Tlen

Article

September 29, 2022

Tlen (japoński: 酸素, angielski: tlen) to pierwiastek chemiczny o symbolu O (łac. Oxygenium) i liczbie atomowej 8. Ogólnie rzecz biorąc, dwa atomy tlenu łączą się, aby istnieć jako gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu. Jako jeden z głównych składników powietrza jest szeroko rozpowszechniony w wiązaniach kowalencyjnych z innymi pierwiastkami nie tylko na Ziemi, ale w całym wszechświecie. Wolny tlen (tlen cząsteczkowy, O2) po raz pierwszy pojawił się w atmosferze ziemskiej w paleozoiku, będąc produktem ubocznym procesów metabolicznych przez beztlenowce (bakterie i archeony). Wzrost wolnego tlenu doprowadził w tamtym czasie do śmierci większości żywych organizmów, ale wręcz przeciwnie, stał się okazją do wykorzystania tlenu przez nowe organizmy. Powstawanie warstwy ozonowej umożliwiło również pojawienie się życia naziemnego. Większość tlenu jest wytwarzana w procesie fotosyntezy, około trzy czwarte z fitoplanktonu i alg w oceanach, a jedna czwarta z roślin lądowych. Jest substancją niezbędną do aktywności życiowej nawet dla człowieka, a po odcięciu tlenu wpada po 5 minutach w stan śmierci mózgu, a po 8 minutach. Czerwone krwinki odgrywają główną rolę w transporcie tlenu w organizmie zwierząt, w tym ludzi.

historia

Tlen został odkryty w 1774 roku przez Josepha Priestleya w Anglii. Priestley odkrył, że gazy powstające podczas ogrzewania tlenku rtęci(II) mają właściwości, dzięki którym świece palą się znacznie lepiej. Priestley odkrył również, że gaz ten jest związany z oddychaniem. Nazwał samolot „Dephlogiston Air”. Z drugiej strony, Carl Wilhelm Scheele ze Szwecji odkrył tlen niezależnie, ale to Priestley jako pierwszy ogłosił odkrycie tlenu. Po tym Antoine Lavoisier nazwał gaz „tlenem”. Chińskie słowo tlen (酸素) pochodzi od niemieckiego słowa Sauerstoff.

Teoria flogistonu

Teoria flogistonu została po raz pierwszy zaproponowana przez niemieckiego chemika JJ Wechera w 1667 roku. Główną cechą jest to, że wszystkie materiały palne zawierają cząstki zwane flogistonem, więc flogiston jest zużywany podczas procesu spalania, a proces spalania kończy się, gdy cały flogiston zostaje zużyty. W 1783 Lavoisier potwierdził brak flogistonu.

istnienie

istnienie w naturze

Tlen, wyrażony jako procent masy, stanowi 49,5% skorupy, w tym atmosfery i oceanów. W suchym powietrzu tlen stanowi 20,946% objętości. Większość tlenu obecnego w skorupie ziemskiej występuje również w postaci krzemianów, tlenków i wody. Tlen zawarty w wodzie stanowi 88,81% masowego procentu całego tlenu obecnego w skorupie ziemskiej. Jest drugim najliczniej występującym pierwiastkiem we wszechświecie po wodorze i helu, ale jego liczebność jest niewielka. Duża ilość tlenu jest wykorzystywana do oddychania, spalania itp., ale proporcja tlenu w atmosferze jest prawie stała z powodu fotosyntezy. W miarę postępu fotosyntezy dwutlenek węgla i woda są zużywane, a wytwarzana jest glukoza i tlen.

izotop

Tlen w atmosferze składa się z trzech izotopów: 16O to 99,759%, 17O to 0,037%, a 18O to 0,204%. Większość tlenu w atmosferze występuje w dwuatomowym stanie molekularnym. W przypadku tlenu obecnego w wodzie stosunek izotopów zmienia się w zależności od regionu. 14O, 15O i 19O to sztucznie zsyntetyzowane izotopy promieniotwórcze. Mają bardzo krótkie okresy półtrwania, z których izotop o najdłuższym okresie półtrwania to 15O z okresem półtrwania około 120 sekund.

alotrop

Alotropy tlenu obejmują O2 w postaci cząsteczki dwuatomowej, O3 w postaci trójatomowej cząsteczki zwanej ozonem oraz rzadki i niestabilny O4. O4 nie jest magnetyczny i ma jasnoniebieski kolor. Cząsteczka O4 łatwo dysocjuje, tworząc dwie cząsteczki O2. Ponad 90% ozonu w atmosferze ziemskiej znajduje się w warstwie ozonowej na wysokości od 15 do 40 km od powierzchni Ziemi i prawie pochłania krótkofalowe promienie ultrafioletowe z kosmosu, które są szkodliwe dla organizmów żywych. Jednak ozon przy powierzchni ma silne właściwości utleniające i jest szkodliwy dla zdrowia, dlatego jest traktowany jako zanieczyszczenie powietrza.

