Ի՞նչ է թթվածինը: Թթվածնի միացություններ

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Թթվածինը (O) պարբերական համակարգի 16 (VIa) խմբի ոչ մետաղական քիմիական տարր է։ Այն անգույն, անհոտ և անհամ գազ է, որն անհրաժեշտ է կենդանի օրգանիզմների համար՝ կենդանիներ, որոնք այն վերածում են ածխաթթու գազի և բույսեր, որոնք օգտագործում են CO₂ որպես ածխածնի աղբյուր և վերադարձնում են O _{: 2} մթնոլորտ: Թթվածինը ձևավորում է միացություններ՝ արձագանքելով գրեթե ցանկացած այլ տարրի հետ, ինչպես նաև հեռացնում է քիմիական տարրերը միմյանց հետ կապից: Շատ դեպքերում այդ գործընթացները ուղեկցվում են ջերմության և լույսի արտազատմամբ: Ամենակարևոր թթվածնային միացությունը ջուրն է։

Հայտնաբերման պատմություն

1772-ին շվեդ քիմիկոս Կարլ Վիլհելմ Շելեն առաջին անգամ ցույց տվեց թթվածինը՝ տաքացնելով կալիումի նիտրատը, սնդիկի օքսիդը և շատ այլ նյութեր: Անկախ նրանից, 1774 թվականին անգլիացի քիմիկոս Ջոզեֆ Փրիսթլին հայտնաբերեց այս քիմիական տարրը սնդիկի օքսիդի ջերմային տարրալուծման միջոցով և հրապարակեց նույն թվականին՝ հրապարակումից երեք տարի առաջ։Շեյլե. 1775-1780 թվականներին ֆրանսիացի քիմիկոս Անտուան Լավուազեն մեկնաբանել է թթվածնի դերը շնչառության և այրման մեջ՝ մերժելով այն ժամանակ ընդհանուր առմամբ ընդունված ֆլոգիստոնի տեսությունը։ Նա նշել է տարբեր նյութերի հետ թթուներ առաջացնելու նրա միտումը և անվանել օքսիգեն տարրը, որը հունարեն նշանակում է «թթու արտադրող»:

տարածվածություն

Ի՞նչ է թթվածինը: Կազմելով երկրակեղևի զանգվածի 46%-ը, այն նրա ամենատարածված տարրն է։ Մթնոլորտում թթվածնի քանակը կազմում է 21% ծավալով, իսկ քաշով ծովի ջրում՝ 89%։

Ժայռերում տարրը զուգակցվում է մետաղների և ոչ մետաղների հետ՝ օքսիդների տեսքով, որոնք թթվային են (օրինակ՝ ծծումբ, ածխածին, ալյումին և ֆոսֆոր) կամ հիմնային (կալցիումի, մագնեզիումի և երկաթի աղեր) և որպես աղի նման միացություններ, որոնք կարելի է համարել որպես թթվային և հիմնային օքսիդներից առաջացած, ինչպիսիք են սուլֆատները, կարբոնատները, սիլիկատները, ալյումինատները և ֆոսֆատները: Չնայած դրանք բազմաթիվ են, այդ պինդ մարմինները չեն կարող ծառայել որպես թթվածնի աղբյուր, քանի որ տարրի կապը մետաղի ատոմների հետ կոտրելը չափազանց էներգիա է խլում։

Հատկություններ

Եթե թթվածնի ջերմաստիճանը -183 °C-ից ցածր է, ապա այն դառնում է գունատ կապույտ հեղուկ, իսկ -218 °C-ում՝ պինդ։ Մաքուր O₂-ը 1,1 անգամ ծանր է օդից:

Շնչառության ընթացքում կենդանիները և որոշ բակտերիաներ սպառում են թթվածինը մթնոլորտից և վերադարձնում ածխաթթու գազ, մինչդեռ ֆոտոսինթեզի ընթացքում կանաչ բույսերը արևի լույսի առկայության դեպքում կլանում են ածխաթթու գազը և ազատ թթվածին թողարկում: Գրեթեմթնոլորտի բոլոր O₂-ն արտադրվում է ֆոտոսինթեզի միջոցով:

