ออกซิเจน (O) เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่ใช่โลหะของกลุ่ม 16 (VIa) ของตารางธาตุ เป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และรสจืด ซึ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต – สัตว์ที่เปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และพืชที่ใช้ CO2 เป็นแหล่งคาร์บอนและคืน O 2 สู่บรรยากาศ ออกซิเจนสร้างสารประกอบโดยทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นเกือบทุกชนิด และยังแทนที่องค์ประกอบทางเคมีจากการเกาะติดกัน ในหลายกรณี กระบวนการเหล่านี้มาพร้อมกับการปล่อยความร้อนและแสง สารประกอบออกซิเจนที่สำคัญที่สุดคือน้ำ
ประวัติการค้นพบ
ในปี ค.ศ. 1772 นักเคมีชาวสวีเดนชื่อ Carl Wilhelm Scheele ได้สาธิตการใช้ออกซิเจนเป็นครั้งแรกด้วยการให้ความร้อนกับโพแทสเซียมไนเตรต ปรอทออกไซด์ และสารอื่นๆ มากมาย โดยอิสระจากเขาในปี ค.ศ. 1774 นักเคมีชาวอังกฤษ โจเซฟ พรีสลีย์ ค้นพบองค์ประกอบทางเคมีนี้โดยการสลายตัวทางความร้อนของปรอทออกไซด์และตีพิมพ์ผลการค้นพบของเขาในปีเดียวกัน สามปีก่อนการตีพิมพ์ชีเล่ ในปี ค.ศ. 1775-1780 นักเคมีชาวฝรั่งเศส Antoine Lavoisier ได้ตีความบทบาทของออกซิเจนในการหายใจและการเผาไหม้ โดยปฏิเสธทฤษฎีฟลจิสตันที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในขณะนั้น เขาสังเกตเห็นแนวโน้มที่จะเกิดกรดเมื่อรวมกับสารต่างๆ และตั้งชื่อธาตุ oxygène ซึ่งในภาษากรีกหมายถึง "ผลิตกรด"
ความชุก
ออกซิเจนคืออะไร? คิดเป็น 46% ของมวลเปลือกโลก เป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุด ปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศคือ 21% โดยปริมาตร และโดยน้ำหนักในน้ำทะเลคือ 89%
ในหิน ธาตุจะรวมกับโลหะและอโลหะในรูปของออกไซด์ซึ่งมีสภาพเป็นกรด (เช่น กำมะถัน คาร์บอน อะลูมิเนียม และฟอสฟอรัส) หรือเบสิก (เกลือของแคลเซียม แมกนีเซียม และเหล็ก) และเป็นสารประกอบคล้ายเกลือที่ถือได้ว่าก่อตัวขึ้นจากออกไซด์ที่เป็นกรดและด่าง เช่น ซัลเฟต คาร์บอเนต ซิลิเกต อะลูมิเนต และฟอสเฟต แม้ว่าจะมีจำนวนมากมาย แต่ของแข็งเหล่านี้ไม่สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งของออกซิเจนได้ เนื่องจากการทำลายพันธะของธาตุที่มีอะตอมของโลหะนั้นใช้พลังงานมากเกินไป
คุณสมบัติ
ถ้าอุณหภูมิของออกซิเจนต่ำกว่า -183 °C ก็จะกลายเป็นของเหลวสีฟ้าซีด และที่ -218 °C - ของแข็ง O2 หนักกว่าอากาศ 1.1 เท่า
ในระหว่างการหายใจ สัตว์และแบคทีเรียบางชนิดใช้ออกซิเจนจากบรรยากาศและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับ ในขณะที่ในระหว่างการสังเคราะห์แสง พืชสีเขียวในที่ที่มีแสงแดดจะดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และปล่อยออกซิเจนอิสระ เกือบO2 ทั้งหมดในบรรยากาศเกิดจากการสังเคราะห์ด้วยแสง
ที่อุณหภูมิ 20 °C ออกซิเจน 3 ส่วนในปริมาตรจะละลายในน้ำจืด 100 ส่วน โดยน้อยกว่าในน้ำทะเลเล็กน้อย นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการหายใจของปลาและสัตว์ทะเลอื่นๆ
ออกซิเจนธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทปที่เสถียรสามชนิด: 16O (99.759%), 17O (0.037 %) และ18O (0.204%). ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่ผลิตขึ้นเองหลายชนิดเป็นที่รู้จัก อายุยืนที่สุดคือ 15O (ครึ่งชีวิต 124 วินาที) ซึ่งใช้ศึกษาการหายใจของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
Allotropes
แนวคิดที่ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าออกซิเจนคืออะไร ช่วยให้คุณได้รูปแบบอัลโลทรอปิกสองรูปแบบ ได้แก่ ไดอะตอมมิก (O2) และไตรอะตอม (O3 , โอโซน). คุณสมบัติของรูปแบบไดอะตอมมิกแนะนำว่าอิเล็กตรอนหกตัวจับอะตอมและอีกสองตัวยังคงไม่จับคู่กัน ทำให้เกิดพาราแมกเนติกของออกซิเจน อะตอมทั้งสามในโมเลกุลโอโซนไม่เป็นเส้นตรง
โอโซนสามารถผลิตได้ตามสมการ: 3O2 → 2O3.
