Zuurstof (O) is een niet-metalen scheikundig element van groep 16 (VIa) van het periodiek systeem. Het is een kleurloos, geurloos en smaakloos gas dat essentieel is voor levende organismen – dieren die het omzetten in koolstofdioxide en planten die CO2 gebruiken als koolstofbron en O teruggeven 2 de atmosfeer in. Zuurstof vormt verbindingen door te reageren met bijna elk ander element, en verdringt ook chemische elementen van binding met elkaar. In veel gevallen gaan deze processen gepaard met het vrijkomen van warmte en licht. De belangrijkste zuurstofverbinding is water.
Ontdekkingsgeschiedenis
In 1772 demonstreerde de Zweedse chemicus Carl Wilhelm Scheele voor het eerst zuurstof door kaliumnitraat, kwikoxide en vele andere stoffen te verhitten. Onafhankelijk van hem ontdekte de Engelse chemicus Joseph Priestley in 1774 dit chemische element door thermische ontleding van kwikoxide en publiceerde zijn bevindingen in hetzelfde jaar, drie jaar voor publicatie. Scheele. In 1775-1780 interpreteerde de Franse chemicus Antoine Lavoisier de rol van zuurstof bij ademhaling en verbranding en verwierp hij de in die tijd algemeen aanvaarde flogistontheorie. Hij merkte de neiging op om zuren te vormen in combinatie met verschillende stoffen en noemde het element oxygène, wat in het Grieks "zuur produceren" betekent.
Prevalentie
Wat is zuurstof? Het vormt 46% van de massa van de aardkorst en is het meest voorkomende element. De hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer is 21 vol.% en in zeewater 89%.
In gesteenten wordt het element gecombineerd met metalen en niet-metalen in de vorm van oxiden, die zuur zijn (bijvoorbeeld zwavel, koolstof, aluminium en fosfor) of basisch (calcium-, magnesium- en ijzerzouten) en als zoutachtige verbindingen die kunnen worden beschouwd als gevormd uit zure en basische oxiden zoals sulfaten, carbonaten, silicaten, aluminaten en fosfaten. Hoewel ze talrijk zijn, kunnen deze vaste stoffen niet als zuurstofbron dienen, omdat het te veel energie kost om de binding van een element met metaalatomen te verbreken.
Kenmerken
Als de temperatuur van zuurstof lager is dan -183 °C, wordt het een lichtblauwe vloeistof en bij -218 °C vast. Pure O2 is 1,1 keer zwaarder dan lucht.
Tijdens de ademhaling verbruiken dieren en sommige bacteriën zuurstof uit de atmosfeer en geven ze koolstofdioxide terug, terwijl tijdens fotosynthese groene planten in aanwezigheid van zonlicht koolstofdioxide absorberen en vrije zuurstof afgeven. Bijnaalle O2 in de atmosfeer wordt geproduceerd door fotosynthese.
Bij 20 °C lossen ongeveer 3 volumedelen zuurstof op in 100 delen zoet water, iets minder in zeewater. Dit is nodig voor het ademen van vissen en ander zeeleven.
Natuurlijke zuurstof is een mengsel van drie stabiele isotopen: 16O (99,759%), 17O (0,037%) en18O (0,204%). Er zijn verschillende kunstmatig geproduceerde radioactieve isotopen bekend. De langstlevende hiervan is 15O (met een halfwaardetijd van 124 s), die wordt gebruikt om de ademhaling bij zoogdieren te bestuderen.
Allotropen
Een duidelijker idee van wat zuurstof is, stelt u in staat om de twee allotrope vormen ervan te krijgen, diatomisch (O2) en triatomair (O3, ozon). De eigenschappen van de diatomische vorm suggereren dat zes elektronen de atomen binden en twee ongepaard blijven, wat zuurstofparamagnetisme veroorzaakt. De drie atomen in het ozonmolecuul staan niet in een rechte lijn.
Ozon kan worden geproduceerd volgens de vergelijking: 3O2 → 2O3.
