Kas yra deguonis? Deguonies junginiai

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 05:34

Deguonis (O) yra nemetalinis periodinės lentelės 16 (VIa) grupės cheminis elementas. Tai bespalvės, bekvapės ir beskonės dujos, būtinos gyviems organizmams – gyvūnams, paverčiantiems jį anglies dioksidu, ir augalams, kurie naudoja CO₂ kaip anglies š altinį ir grąžina O ₂ į atmosferą. Deguonis sudaro junginius reaguodamas su beveik bet kokiu kitu elementu, taip pat išstumia cheminius elementus nuo tarpusavio ryšio. Daugeliu atvejų šiuos procesus lydi šilumos ir šviesos išsiskyrimas. Svarbiausias deguonies junginys yra vanduo.

Atradimų istorija

1772 m. švedų chemikas Carl Wilhelm Scheele pirmą kartą pademonstravo deguonį kaitindamas kalio nitratą, gyvsidabrio oksidą ir daugelį kitų medžiagų. Nepriklausomai nuo jo, 1774 m. anglų chemikas Josephas Priestley atrado šį cheminį elementą termiškai skaidydamas gyvsidabrio oksidą ir paskelbė savo išvadas tais pačiais metais, prieš trejus metus iki paskelbimo. Scheele. 1775–1780 m. prancūzų chemikas Antoine'as Lavoisier aiškino deguonies vaidmenį kvėpuojant ir degant, atmesdamas tuo metu visuotinai priimtą flogistono teoriją. Jis atkreipė dėmesį į jo polinkį formuotis rūgštims, kai jungiasi su įvairiomis medžiagomis, ir pavadino elementą oksigene, kuris graikų kalba reiškia „gaminti rūgštį“.

Plitimas

Kas yra deguonis? Sudarantis 46% žemės plutos masės, tai yra labiausiai paplitęs jos elementas. Deguonies kiekis atmosferoje yra 21 % tūrio, o jūros vandenyje – 89 %.

Uolienose elementas susijungia su metalais ir nemetalais oksidų pavidalu, kurie yra rūgštiniai (pavyzdžiui, siera, anglis, aliuminis ir fosforas) arba baziniai (kalcio, magnio ir geležies druskos), ir kaip į druskas panašūs junginiai, kurie gali būti laikomi susidariusiais iš rūgščių ir bazinių oksidų, tokių kaip sulfatai, karbonatai, silikatai, aliuminatai ir fosfatai. Nors jų yra daug, šios kietosios medžiagos negali būti deguonies š altiniais, nes elemento jungties su metalo atomais nutraukimas per daug sunaudoja energijos.

Funkcijos

Jei deguonies temperatūra yra žemesnė nei -183 °C, tada jis tampa šviesiai mėlynu skysčiu, o esant -218 °C - kietu. Grynas O₂ yra 1,1 karto sunkesnis už orą.

Kvėpuodami gyvūnai ir kai kurios bakterijos suvartoja deguonį iš atmosferos ir grąžina anglies dvideginį, o fotosintezės metu žalieji augalai, esant saulės šviesai, sugeria anglies dioksidą ir išskiria laisvą deguonį. Beveikvisas O₂ atmosferoje susidaro fotosintezės būdu.

Esant 20 °C temperatūrai, maždaug 3 tūrinės dalys deguonies ištirpsta 100 dalių gėlo vandens, šiek tiek mažiau jūros vandenyje. Tai būtina žuvims ir kitiems jūros gyvūnams kvėpuoti.

Natūralus deguonis yra trijų stabilių izotopų mišinys: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037 %) ir¹⁸O (0,204 %). Yra žinomi keli dirbtinai pagaminti radioaktyvieji izotopai. Ilgiausias iš jų yra ¹⁵O (pusinės eliminacijos laikas 124 s), kuris naudojamas žinduolių kvėpavimui tirti.

Allotropai

Aiškesnis supratimas, kas yra deguonis, leidžia gauti dvi jo alotropines formas: dviatominę (O₂) ir triatominę (O_3). , ozonas). Dviatominės formos savybės rodo, kad šeši elektronai jungiasi su atomais, o du lieka nesuporuoti, todėl deguonies paramagnetizmą sukelia. Trys atomai ozono molekulėje nėra tiesioje linijoje.

