Oxy là gì? Hợp chất oxy

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Oxy (O) là một nguyên tố hóa học phi kim thuộc nhóm 16 (VIa) của bảng tuần hoàn. Nó là một loại khí không màu, không mùi và không vị, rất cần thiết cho các sinh vật sống - động vật biến nó thành carbon dioxide và thực vật sử dụng CO₂làm nguồn carbon và trả lại O₂vào bầu khí quyển. Ôxy tạo thành các hợp chất bằng cách phản ứng với hầu hết các nguyên tố khác, và cũng làm thay thế các nguyên tố hóa học khỏi liên kết với nhau. Trong nhiều trường hợp, các quá trình này đi kèm với sự giải phóng nhiệt và ánh sáng. Hợp chất oxy quan trọng nhất là nước.

Lịch sử khám phá

Năm 1772, nhà hóa học Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele lần đầu tiên chứng minh oxy bằng cách nung nóng kali nitrat, thủy ngân oxit, và nhiều chất khác. Không phụ thuộc vào ông, vào năm 1774, nhà hóa học người Anh Joseph Priestley đã phát hiện ra nguyên tố hóa học này bằng cách phân hủy nhiệt của oxit thủy ngân và công bố phát hiện của mình trong cùng năm, ba năm trước khi xuất bản. Scheele. Năm 1775-1780, nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier đã giải thích vai trò của oxy trong quá trình hô hấp và đốt cháy, bác bỏ lý thuyết phlogiston thường được chấp nhận vào thời điểm đó. Ông lưu ý xu hướng của nó tạo thành axit khi kết hợp với nhiều chất khác nhau và đặt tên cho nguyên tố là oxygène, trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "tạo ra axit".

Phổ biến

Oxy là gì? Chiếm 46% khối lượng của vỏ trái đất, nó là nguyên tố phổ biến nhất của nó. Lượng oxy trong khí quyển là 21% theo thể tích, và theo trọng lượng trong nước biển là 89%.

Trong đá, nguyên tố này kết hợp với kim loại và phi kim loại ở dạng oxit, có tính axit (ví dụ, lưu huỳnh, cacbon, nhôm và phốt pho) hoặc bazơ (muối của canxi, magiê và sắt), và là các hợp chất dạng muối có thể được coi là được hình thành từ các oxit có tính axit và bazơ như sunfat, cacbonat, silicat, alumin và photphat. Mặc dù chúng rất nhiều, nhưng những chất rắn này không thể đóng vai trò là nguồn cung cấp oxy, vì việc phá vỡ liên kết của một nguyên tố với các nguyên tử kim loại quá tiêu tốn năng lượng.

Tính năng

Nếu nhiệt độ của ôxy dưới -183 ° C, thì nó sẽ trở thành chất lỏng màu xanh lam nhạt và ở -218 ° C - là chất rắn. O₂tinh khiết nặng hơn không khí 1,1 lần.

Trong quá trình hô hấp, động vật và một số vi khuẩn tiêu thụ oxy từ khí quyển và trả lại carbon dioxide, trong khi trong quá trình quang hợp, cây xanh khi có ánh sáng mặt trời sẽ hấp thụ carbon dioxide và thải ra khí oxy tự do. Gần nhưtất cả O₂trong khí quyển đều do quang hợp tạo ra.

Ở 20 ° C, khoảng 3 phần thể tích oxy hòa tan trong 100 phần nước ngọt, ít hơn một chút trong nước biển. Điều này cần thiết cho sự hô hấp của cá và các sinh vật biển khác.

Ôxy tự nhiên là hỗn hợp của ba đồng vị bền:¹⁶O (99,759%),¹⁷O (0,037%) và¹⁸O (0,204%). Một số đồng vị phóng xạ được sản xuất nhân tạo đã được biết đến. Loại tồn tại lâu nhất trong số này là¹⁵O (với chu kỳ bán rã 124 giây), được sử dụng để nghiên cứu hô hấp ở động vật có vú.

Allotropes

Ý tưởng rõ ràng hơn về oxy là gì, cho phép bạn nhận được hai dạng dị hướng của nó, điatomic (O₂) và triatomic (O₃, ôzôn). Các tính chất của dạng điatomic gợi ý rằng sáu điện tử liên kết các nguyên tử và hai điện tử vẫn chưa kết đôi, gây ra hiện tượng thuận từ oxy. Ba nguyên tử trong phân tử ozon không nằm trên một đường thẳng.