Het proces is endotherm (vereist energie); de omzetting van ozon terug in diatomische zuurstof wordt vergemakkelijkt door de aanwezigheid van overgangsmetalen of hun oxiden. Zuivere zuurstof wordt door een gloeiende elektrische ontlading omgezet in ozon. De reactie treedt ook op bij absorptie van ultraviolet licht met een golflengte van ongeveer 250 nm. Het optreden van dit proces in de bovenste atmosfeer elimineert straling die zou kunnen leiden tot:schade aan het leven op het aardoppervlak. De penetrante geur van ozon is aanwezig in afgesloten ruimtes met vonkende elektrische apparatuur zoals generatoren. Het is een lichtblauw gas. De dichtheid is 1.658 keer die van lucht, en het heeft een kookpunt van -112°C bij atmosferische druk.
Ozon is een sterk oxidatiemiddel dat in staat is zwaveldioxide om te zetten in trioxide, sulfide in sulfaat, jodide in jodium (wat een analytische methode biedt om het te evalueren), en veel organische verbindingen in geoxygeneerde derivaten zoals aldehyden en zuren. De omzetting van koolwaterstoffen uit uitlaatgassen van auto's in deze zuren en aldehyden door ozon is de oorzaak van smog. In de industrie wordt ozon gebruikt als chemisch middel, desinfectiemiddel, afvalwaterzuivering, waterzuivering en het bleken van stoffen.
Methoden ophalen
De manier waarop zuurstof wordt geproduceerd, hangt af van hoeveel gas er nodig is. Laboratoriummethoden zijn als volgt:
1. Thermische ontleding van sommige zouten zoals kaliumchloraat of kaliumnitraat:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
De ontleding van kaliumchloraat wordt gekatalyseerd door overgangsmetaaloxiden. Hiervoor wordt vaak mangaandioxide (pyrolusiet, MnO2) gebruikt. De katalysator verlaagt de temperatuur die nodig is om zuurstof te ontwikkelen van 400 tot 250°C.
2. Temperatuurontleding van metaaloxiden:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele en Priestley gebruikten een verbinding (oxide) van zuurstof en kwik (II) om dit chemische element te verkrijgen.
3. Thermische ontleding van metaalperoxiden of waterstofperoxide:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
De eerste industriële methoden voor het scheiden van zuurstof uit de atmosfeer of voor het produceren van waterstofperoxide waren afhankelijk van de vorming van bariumperoxide uit het oxide.
4. Elektrolyse van water met kleine onzuiverheden van zouten of zuren, die zorgen voor de geleidbaarheid van elektrische stroom:
2H2O → 2H2 + O2
Industriële productie
Als het nodig is om grote hoeveelheden zuurstof te verkrijgen, wordt gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht gebruikt. Van de belangrijkste bestanddelen van lucht heeft het het hoogste kookpunt en is daarom minder vluchtig dan stikstof en argon. Het proces maakt gebruik van koeling van het gas terwijl het uitzet. De belangrijkste stappen van de operatie zijn als volgt:
- lucht wordt gefilterd om fijnstof te verwijderen;
- vocht en koolstofdioxide worden verwijderd door absorptie in alkali;
- lucht wordt gecomprimeerd en de compressiewarmte wordt verwijderd door normale koelprocedures;
- dan komt het de spoel binnen die zich in. bevindtcamera;
- een deel van het samengeperste gas (bij een druk van ongeveer 200 atm) zet uit in de kamer, waardoor de spoel afkoelt;
- geëxpandeerd gas keert terug naar de compressor en doorloopt verschillende stadia van daaropvolgende expansie en compressie, wat resulteert in een vloeistof bij -196 °C, lucht wordt vloeibaar;
- vloeistof wordt verwarmd om de eerste lichte inerte gassen te destilleren, daarna stikstof en vloeibare zuurstof blijft. Meerdere fractionering produceert een product dat zuiver genoeg is (99,5%) voor de meeste industriële doeleinden.
Industrieel gebruik
Metallurgie is de grootste verbruiker van zuivere zuurstof voor de productie van koolstofrijk staal: verwijder kooldioxide en andere niet-metalen onzuiverheden sneller en gemakkelijker dan met lucht.