Ozonas gali būti gaminamas pagal lygtį: 3O₂ → 2O₃.

Procesas yra endoterminis (reikalauja energijos); ozono pavertimą atgal į dviatomį deguonį palengvina pereinamųjų metalų arba jų oksidų buvimas. Grynas deguonis paverčiamas ozonu švytinčios elektros išlydžio metu. Reakcija taip pat vyksta absorbuojant ultravioletinę šviesą, kurios bangos ilgis yra apie 250 nm. Šio proceso atsiradimas viršutiniuose atmosferos sluoksniuose pašalina spinduliuotę, kuri gali sukeltižala gyvybei Žemės paviršiuje. Aitrus ozono kvapas jaučiamas uždarose patalpose, kuriose yra kibirkščiuojanti elektros įranga, pavyzdžiui, generatoriai. Tai šviesiai mėlynos dujos. Jo tankis yra 1,658 karto didesnis nei oro, o virimo temperatūra esant atmosferos slėgiui –112°C.

Ozonas yra stiprus oksidatorius, galintis paversti sieros dioksidą trioksidu, sulfidą sulfatu, jodidą jodu (suteikia analizės metodą jo įvertinimui), o daugelį organinių junginių į deguonies prisotintus darinius, tokius kaip aldehidai ir rūgštys. Angliavandeniliai iš automobilių išmetamųjų dujų virsta šiomis rūgštimis ir aldehidais, veikiant ozonui, sukelia smogą. Pramonėje ozonas naudojamas kaip cheminė medžiaga, dezinfekavimo priemonė, nuotekų valymas, vandens valymas ir audinių balinimas.

Gauti metodus

Deguonies gamybos būdas priklauso nuo to, kiek dujų reikia. Laboratoriniai metodai yra tokie:

1. Kai kurių druskų, pvz., kalio chlorato arba kalio nitrato, terminis skilimas:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂.

Kalio chlorato skilimą katalizuoja pereinamųjų metalų oksidai. Tam dažnai naudojamas mangano dioksidas (piroliusitas, MnO₂). Katalizatorius sumažina temperatūrą, reikalingą deguoniui išskirti nuo 400 iki 250 °C.

2. Metalo oksidų skilimas pagal temperatūrą:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele ir Priestley naudojo deguonies ir gyvsidabrio (II) junginį (oksidą), kad gautų šį cheminį elementą.

3. Terminis metalų peroksidų arba vandenilio peroksido skilimas:

2BaO + O₂ → 2BaO₂.
2BaO₂ → 2BaO +O₂.
BaO₂ + H₂SO₄ → H₂ O₂ + BaSO₄.
2H₂O₂ → 2H₂O +O _2.

Pirmieji pramoniniai deguonies atskyrimo iš atmosferos arba vandenilio peroksido gamybos metodai priklausė nuo bario peroksido susidarymo iš oksido.

4. Vandens elektrolizė su mažomis druskų arba rūgščių priemaišomis, užtikrinančiomis elektros srovės laidumą:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Pramoninė gamyba

Jei reikia gauti didelį deguonies kiekį, naudojamas skysto oro frakcinis distiliavimas. Iš pagrindinių oro sudedamųjų dalių jis turi aukščiausią virimo temperatūrą, todėl yra mažiau lakus nei azotas ir argonas. Procese naudojamas dujų aušinimas, kai jos plečiasi. Pagrindiniai operacijos žingsniai yra tokie:

oras filtruojamas, kad būtų pašalintos kietosios dalelės;
drėgmė ir anglies dioksidas pašalinami absorbuojant į šarmą;
oras suspaudžiamas ir suspaudimo šiluma pašalinama įprastomis vėsinimo procedūromis;
tada jis patenka į ritę, esančią vidujefotoaparatas;
dalis suslėgtų dujų (esant maždaug 200 atm slėgiui) išsiplečia kameroje, vėsindamos gyvatuką;
išsiplėtusios dujos grįžta į kompresorių ir pereina kelis tolesnio išsiplėtimo ir suspaudimo etapus, todėl skystis -196 °C temperatūroje oras tampa skystas;
skystis kaitinamas, kad būtų distiliuojamos pirmosios lengvos inertinės dujos, tada azotas ir lieka skystas deguonis. Daugkartinis frakcionavimas suteikia pakankamai gryną produktą (99,5 %) daugeliui pramonės tikslų.