Nieruchomość

właściwości fizyczne

właściwości atomów tlenu

Średnia masa atomowa atomu tlenu wynosi 15,9994. Konfiguracja elektronowa atomu tlenu w stanie podstawowym to 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1. Na orbicie 2p znajdują się dwa niesparowane elektrony. Gdy atom tlenu tworzy częściowe lub całkowite wiązanie kowalencyjne z innym atomem, oczekuje się, że kąt wiązania wyniesie 90°, ale w rzeczywistości kąt wiązania wody (H2O) wynosi 104,47°, czyli jest większy niż 90°. . Problem ten można rozwiązać wyjaśniając, że orbitale 2s i 2p tlenu tworzą orbitale hybrydowe sp3.

właściwości cząsteczek tlenu

W temperaturze pokojowej tlen na ogół występuje jako cząsteczka dwuatomowa i jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i bez smaku. W stanie płynnym ma bladoniebieski kolor. Tlen w stanie gazowym ma pewne właściwości paramagnetyczne, a nawet w stanie ciekłym ma właściwości paramagnetyczne. Przy 1 atm temperatura topnienia wynosi -218,80 °C, a temperatura wrzenia -182,97 °C. Gęstość w 0°C 105 Pa wynosi 1,4290 g/l. Moment dipolowy wynosi 0, a średnia odległość między atomami tlenu w temperaturze pokojowej wynosi 1,208 Å. Tlen jest cząsteczką niepolarną.

chemia

Tlen jest bardzo aktywnym chemicznie pierwiastkiem. Nie reaguje bezpośrednio z metalami szlachetnymi, takimi jak złoto, platyna, srebro, gazy obojętne, halogeny (oprócz fluoru) itp., ale reaguje bezpośrednio z innymi pierwiastkami tworząc tlenki. Przykłady reakcji obejmują:C + O 2 ⟶ CO 2 {\displaystyle \mathrm {C\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ CO_{2}} } 4 A l + 3 O 2 ⟶ 2 A l 2 O 3 {\displaystyle \mathrm {4Al\ +\ 3O_{2}\ \longrightarrow \2Al_{2}O_{3}} } S + O 2 ⟶ SO 2 {\displaystyle \mathrm {S\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ SO_{2}} } 3 F e + 2 O 2 ⟶ F e 3 O 4 {\ Displaystyle \ operatorname {3Fe\ +\ 2O_ {2}\\ longrightarrow \ Fe_ {3}O_ {4}} } 4 p + 5 O 2 ⟶ 2 P 2 O 5 {\ Displaystyle \ operatorname {4 P \ + \ 5 O_ {2} \ \ Longrightarrow \ 2 P_ {2} O_ {5 }} } 2 do u + O 2 ⟶ 2 do u O {\ Displaystyle \ operatorname {2 Cu\ +\ O_ {2} \ \ longrightarrow \2CuO} } 2 F 2 + O 2 ⟶ 2 Z 2 {\displaystyle \mathrm {2F_{2}\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2OF_{2}} } W niektórych przypadkach może to spowodować spalanie. Prostym sposobem określenia obecności tlenu w laboratorium jest jego reakcja na gaszenie żaru, który następnie ponownie się rozpala.Tlen tworzy również wiele pierwiastków oraz jeden lub więcej tlenków. Na przykład siarka tworzy tlen i dwa związki: dwutlenek siarki (SO2) i trójtlenek siarki (SO3). Reprezentatywne przykłady związków binarnych zawierających tlen obejmują wodę (H2O) i dwutlenek krzemu (SiO2). Wśród nich dwutlenek krzemu jest jednym z głównych składników piasku. Wśród związków zawierających tlen, z wyjątkiem związków dwuskładnikowych, najbardziej reprezentatywny jest krzemian. Krzemiany są głównymi składnikami gleb i skał. węglan wapnia, który tworzy wapień i marmur,Siarczan wapnia, składnik gipsu i tlenek glinu, składnik boksytu, również zawierają tlen. Żelazo jest również produkowane w naturze jako związki tlenku żelaza. Jako środek wybielający stosuje się nadtlenek wodoru.

związek tlenu

woda

Wiele właściwości wody zależy od zawartego w niej tlenu. Atomy wodoru w wodzie są zdolne do tworzenia wiązań wodorowych, co jest możliwe, ponieważ atom wodoru jest połączony z atomem tlenu o wysokiej elektroujemności. Ponadto, gdy związek jonowy jest rozpuszczony w wodzie, jest uwodniony przez cząsteczki wody, co jest również możliwe, ponieważ cząsteczki wody są częściowo naładowane z powodu obecności atomów tlenu.