Zuurstofafvalwaterbehandeling is veelbelovend voor het efficiënter behandelen van vloeibaar afvalwater dan andere chemische processen. Afvalverbranding in gesloten systemen met zuivere O2.
. wordt steeds belangrijker
De zogenaamde raketoxidator is vloeibare zuurstof. Pure O2 Gebruikt in onderzeeërs en duikklokken.
In de chemische industrie heeft zuurstof de normale lucht vervangen bij de productie van stoffen als acetyleen, ethyleenoxide en methanol. Medische toepassingen omvatten het gebruik van het gas in zuurstofkamers, inhalatoren en babycouveuses. Een met zuurstof verrijkt anesthesiegas biedt levensondersteuning tijdens algemene anesthesie. Zonder dit chemische element is een aantalindustrieën die smeltovens gebruiken. Dat is wat zuurstof is.
Chemische eigenschappen en reacties
De hoge elektronegativiteit en elektronenaffiniteit van zuurstof zijn typerend voor elementen die niet-metalen eigenschappen vertonen. Alle zuurstofverbindingen hebben een negatieve oxidatietoestand. Wanneer twee orbitalen gevuld zijn met elektronen, wordt een O2- ion gevormd. In peroxiden (O22-) wordt aangenomen dat elk atoom een lading van -1 heeft. Deze eigenschap van het accepteren van elektronen door totale of gedeeltelijke overdracht bepa alt het oxidatiemiddel. Wanneer zo'n middel reageert met een elektronendonorstof, wordt zijn eigen oxidatietoestand verlaagd. De verandering (afname) in de oxidatietoestand van zuurstof van nul naar -2 wordt reductie genoemd.
Onder normale omstandigheden vormt het element twee-atomige en drie-atomige verbindingen. Daarnaast zijn er zeer onstabiele vier-atoommoleculen. In de diatomische vorm bevinden twee ongepaarde elektronen zich in niet-bindende orbitalen. Dit wordt bevestigd door het paramagnetische gedrag van het gas.
De intense reactiviteit van ozon wordt soms verklaard door de veronderstelling dat een van de drie atomen zich in een "atomaire" toestand bevindt. Bij binnenkomst in de reactie dissocieert dit atoom van O3, waardoor moleculaire zuurstof overblijft.
Het O2 molecuul is zwak reactief bij normale omgevingstemperaturen en drukken. Atoomzuurstof is veel actiever. De dissociatie-energie (O2 → 2O) is significant enis 117,2 kcal per mol.
Verbindingen
Met niet-metalen zoals waterstof, koolstof en zwavel vormt zuurstof een breed scala aan covalent gebonden verbindingen, waaronder oxiden van niet-metalen zoals water (H2O), zwaveldioxide (SO2) en koolstofdioxide (CO2); organische verbindingen zoals alcoholen, aldehyden en carbonzuren; gewone zuren zoals koolzuur (H2CO3), zwavelzuur (H2SO4) en stikstof (HNO3); en overeenkomstige zouten zoals natriumsulfaat (Na2SO4), natriumcarbonaat (Na2 CO 3) en natriumnitraat (NaNO3). Zuurstof is aanwezig in de vorm van het O2- ion in de kristalstructuur van vaste metaaloxiden, zoals de verbinding (oxide) van zuurstof en calcium CaO. Metaalsuperoxiden (KO2) bevatten het O2--ion, terwijl metaalperoxiden (BaO2), bevatten het ion O22-. Zuurstofverbindingen hebben voornamelijk een oxidatietoestand van -2.
Basisfuncties
Ten slotte noemen we de belangrijkste eigenschappen van zuurstof:
- Elektronenconfiguratie: 1s22s22p4.
- Atoomgetal: 8.
- Atoommassa: 15.9994.
- Kookpunt: -183.0 °C.
- Smeltpunt: -218,4 °C.
- Dichtheid (als de zuurstofdruk 1 atm is bij 0 °C): 1,429 g/l.
- Oxidatietoestanden: -1, -2, +2 (in verbindingen met fluor).