Ozone có thể được sản xuất theo phương trình: 3O₂→ 2O₃.

Quá trình thu nhiệt (cần năng lượng); quá trình chuyển đổi ozon trở lại thành oxy diatomic được tạo điều kiện thuận lợi nhờ sự có mặt của các kim loại chuyển tiếp hoặc các oxit của chúng. Ôxy tinh khiết được chuyển đổi thành ôzôn bằng hiện tượng phóng điện phát sáng. Phản ứng cũng xảy ra khi hấp thụ ánh sáng tử ngoại có bước sóng khoảng 250 nm. Sự xuất hiện của quá trình này trong bầu khí quyển cao loại bỏ bức xạ có thể gây rathiệt hại cho sự sống trên bề mặt Trái đất. Mùi hăng của ozone có trong không gian kín với các thiết bị điện như máy phát điện. Nó là một chất khí màu xanh nhạt. Mật độ của nó gấp 1,658 lần không khí và nó có nhiệt độ sôi -112 ° C ở áp suất khí quyển.

Ozone là một chất oxy hóa mạnh, có khả năng chuyển hóa lưu huỳnh đioxit thành trioxit, sunfua thành sunfat, iotua thành iot (cung cấp một phương pháp phân tích để đánh giá nó), và nhiều hợp chất hữu cơ để dẫn xuất oxy hóa như andehit và axit. Quá trình chuyển hóa các hydrocacbon từ khí thải ô tô thành các axit và andehit này bằng ozon là nguyên nhân gây ra khói. Trong công nghiệp, ozone được sử dụng như một tác nhân hóa học, chất khử trùng, xử lý nước thải, lọc nước và tẩy trắng vải.

Phương pháp lấy

Cách sản xuất oxy phụ thuộc vào lượng khí cần thiết. Các phương pháp trong phòng thí nghiệm như sau:

1. Sự phân hủy nhiệt của một số muối như kali clorat hoặc kali nitrat:

2KClO₃→ 2KCl + 3O₂.
2KNO₃→ 2KNO₂+ O₂.

Sự phân hủy kali clorat được xúc tác bởi các ôxít kim loại chuyển tiếp. Mangan đioxit (pyrolusit, MnO₂) thường được sử dụng cho việc này. Chất xúc tác làm giảm nhiệt độ cần thiết để tạo oxy từ 400 xuống 250 ° C.

2. Nhiệt độ phân hủy oxit kim loại:

2HgO → 2Hg +Ô₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele và Priestley đã sử dụng hợp chất (oxit) của oxy và thủy ngân (II) để thu được nguyên tố hóa học này.

3. Sự phân hủy nhiệt của peroxit kim loại hoặc hydro peroxit:

2BaO + O₂→ 2BaO₂.
2BaO₂→ 2BaO + O₂.
BaO₂+ H₂SO₄→ H₂O₂+ BaSO₄.
2H₂O₂→ 2H₂O + O_2.

Các phương pháp công nghiệp đầu tiên để tách oxy khỏi khí quyển hoặc để sản xuất hydrogen peroxide phụ thuộc vào sự hình thành bari peroxide từ oxit.

4. Điện phân nước với các tạp chất nhỏ của muối hoặc axit, tạo ra khả năng dẫn điện:

2H₂O → 2H₂+ O₂

Sản xuất công nghiệp

Nếu cần thu được lượng lớn oxy, phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng được sử dụng. Trong các thành phần chính của không khí, nó có nhiệt độ sôi cao nhất và do đó ít bay hơi hơn nitơ và argon. Quá trình sử dụng làm mát khí khi nó nở ra. Các bước chính của hoạt động như sau:

không khí được lọc để loại bỏ các hạt vật chất;
độ ẩm và carbon dioxide được loại bỏ bằng cách hấp thụ vào kiềm;
không khí được nén và nhiệt nén được loại bỏ bằng quy trình làm mát thông thường;
sau đó nó đi vào cuộn dây nằm trongmáy ảnh;
một phần khí nén (ở áp suất khoảng 200 atm) nở ra trong buồng, làm mát cuộn dây;
khí giãn nở quay trở lại máy nén và trải qua một số giai đoạn giãn nở và nén tiếp theo, dẫn đến không khí ở -196 ° C trở thành chất lỏng;
lỏng được đun nóng để chưng cất các khí trơ nhẹ đầu tiên, sau đó là nitơ và oxy lỏng còn lại. Nhiều phân đoạn tạo ra một sản phẩm đủ tinh khiết (99,5%) cho hầu hết các mục đích công nghiệp.