tlenek

Tlen tworzy prawie wszystkie pierwiastki i tlenki z wyjątkiem niektórych gazów szlachetnych. Tlenki można ogólnie podzielić na tlenki zasadowe, tlenki kwasowe i tlenki amfoteryczne. Tlenek zasadowy odnosi się do tlenku, który rozpuszcza się w wodzie lub reaguje z wodą, tworząc zasadowy roztwór wodny. Do tej kategorii należą również tlenki pierwiastków o silnych właściwościach metalicznych, takich jak metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych inne niż beryl. Tlenki metali przejściowych i niemetali o wysokim stopniu utlenienia są często tlenkami kwasowymi. Tlenek pierwiastka w środku obu tworzy tlenek amfoteryczny, a tlenek amfoteryczny może reagować z substancją kwasową, a także z substancją zasadową. Tlenek glinu i tym podobne należą do tej kategorii.

Stosowanie

metalurgia

Tlen jest wykorzystywany w różnych dziedzinach, takich jak wytapianie, rafinacja, spawanie i cięcie w procesie metalurgicznym. W procesie wytopu metalu do pieca musi być dostarczana duża ilość tlenu. W procesie oczyszczania stosowana jest metoda usuwania zanieczyszczeń poprzez utlenianie tlenem. Spawanie tlenowo-acetylenowe odnosi się do spawania metali z wykorzystaniem ciepła wytworzonego podczas reakcji tlenu i acetylenu. Cięcie można również wykonać przy użyciu acetylenu.

synteza chemiczna

Kilka procesów syntezy chemicznej obejmuje tlen. Gdy węglowodory są spalane z tlenem, jeśli zostaną podjęte takie środki, jak dokładna kontrola ilości tlenu, mogą powstawać substancje z różnych etapów spalania, co nazywa się częściowym utlenianiem. Na przykład, gdy procesowi temu poddawany jest gaz ziemny, który w większości składa się z metanu, z gazu ziemnego można otrzymać acetylen, etylen, propylen i tym podobne. Gdy węgiel lub węglowodory poddaje się reakcji z tlenem i parą wodną, ​​można otrzymać gaz syntezowy złożony z tlenku węgla i wodoru. Gaz syntezowy można wykorzystać jako surowiec do produkcji różnych związków, takich jak metanol i oktan. Ponadto tlen bierze udział w różnych procesach, takich jak synteza paliw i produkcja barwników.

paliwo przemysłowe

Stosowany do spawania w stalowniach, konstrukcjach stalowych i samochodach. Stosowany do oczyszczania ścieków i olejów odpadowych. stosowany w produkcji szkła. Używany do oddychania medycznego. Używany w rakietach i paliwach podwodnych.

tlen w biologii

fotosynteza

Proces fotosyntezy w roślinach wykorzystuje dwutlenek węgla i wodę do produkcji węglowodanów i tlenu. Cały proces fotosyntezy można krótko wyrazić jako równanie reakcji w następujący sposób. W schemacie reakcji wytwarzany węglowodan jest wyrażany jako glukoza, ale właśnie wytwarzany jest 3-fosforan aldehydu glicerynowego (G3P), który oprócz glukozy może być przekształcony w inne węglowodany.6 C O 2 + 12 H 2 O + E ⟶ C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O{\ Displaystyle \ operatorname {6CO_ {2}\ +\ 12H_ {2} O \ + \ E \ \ longrightarrow \ C_ {6} H_ {12} O_ {6} \ +\ 6O_ {2} \ + \ 6 H_ { 2}O} } Fotosynteza składa się w dużej mierze z reakcji światła i cyklu Calvina, a tlen jest wytwarzany podczas reakcji światła. Podczas procesu reakcji świetlnej liczne cząsteczki barwnika obecne w chloroplastach koncentrują energię świetlną do chlorofilu w centrum reakcji, a zebrana energia świetlna jest przekazywana do elektronów, aby pobudzić je energetycznie. Energia wzbudzonego elektronu jest wykorzystywana do generowania ATP, a na koniec elektron przemieszcza się do NADP+, aby wytworzyć NADPH. ATP i NADPH są następnie wykorzystywane do tworzenia węglowodanów w cyklu Calvina. Niezbędne elektrony uzyskuje się poprzez rozkład wody. W wyniku rozkładu wody powstają jony tlenu i wodoru, a wytworzony w ten sposób tlen jest uwalniany przez aparaty szparkowe rośliny.ATP i NADPH są następnie wykorzystywane do tworzenia węglowodanów w cyklu Calvina. Niezbędne elektrony uzyskuje się poprzez rozkład wody. W wyniku rozkładu wody powstają jony tlenu i wodoru, a wytworzony w ten sposób tlen jest uwalniany przez aparaty szparkowe rośliny.ATP i NADPH są następnie wykorzystywane do tworzenia węglowodanów w cyklu Calvina. Niezbędne elektrony uzyskuje się poprzez rozkład wody. W wyniku rozkładu wody powstają jony tlenu i wodoru, a wytworzony w ten sposób tlen jest uwalniany przez aparaty szparkowe rośliny.

