לאחר סידוד אשלגן פרמנגנט. מדוע שינוי כזה אפשרי?
20. איזה נפח חמצן ישתחרר במהלך פירוק 5 מולים של מלח ברטולט?
ניתן להשיג חמצן גם על ידי פירוק של חנקות בחימום מעל נקודת ההיתוך:
2KNO3 = 2KNO2 + O2
בתעשייה, חמצן מתקבל בעיקר מאוויר נוזלי. מתורגם למצב נוזלי, האוויר נתון לאידוי. ראשית, הוא מתאדה (נקודת הרתיחה שלו היא 195.8 מעלות), ונשאר חמצן (נקודת הרתיחה שלו היא -183 מעלות). בדרך זו, חמצן מתקבל כמעט בצורה טהורה.
לפעמים, בנוכחות חשמל זול, חמצן מתקבל על ידי אלקטרוליזה של מים:
H2O ⇄ H + + OH -
H++ ה— → H 0
בקתודה
2OH — — ה— → H2O + O; 2O = O2
ליד האנודה
■ 21. רשום את שיטות המעבדה והתעשייה להשגת חמצן המוכרות לך. רשום אותם במחברת, מלווה כל שיטה במשוואת תגובה.
22. האם התגובות משמשות לייצור חמצן חמצן? תן תשובה מנומקת.
23. נלקח 10 גרם של החומרים הבאים; אשלגן פרמנגנט, אשלגן כלורי, אשלגן חנקתי. באיזה מקרה ניתן יהיה להשיג את כמות החמצן הגדולה ביותר?
24. בחמצן שהושג על ידי חימום 20 גרם אשלגן פרמנגנט, נשרף 1 גרם פחם. איזה אחוז פרמנגנט פורק?
חמצן הוא היסוד הנפוץ ביותר בטבע. הוא נמצא בשימוש נרחב ברפואה, כימיה, תעשייה וכו' (איור 42).
אורז. 42. השימוש בחמצן.
טייסים בגובה רב, אנשים העובדים באווירה של גזים מזיקים, המועסקים בעבודה תת-קרקעית ותת-ימית, משתמשים במכשירי חמצן (איור 43).
במקרים בהם קשה בגלל מחלה מסוימת, מותר לאדם לנשום חמצן טהור משקית חמצן או להכניס אותו לאוהל חמצן.
נכון להיום, נעשה שימוש נרחב באוויר מועשר בחמצן או בחמצן טהור כדי להעצים תהליכים מתכות. לפידי חמצן-מימן וחמצן-אצטילן משמשים לריתוך וחיתוך מתכות. על ידי הספגה של חמצן נוזלי בחומרים דליקים: נסורת, אבקת פחם וכו', מתקבלות תערובות נפץ הנקראות אוקסיליקוויטים.
■ 25. צייר טבלה במחברת שלך והשלם אותה.
אוזון O3
כפי שכבר הוזכר, היסוד חמצן יכול ליצור שינוי אלוטרופי נוסף - אוזון O3. האוזון רותח ב-111 מעלות ומתמצק ב-250 מעלות. הוא כחול במצב גז וכחול במצב נוזלי. האוזון במים גבוה בהרבה מחמצן: 45 נפחים של אוזון מתמוססים ב-100 נפחים של מים.
האוזון שונה מחמצן בכך שהמולקולה שלו מורכבת משלושה ולא משני אטומים. בהקשר זה, מולקולת החמצן יציבה הרבה יותר ממולקולת האוזון. האוזון מתפרק בקלות לפי המשוואה:
O3 = O2 + [O]
שחרור חמצן אטומי במהלך ריקבון האוזון הופך אותו לחומר מחמצן חזק בהרבה מחמצן. לאוזון יש ריח רענן ("אוזון" בתרגום פירושו "ריחן"). בטבע הוא נוצר בפעולת פריקה חשמלית שקטה וביערות אורנים. לחולים במחלת ריאות מומלץ לבלות יותר זמן ביערות אורנים. עם זאת, חשיפה ממושכת לאטמוספירה המועשרת מאוד באוזון עלולה להיות בעלת השפעה רעילה על הגוף. הרעלה מלווה בסחרחורת, בחילות, דימום מהאף. בהרעלה כרונית עלולה להתרחש מחלת לב.
במעבדה מתקבל אוזון מחמצן באוזוניזרים (איור 44). חמצן מועבר לתוך צינור הזכוכית 1, כרוך מבחוץ עם חוט 2. חוט 3 עובר בתוך הצינור. שני החוטים הללו מחוברים לקטבים של מקור זרם היוצר מתח גבוה על האלקטרודות הללו. בין האלקטרודות מתרחשת פריקה חשמלית שקטה, שבגללה נוצר אוזון מחמצן.
איור 44; אוזונטור. 1 - בקבוק זכוכית; 2 - סלילה חיצונית; 3 - חוט בתוך הצינור; 4 - תמיסה של יודיד אשלגן עם עמילן
3O2 = 2O3
אוזון הוא חומר מחמצן חזק מאוד. הוא הרבה יותר אנרגטי מחמצן, נכנס לתגובות ובדרך כלל הרבה יותר פעיל מחמצן. לדוגמה, בניגוד לחמצן, הוא יכול לעקור מיוד מימן או מלחי יוד:
2KI + O3 + H2O = 2KOH + I2 + O2
יש מעט מאוד אוזון באטמוספרה (כמיליונית האחוז), אך הוא ממלא תפקיד משמעותי בקליטת אור השמש האולטרה סגול, ולכן הם נופלים על הקרקע בכמויות קטנות יותר ואין להם השפעה מזיקה על אורגניזמים חיים.
באוזון משתמשים בכמויות קטנות בעיקר למיזוג אוויר וגם בכימיה.
■ 26. מהם שינויים אלוטרופיים?
27. מדוע נייר יוד עמילן הופך לכחול בחשיפה לאוזון? תן תשובה מנומקת.
28. מדוע מולקולת החמצן הרבה יותר יציבה ממולקולת האוזון? נמק את תשובתך במונחים של מבנה תוך מולקולרי.