Pramoninis naudojimas

Metalurgija yra didžiausia gryno deguonies vartotoja gaminant daug anglies turintį plieną: greičiau ir lengviau pašalinkite anglies dioksidą ir kitas nemetalines priemaišas nei naudodami orą.

Deguonies nuotekų valymas žada skystas nuotekas valyti efektyviau nei kiti cheminiai procesai. Atliekų deginimas uždarose sistemose naudojant gryną O₂.

. tampa vis svarbesnis

Vadinamasis raketinis oksidatorius yra skystasis deguonis. Grynas O₂ Naudojamas povandeniniuose laivuose ir nardymo varpeliuose.

Chemijos pramonėje deguonis pakeitė įprastą orą gaminant tokias medžiagas kaip acetilenas, etileno oksidas ir metanolis. Medicinos pritaikymas apima dujų naudojimą deguonies kamerose, inhaliatoriuose ir kūdikių inkubatoriuose. Deguonies prisotintos anestezijos dujos palaiko gyvybę bendrosios anestezijos metu. Be šio cheminio elemento, daugelispramonės šakos, naudojančios lydymosi krosnis. Štai kas yra deguonis.

Cheminės savybės ir reakcijos

Didelis deguonies elektronegatyvumas ir elektronų giminingumas būdingi elementams, kurie pasižymi nemetalinėmis savybėmis. Visi deguonies junginiai turi neigiamą oksidacijos būseną. Kai dvi orbitalės užpildomos elektronais, susidaro O^2- jonas. Peroksiduose (O₂^2-) kiekvienas atomas turi -1 krūvį. Ši savybė priimti elektronus visiško ar dalinio perdavimo būdu lemia oksidatorių. Kai toks agentas reaguoja su elektronus donore medžiaga, sumažėja jo paties oksidacijos būsena. Deguonies oksidacijos būsenos pokytis (sumažėjimas) nuo nulio iki -2 vadinamas redukcija.

Įprastomis sąlygomis elementas sudaro dviatominius ir triatominius junginius. Be to, yra labai nestabilių keturių atomų molekulių. Dviatominėje formoje du nesuporuoti elektronai yra nesusijusiose orbitose. Tai patvirtina paramagnetinis dujų elgesys.

Intensyvus ozono reaktyvumas kartais paaiškinamas prielaida, kad vienas iš trijų atomų yra „atominės“būsenos. Įeidamas į reakciją, šis atomas atsiskiria nuo O₃, palikdamas molekulinį deguonį.

O₂ molekulė silpnai reaguoja esant normaliai aplinkos temperatūrai ir slėgiui. Atominis deguonis yra daug aktyvesnis. Disociacijos energija (O₂ → 2O) yra reikšminga iryra 117,2 kcal vienam moliui.

Ryšiai

Su nemetalais, tokiais kaip vandenilis, anglis ir siera, deguonis sudaro daugybę kovalentiškai sujungtų junginių, įskaitant nemetalų oksidus, tokius kaip vanduo (H₂O), sieros dioksidas (SO₂) ir anglies dioksidas (CO₂); organiniai junginiai, tokie kaip alkoholiai, aldehidai ir karboksirūgštys; įprastos rūgštys, pvz., anglies rūgštis (H₂CO₃), sieros rūgštis (H₂SO4_{) ir azotas (HNO}3_{); ir atitinkamos druskos, pvz., natrio sulfatas (Na}2_SO4_{), natrio karbonatas (Na}2 _CO 3_{) ir natrio nitratas (NaNO}3_{). Kietųjų metalų oksidų, tokių kaip deguonies ir kalcio CaO junginys (oksidas), kristalinėje struktūroje deguonis yra O}2- ^{jonų pavidalu. Metalų superoksidai (KO}2_{) turi O}2- ^{jonų, o metalų peroksidai (BaO) 2}), turi joną O₂_2-. Deguonies junginių oksidacijos laipsnis daugiausia yra -2.