oddychania komórkowego

Organizmy żywe wykorzystują tlen w procesie oddychania komórkowego. Cały proces można podsumować w jednym równaniu reakcji w następujący sposób.C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ⟶ 6 CO 2 + 6 H 2 O + E {\ Displaystyle \ operatorname {C_ {6} H_ {12} O_ {6} \ +\ 6O_ {2} \ \ longrightarrow \ 6CO_{2}\ +\ 6H_{2}O\ +\ E} } Oddychanie komórkowe w dużej mierze obejmuje glikolizę, cykl TCA,Dzieli się na procesy fosforylacji oksydacyjnej, a proces z udziałem tlenu to fosforylacja oksydacyjna. W glikolizie i cyklu TCA, NAD+ otrzymuje elektrony o wysokiej energii i staje się NADH. Wytworzony NADH przenosi elektrony do kompleksu białkowego obecnego w błonie wewnętrznej mitochondriów. Energia elektronów w kompleksie białkowym jest wykorzystywana do generowania ATP. Wreszcie elektrony są przenoszone do tlenu i łączą się z jonami wodoru, tworząc wodę.

tworzenie atmosfery

Tlen, który istnieje w dwuatomowym stanie molekularnym, tak jak jest dzisiaj, nie istniał w pierwotnej atmosferze. Kiedy po raz pierwszy pojawiły się organizmy, które emitują tlen w wyniku fotosyntezy, zakłada się, że tlen wytwarzany przez te organizmy najpierw reagował z żelazem rozpuszczonym w wodzie, tworząc tlenek żelaza. Tlen wytworzony po utworzeniu tlenku żelaza zostałby rozpuszczony w wodzie, a następnie, gdy woda została nasycona tlenem, tlen zaczął być uwalniany do atmosfery. Na podstawie wieku skał bogatych w tlenek żelaza szacuje się, że proces ten miał miejsce 2,7 miliarda lat temu.Nadejście wysoce reaktywnego tlenu spowodowało wyginięcie wielu protistów, którzy nie mogli się przystosować do tlenu. Organizmy żyjące w środowisku, w którym tlen nie był dostarczany w wystarczającym stopniu, ewoluowały w obecne bakterie beztlenowe, a bakterie, które żyły w środowisku bogatym w tlen i którym udało się przystosować do tlenu, ewoluowały w różne typy organizmów. Ponadto miało miejsce zdarzenie, w którym stosunek tlenu gwałtownie wzrósł ponownie 600 milionów lat temu pod koniec okresu prekambryjskiego, co stworzyło środowisko, w którym później pojawiły się zwierzęta.

aktywny tlen

Wśród tlenu znajduje się tlen, który powoduje starzenie się komórek, zwany tlenem reaktywnym. Aktywny tlen jest związkiem wytwarzanym przez niepełną redukcję, gdy tlen zostaje zredukowany do wody.Kiedy aktywny tlen działa na komórki, komórki starzeją się, aw ciężkich przypadkach dochodzi do raka. Ale teraz istnieje witamina E, która szybko redukuje się do wody, zanim zostaną wyprodukowane wolne rodniki.

Kontrowersje dotyczące halogenów

Tlen jest czasem klasyfikowany jako halogen wraz z azotem, ponieważ ma podobne właściwości do pierwiastków halogenowych. Istnieje jednak również opinia, że ​​należy go zaklasyfikować jako element niemetalowy.

Zobaczcie razem

krążenie tlenu niedotlenienie zatrucie tlenem ozon

notatka

Bibliografia

Campbell, NA i in., Biology, 8. wydanie, San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2007. Considine, GD i in., encyklopedia chemii Van Nostranda, wydanie 5., Hoboken: Wiley-Interscience, 2005. Parker, SP i in. Encyklopedia chemii McGraw-Hill, Nowy Jork: McGraw-Hill, 1993. Wydana przez Uniwersytet Chemiczny, Yonggil Seong, przetłumaczona przez Changhong Kima, „Słownik chemii”, Seul: Sewa, 2001.

link zewnętrzny

"Tlen". Navercast》. (Angielski) Tlen - WebElements.com

Original article in Korean language