Sử dụng công nghiệp

Luyện kim là nơi tiêu thụ oxy tinh khiết lớn nhất để sản xuất thép cacbon cao: loại bỏ khí cacbonic và các tạp chất phi kim loại khác nhanh hơn và dễ dàng hơn so với sử dụng không khí.

Xử lý nước thải bằng oxy hứa hẹn xử lý nước thải lỏng hiệu quả hơn các quy trình hóa học khác. Đốt rác trong hệ thống khép kín sử dụng O₂.

.tinh khiết ngày càng trở nên quan trọng

Cái gọi là chất oxy hóa tên lửa là oxy lỏng. Pure O₂Được sử dụng trong tàu ngầm và chuông lặn.

Trong công nghiệp hóa chất, oxy đã thay thế không khí bình thường trong quá trình sản xuất các chất như axetylen, etylen oxit và metanol. Các ứng dụng y tế bao gồm việc sử dụng khí trong buồng ôxy, ống hít và lồng ấp trẻ em. Khí gây mê được làm giàu oxy cung cấp hỗ trợ sự sống trong quá trình gây mê toàn thân. Nếu không có nguyên tố hóa học này, một sốcác ngành công nghiệp sử dụng lò nung chảy. Oxy là gì.

Tính chất hóa học và phản ứng

Độ âm điện lớn và ái lực electron của oxi là đặc trưng của các nguyên tố thể hiện tính phi kim. Tất cả các hợp chất có oxi đều có trạng thái oxi hóa âm. Khi hai obitan chứa đầy electron, một ion O^2-được hình thành. Trong peroxit (O₂^2-) mỗi nguyên tử được cho là có điện tích -1. Tính chất nhận electron bằng cách chuyển toàn bộ hoặc một phần này quyết định chất oxi hóa. Khi một tác nhân như vậy phản ứng với một chất cho điện tử, trạng thái oxy hóa của chính nó bị hạ thấp. Sự thay đổi (giảm) trạng thái oxy hóa của oxy từ 0 đến -2 được gọi là sự khử.

Ở điều kiện thường, nguyên tố tạo thành các hợp chất điatomic và triatomic. Ngoài ra, có những phân tử bốn nguyên tử không ổn định cao. Ở dạng diatomic, hai electron chưa ghép đôi nằm trong các obitan không liên kết. Điều này được xác nhận bởi đặc tính thuận từ của khí.

Khả năng phản ứng mạnh của ozone đôi khi được giải thích bằng giả thiết rằng một trong ba nguyên tử ở trạng thái "nguyên tử". Tham gia phản ứng, nguyên tử này phân ly khỏi O₃, để lại ôxy phân tử.

Phân tử O₂phản ứng yếu ở nhiệt độ và áp suất môi trường bình thường. Ôxy nguyên tử hoạt động mạnh hơn nhiều. Năng lượng phân ly (O₂→ 2O) là đáng kể vàlà 117,2 kcal trên mỗi mol.

Kết nối

Với các phi kim loại như hydro, cacbon và lưu huỳnh, oxy tạo thành một loạt các hợp chất liên kết cộng hóa trị, bao gồm các oxit của phi kim loại như nước (H₂O), sulfur dioxide (SO₂) và carbon dioxide (CO₂); các hợp chất hữu cơ như rượu, andehit và axit cacboxylic; axit phổ biến như cacbonic (H₂CO₃), sulfuric (H₂SO4 _{) và nitơ (HNO}3 _{); và các muối tương ứng như natri sunfat (Na}2_SO4 _{), natri cacbonat (Na}2_CO3 _{) và natri nitrat (NaNO}3 _{). Oxy tồn tại ở dạng ion O}2-^{trong cấu trúc tinh thể của các oxit kim loại rắn, chẳng hạn như hợp chất (oxit) của oxy và canxi CaO. Superoxit kim loại (KO}2 _{) chứa ion O}2-^{, trong khi peroxit kim loại (BaO 2}), chứa ion O₂_2-. Các hợp chất chứa oxi chủ yếu có trạng thái oxi hóa -2.