20 °C-ում թթվածնի մոտ 3 ծավալը լուծվում է 100 մասի քաղցրահամ ջրի մեջ, մի փոքր ավելի քիչ՝ ծովի ջրում: Սա անհրաժեշտ է ձկների և այլ ծովային կենդանիների շնչառության համար:

Բնական թթվածինը երեք կայուն իզոտոպների խառնուրդ է՝ ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037 %) և¹⁸O (0,204%): Հայտնի են մի քանի արհեստականորեն արտադրված ռադիոակտիվ իզոտոպներ։ Դրանցից ամենաերկարակյացը ¹⁵O-ն է (կիսաժամկետով 124 վրկ), որն օգտագործվում է կաթնասունների շնչառությունը ուսումնասիրելու համար:

Ալոտրոպներ

Ավելի հստակ պատկերացում այն մասին, թե ինչ է թթվածինը, թույլ է տալիս ստանալ նրա երկու ալոտրոպ ձևերը՝ երկատոմիկ (O₂) և եռատոմիկ (O_3): , օզոն): Դիատոմային ձևի հատկությունները հուշում են, որ վեց էլեկտրոնները կապում են ատոմները, իսկ երկուսը մնում են չզույգված՝ առաջացնելով թթվածնային պարամագնիսականություն։ Օզոնի մոլեկուլի երեք ատոմները ուղիղ գծի վրա չեն։

Օզոն կարելի է արտադրել ըստ հավասարման՝ 3O₂ → 2O₃.

Գործընթացը էնդոթերմիկ է (էներգիա է պահանջում); Օզոնի վերափոխումը երկատոմային թթվածնի նպաստում է անցումային մետաղների կամ դրանց օքսիդների առկայությամբ: Մաքուր թթվածինը վերածվում է օզոնի՝ փայլուն էլեկտրական լիցքաթափման միջոցով: Ռեակցիան տեղի է ունենում նաև մոտ 250 նմ ալիքի երկարությամբ ուլտրամանուշակագույն լույսի կլանման ժամանակ: Այս գործընթացի առաջացումը վերին մթնոլորտում վերացնում է ճառագայթումը, որը կարող է առաջացնելԵրկրի մակերևույթի վրա կյանքին վնաս պատճառելը. Օզոնի սուր հոտը առկա է փակ տարածքներում, որտեղ առկա են կայծային էլեկտրական սարքավորումներ, ինչպիսիք են գեներատորները: Բաց կապույտ գազ է։ Նրա խտությունը 1,658 անգամ գերազանցում է օդին, իսկ եռման ջերմաստիճանը կազմում է -112°C մթնոլորտային ճնշման դեպքում։

Օզոնը ուժեղ օքսիդացնող նյութ է, որն ընդունակ է փոխակերպել ծծմբի երկօքսիդը եռօքսիդի, սուլֆիդը՝ սուլֆատի, յոդը՝ յոդի (տրամադրում է դրա գնահատման վերլուծական մեթոդ) և շատ օրգանական միացություններ՝ թթվածինացված ածանցյալների, ինչպիսիք են ալդեհիդները և թթուները: Մեքենաների արտանետվող ածխաջրածինների փոխակերպումը օզոնի միջոցով այս թթուների և ալդեհիդների է առաջացնում սմոգ: Արդյունաբերության մեջ օզոնն օգտագործվում է որպես քիմիական նյութ, ախտահանիչ, կեղտաջրերի մաքրում, ջրի մաքրում և գործվածքների սպիտակեցում:

Ստանալու մեթոդներ

Թթվածնի արտադրման եղանակը կախված է նրանից, թե որքան գազ է պահանջվում: Լաբորատոր մեթոդները հետևյալն են.