กระบวนการดูดความร้อน (ต้องใช้พลังงาน); การเปลี่ยนโอโซนกลับเป็นออกซิเจนไดอะตอมมิกทำได้โดยการมีอยู่ของโลหะทรานซิชันหรือออกไซด์ของโลหะเหล่านั้น ออกซิเจนบริสุทธิ์จะถูกแปลงเป็นโอโซนโดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าที่เรืองแสง ปฏิกิริยายังเกิดขึ้นจากการดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นประมาณ 250 นาโนเมตร การเกิดขึ้นของกระบวนการนี้ในชั้นบรรยากาศชั้นบนจะขจัดรังสีที่อาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิวโลก กลิ่นฉุนของโอโซนมีอยู่ในที่ปิดล้อมด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เกิดประกายไฟ เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เป็นก๊าซสีฟ้าอ่อน ความหนาแน่นของมันคือ 1.658 เท่าของอากาศ และมีจุดเดือดที่ -112°C ที่ความดันบรรยากาศ
โอโซนเป็นสารออกซิไดซ์ที่แรง สามารถแปลงซัลเฟอร์ไดออกไซด์เป็นไตรออกไซด์ ซัลไฟด์เป็นซัลเฟต ไอโอไดด์เป็นไอโอดีน (ให้วิธีการวิเคราะห์สำหรับการประเมิน) และสารประกอบอินทรีย์หลายชนิดไปเป็นอนุพันธ์ออกซิเจน เช่น อัลดีไฮด์และกรด การเปลี่ยนสารไฮโดรคาร์บอนจากไอเสียรถยนต์ไปเป็นกรดและอัลดีไฮด์โดยโอโซนเป็นสาเหตุของหมอกควัน ในอุตสาหกรรม โอโซนถูกใช้เป็นสารเคมี ยาฆ่าเชื้อ การบำบัดน้ำเสีย การทำน้ำให้บริสุทธิ์ และการฟอกผ้า
วิธีรับ
วิธีผลิตออกซิเจนขึ้นอยู่กับปริมาณก๊าซที่ต้องใช้ วิธีการทางห้องปฏิบัติการมีดังนี้:
1. การสลายตัวด้วยความร้อนของเกลือบางชนิด เช่น โพแทสเซียมคลอเรตหรือโพแทสเซียมไนเตรต:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
การสลายตัวของโพแทสเซียมคลอเรตถูกเร่งด้วยออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน มักใช้แมงกานีสไดออกไซด์ (pyrolusite, MnO2) ตัวเร่งปฏิกิริยาจะลดอุณหภูมิที่จำเป็นในการวิวัฒนาการออกซิเจนจาก 400 เป็น 250°C
2. อุณหภูมิสลายตัวของโลหะออกไซด์:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele และ Priestley ใช้สารประกอบ (ออกไซด์) ของออกซิเจนและปรอท (II) เพื่อให้ได้องค์ประกอบทางเคมีนี้
3. การสลายตัวด้วยความร้อนของโลหะเปอร์ออกไซด์หรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
วิธีอุตสาหกรรมวิธีแรกในการแยกออกซิเจนออกจากบรรยากาศหรือการผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ขึ้นอยู่กับการก่อตัวของแบเรียมเปอร์ออกไซด์จากออกไซด์
4. อิเล็กโทรลิซิสของน้ำที่มีเกลือหรือกรดเจือปนเล็กน้อย ซึ่งให้ค่าการนำไฟฟ้าของกระแสไฟฟ้า:
2H2O → 2H2 + O2
การผลิตเชิงอุตสาหกรรม
หากจำเป็นต้องได้รับออกซิเจนในปริมาณมาก จะใช้การกลั่นแบบเศษส่วนของอากาศเหลว ในองค์ประกอบหลักของอากาศ มีจุดเดือดสูงสุดและมีความผันผวนน้อยกว่าไนโตรเจนและอาร์กอน กระบวนการนี้ใช้การทำให้เย็นลงของแก๊สในขณะที่มันขยายตัว ขั้นตอนหลักของการดำเนินการมีดังนี้:
- กรองอากาศเพื่อกำจัดอนุภาค
- ความชื้นและคาร์บอนไดออกไซด์ถูกกำจัดโดยการดูดซับเป็นด่าง
- อากาศถูกบีบอัดและความร้อนจากการบีบอัดจะถูกลบออกโดยขั้นตอนการทำความเย็นปกติ
- จากนั้นก็เข้าคอยล์ที่อยู่ในกล้อง;
- ส่วนหนึ่งของก๊าซอัด (ที่ความดันประมาณ 200 atm) ขยายตัวในห้องเพาะเลี้ยง คอยล์เย็น
- ก๊าซที่ขยายกลับคืนสู่คอมเพรสเซอร์และผ่านหลายขั้นตอนของการขยายตัวและการบีบอัดที่ตามมา ส่งผลให้ของเหลวที่อุณหภูมิ -196 °C อากาศกลายเป็นของเหลว
- ของเหลวถูกทำให้ร้อนเพื่อกลั่นก๊าซเฉื่อยแสงแรก จากนั้นไนโตรเจนและออกซิเจนเหลวจะยังคงอยู่ การแยกส่วนหลายครั้งทำให้เกิดผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์เพียงพอ (99.5%) สำหรับวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่
ใช้ในอุตสาหกรรม
โลหะวิทยาเป็นผู้บริโภคออกซิเจนบริสุทธิ์รายใหญ่ที่สุดสำหรับการผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนสูง: กำจัดคาร์บอนไดออกไซด์และสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะได้เร็วและง่ายกว่าการใช้อากาศ
การบำบัดน้ำเสียด้วยออกซิเจนถือสัญญาว่าจะบำบัดน้ำเสียได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการทางเคมีอื่นๆ การเผาขยะในระบบปิดโดยใช้ O2.
. กำลังมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ
จรวดออกซิไดเซอร์ที่เรียกว่าออกซิเจนเหลว Pure O2 ใช้ในเรือดำน้ำและระฆังดำน้ำ
ในอุตสาหกรรมเคมี ออกซิเจนเข้ามาแทนที่อากาศปกติในการผลิตสารต่างๆ เช่น อะเซทิลีน เอทิลีนออกไซด์ และเมทานอล การใช้งานทางการแพทย์รวมถึงการใช้ก๊าซในห้องออกซิเจน เครื่องช่วยหายใจ และตู้อบทารก ก๊าซยาสลบที่อุดมด้วยออกซิเจนช่วยพยุงชีวิตในระหว่างการดมยาสลบ หากปราศจากองค์ประกอบทางเคมีนี้ จำนวนอุตสาหกรรมที่ใช้เตาหลอม นั่นคือสิ่งที่เป็นออกซิเจน
คุณสมบัติและปฏิกิริยาทางเคมี
อิเล็กโตรเนกาติวีตี้สูงและความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับออกซิเจนเป็นเรื่องปกติของธาตุที่แสดงคุณสมบัติที่ไม่ใช่โลหะ สารประกอบออกซิเจนทั้งหมดมีสถานะออกซิเดชันเชิงลบ เมื่อออร์บิทัลสองออร์บิทัลเต็มไปด้วยอิเล็กตรอน จะเกิดไอออน O2- ในเปอร์ออกไซด์ (O22-) แต่ละอะตอมจะมีประจุเป็น -1 คุณสมบัติของการรับอิเล็กตรอนโดยการถ่ายโอนทั้งหมดหรือบางส่วนจะเป็นตัวกำหนดตัวออกซิไดซ์ เมื่อสารดังกล่าวทำปฏิกิริยากับสารผู้ให้อิเล็กตรอน สถานะออกซิเดชันของตัวมันเองจะลดลง การเปลี่ยนแปลง (ลดลง) ในสถานะออกซิเดชันของออกซิเจนจากศูนย์เป็น -2 เรียกว่าการลดลง
ภายใต้สภาวะปกติ ธาตุจะสร้างสารประกอบไดอะตอมมิกและไตรอะตอม นอกจากนี้ยังมีโมเลกุลสี่อะตอมที่ไม่เสถียรอย่างมาก ในรูปแบบไดอะตอมมิก อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่สองตัวจะอยู่ในออร์บิทัลที่ไม่ผูกมัด สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยพฤติกรรมพาราแมกเนติกของก๊าซ
ปฏิกิริยาที่รุนแรงของโอโซนบางครั้งอธิบายได้ด้วยสมมติฐานที่ว่าอะตอมหนึ่งในสามอะตอมอยู่ในสถานะ "อะตอม" เมื่อเข้าสู่ปฏิกิริยา อะตอมนี้จะแยกออกจาก O3 ออกจากโมเลกุลออกซิเจน
O2 โมเลกุลมีปฏิกิริยาต่ำที่อุณหภูมิแวดล้อมและความดันปกติ อะตอมออกซิเจนมีความกระตือรือร้นมากขึ้น พลังงานการแยกตัว (O2 → 2O) มีความสำคัญและคือ 117.2 กิโลแคลอรีต่อโมล
การเชื่อมต่อ
อโลหะ เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอน และกำมะถัน ออกซิเจนจะสร้างสารประกอบพันธะโควาเลนต์ที่หลากหลาย รวมถึงออกไซด์ของอโลหะ เช่น น้ำ (H2O), ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2); สารประกอบอินทรีย์ เช่น แอลกอฮอล์ อัลดีไฮด์ และกรดคาร์บอกซิลิก กรดทั่วไป เช่น คาร์บอนิก (H2CO3), กำมะถัน (H2SO4) และไนโตรเจน (HNO3); และเกลือที่เกี่ยวข้อง เช่น โซเดียมซัลเฟต (Na2SO4), โซเดียมคาร์บอเนต (Na2 CO 3) และโซเดียมไนเตรต (NaNO3) ออกซิเจนมีอยู่ในรูปของไอออน O2- ในโครงสร้างผลึกของโลหะออกไซด์ที่เป็นของแข็ง เช่น สารประกอบ (ออกไซด์) ของออกซิเจนและแคลเซียม CaO ซูเปอร์ออกไซด์ของโลหะ (KO2) มี O2- ไอออน ในขณะที่โลหะเปอร์ออกไซด์ (BaO2) มีไอออน O22- สารประกอบออกซิเจนส่วนใหญ่มีสถานะออกซิเดชันเป็น -2
คุณสมบัติพื้นฐาน
สุดท้าย เราแสดงรายการคุณสมบัติหลักของออกซิเจน:
- โครงสร้างอิเล็กตรอน: 1s22s22p4.
- เลขอะตอม: 8.
- มวลอะตอม: 15.9994.
- จุดเดือด: -183.0 °C.
- จุดหลอมเหลว: -218.4 °C.
- ความหนาแน่น (ถ้าความดันออกซิเจนอยู่ที่ 1 atm ที่ 0 °C): 1.429 g/l.
- สถานะออกซิเดชัน: -1, -2, +2 (ในสารประกอบที่มีฟลูออรีน)