1. Որոշ աղերի ջերմային տարրալուծում, ինչպիսիք են կալիումի քլորատը կամ կալիումի նիտրատը:

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

Կալիումի քլորատի տարրալուծումը կատալիզացվում է անցումային մետաղների օքսիդներով: Դրա համար հաճախ օգտագործվում է մանգանի երկօքսիդ (պիրոլուսիտ, MnO₂): Կատալիզատորը նվազեցնում է թթվածնի մշակման համար անհրաժեշտ ջերմաստիճանը 400-ից մինչև 250°C:

2. Մետաղների օքսիդների ջերմաստիճանային տարրալուծում.

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele-ն և Priestley-ն օգտագործել են թթվածնի և սնդիկի (II) միացություն (օքսիդ) այս քիմիական տարրը ստանալու համար:

3. Մետաղների պերօքսիդների կամ ջրածնի պերօքսիդի ջերմային տարրալուծում.

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

Մթնոլորտից թթվածինը բաժանելու կամ ջրածնի պերօքսիդ ստանալու առաջին արդյունաբերական մեթոդները կախված էին օքսիդից բարիումի պերօքսիդի ձևավորումից։

4. Ջրի էլեկտրոլիզը աղերի կամ թթուների փոքր կեղտերով, որոնք ապահովում են էլեկտրական հոսանքի հաղորդունակությունը:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Արդյունաբերական արտադրություն

Եթե անհրաժեշտ է թթվածնի մեծ ծավալներ ստանալ, կիրառվում է հեղուկ օդի կոտորակային թորում։ Օդի հիմնական բաղադրիչներից այն ունի ամենաբարձր եռման կետը և, հետևաբար, ավելի քիչ ցնդող է, քան ազոտը և արգոնը: Գործընթացը օգտագործում է գազի սառեցումը, երբ այն ընդլայնվում է: Գործողության հիմնական քայլերը հետևյալն են՝

օդը զտվում է մասնիկները հեռացնելու համար;
խոնավությունը և ածխաթթու գազը հանվում են ներծծվելով ալկալիների մեջ;
օդը սեղմվում է և սեղմման ջերմությունը հանվում է սովորական սառեցման ընթացակարգերով;
այնուհետև այն մտնում է կծիկի մեջ, որը գտնվում էտեսախցիկ;
սեղմված գազի մի մասը (մոտ 200 ատմ ճնշման դեպքում) ընդլայնվում է խցիկում՝ սառեցնելով կծիկը;
ընդլայնված գազը վերադառնում է կոմպրեսոր և անցնում է հետագա ընդլայնման և սեղմման մի քանի փուլ, որի արդյունքում հեղուկը -196 °C ջերմաստիճանում օդը դառնում է հեղուկ;
հեղուկը տաքացնում են առաջին թեթև իներտ գազերը թորելու համար, այնուհետև ազոտը և մնում է հեղուկ թթվածին։ Բազմակի ֆրակցիոնացումը արտադրում է բավականաչափ մաքուր արտադրանք (99,5%) արդյունաբերական նպատակների մեծ մասի համար:

Արդյունաբերական օգտագործում

Մետալուրգիան մաքուր թթվածնի ամենամեծ սպառողն է բարձր ածխածնային պողպատի արտադրության համար. ազատվել ածխաթթու գազից և այլ ոչ մետաղական կեղտերից ավելի արագ և հեշտ, քան օդ օգտագործելը:

Թթվածնային կեղտաջրերի մաքրումը խոստանում է հեղուկ կեղտաջրերի մաքրումը ավելի արդյունավետ, քան մյուս քիմիական գործընթացները: Թափոնների այրումը փակ համակարգերում` օգտագործելով մաքուր O₂:

.-ը դառնում է ավելի կարևոր

Այսպես կոչված հրթիռային օքսիդիչը հեղուկ թթվածին է: Մաքուր O₂ Օգտագործվում է սուզանավերում և սուզվող զանգերում:

Քիմիական արդյունաբերության մեջ թթվածինը փոխարինել է սովորական օդին այնպիսի նյութերի արտադրության մեջ, ինչպիսիք են ացետիլենը, էթիլենի օքսիդը և մեթանոլը: Բժշկական կիրառությունները ներառում են գազի օգտագործումը թթվածնի խցիկներում, ինհալատորներում և մանկական ինկուբատորներում: Թթվածնով հարստացված անզգայացնող գազը ապահովում է կյանքի աջակցություն ընդհանուր անզգայացման ժամանակ: Առանց այս քիմիական տարրի մի շարքարդյունաբերություններ, որոնք օգտագործում են հալման վառարաններ. Ահա թե ինչ է թթվածինը։

Քիմիական հատկություններ և ռեակցիաներ

Թթվածնի բարձր էլեկտրաբացասականությունը և էլեկտրոնային մերձությունը բնորոշ են ոչ մետաղական հատկություններ դրսևորող տարրերին: Բոլոր թթվածնային միացությունները ունեն բացասական օքսիդացման վիճակ: Երբ երկու օրբիտալները լցված են էլեկտրոններով, ձևավորվում է O^2- իոն: Պերօքսիդներում (O₂^2-) յուրաքանչյուր ատոմ ենթադրվում է -1 լիցք: Ընդհանուր կամ մասնակի փոխանցման միջոցով էլեկտրոններ ընդունելու այս հատկությունը որոշում է օքսիդացնող նյութը։ Երբ նման նյութը փոխազդում է էլեկտրոն դոնոր նյութի հետ, նրա սեփական օքսիդացման վիճակը նվազում է: Թթվածնի օքսիդացման վիճակի փոփոխությունը (նվազումը) զրոյից մինչև -2 կոչվում է կրճատում։

Նորմալ պայմաններում տարրը ձևավորում է երկատոմային և եռատոմային միացություններ։ Բացի այդ, կան խիստ անկայուն չորս ատոմ մոլեկուլներ: Դիատոմային ձևով երկու չզույգված էլեկտրոններ գտնվում են ոչ կապող ուղեծրերում։ Դա հաստատում է գազի պարամագնիսական վարքագիծը։

Օզոնի ինտենսիվ ռեակտիվությունը երբեմն բացատրվում է այն ենթադրությամբ, որ երեք ատոմներից մեկը գտնվում է «ատոմային» վիճակում: Մտնելով ռեակցիայի մեջ՝ այս ատոմը տարանջատվում է O₃-ից՝ թողնելով մոլեկուլային թթվածին:

O₂ մոլեկուլը թույլ ռեակտիվ է նորմալ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում: Ատոմային թթվածինը շատ ավելի ակտիվ է։ Դիսոցացիայի էներգիան (O₂ → 2O) նշանակալի է ևկազմում է 117,2 կկալ մեկ մոլի համար։

Միացումներ

Ոչ մետաղների հետ, ինչպիսիք են ջրածինը, ածխածինը և ծծումբը, թթվածինը ձևավորում է կովալենտային կապով միացությունների լայն շրջանակ, ներառյալ ոչ մետաղների օքսիդները, ինչպիսին է ջուրը (H₂O), ծծմբի երկօքսիդ (SO₂) և ածխածնի երկօքսիդ (CO₂); օրգանական միացություններ, ինչպիսիք են սպիրտները, ալդեհիդները և կարբոքսիլաթթուները; սովորական թթուներ, ինչպիսիք են ածխածնային (H₂CO₃), ծծմբական (H₂SO4_{) և ազոտ (HNO}3_{); և համապատասխան աղեր, ինչպիսիք են նատրիումի սուլֆատը (Na}2_SO4_{), նատրիումի կարբոնատ (Na}2 _CO 3_{) և նատրիումի նիտրատ (NaNO}3_{): Թթվածինը առկա է O}2- ^{իոնի տեսքով մետաղների պինդ օքսիդների բյուրեղային կառուցվածքում, ինչպիսին է թթվածնի և կալցիումի CaO միացությունը (օքսիդ): Մետաղների գերօքսիդները (KO}2_{) պարունակում են O}2- ^{իոն, մինչդեռ մետաղների պերօքսիդները (BaO2}), պարունակում է O₂_2- իոն: Թթվածնային միացությունները հիմնականում ունեն -2 օքսիդացման աստիճան։