خواص عنصر اکسیژن چیست؟ انواع واکنش و کاربرد آن

عنصر اکسیژن از عناصر شیمیایی جدول تناوبی عناصر بوده و با نماد (نشان) شیمیایی O شناخته می‌شود. عدد اتمی عنصر اکسیژن ۶ و عدد جرمی آن ۱۵.۹۹۹۴ amu است. عنصر اکسیژن در گروه ۱۶ و تناوب دوم جدول مندلیف جای گرفته است. کاربرد عنصر اکسیژن بسیار زیاد است. درواقع بسیاری از واکنش های شیمیایی برای انجام شدن به این ماده بی نظیر نیاز دارند. عنصر اکسیژن برای زنده ماندن موجودات زنده حیاتی است. حدود ۲۰% از هوای تنفس موجودات را تشکیل می دهد. بدون اکسیژن موجودات قادر به تنفس نخواهند بود. ایزوتوپ عنصر اکسیژن نیز وجود داشته و کاربرد زیادی هم دارد. واکنش عنصر هیدروژن با بسیاری از عناصر جدول تناوبی صورت می گیرد. تولید عنصر اکسیژن می تواند به صورت صنعتی از هوا صورت گیرد. در ادامه این مقاله به بررسی و کاربرد و خطرات عنصر اکسیژن می پردازیم.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی عناصر جدول تناوبی پرداخته است. مانند: کربن، نیتروژن، لیتیم، بریلیوم و … . در ادامه با بررسی مصرف و کاربرد عنصر اکسیژن با ما همراه باشید.

تاریخچه پیدایش عنصر اکسیژن

در سال ۱۷۷۱ داروسازی سوئدی به نام Karl Wilhelm Scheele عنصر اکسیژن را کشف نمود. پس از آن دانشمندی به نام Joseph Priestley به طور گسترده تری این عنصر را کشف و معرفی نمود. نام این ماده در سال ۱۷۷۴ توسط (آنتوان لاوازیه)Antoine Laurent lavoisier  گذاشته شد.

این ماده از فراوان ترین عناصر موجود در پوسته کره زمین است. مقدار این ماده را ۴۶.۷% تخمین زده اند. ۸۷% اقیانوس ها (به صورت آب H_۲O) و ۲۰% درصد جو زمین (به صورت اکسیژن مولکولی O_۲ یا O_۳)، عنصر اکسیژن را به خود اختصاص داده است. ترکیبات عنصر اکسیژن نیز مانند اکسید فلزات و سیلیکات ها و کربنات ها نیز معمولا در خاک و صخره ها یافت می شوند.

همچنین آب یخ زده نیز یک جسم سخت و متداول بر روی سیارات دیگر و ستاره های دنباله دار است. کلاهک های یخی که در مریخ وجود دارند از دی اکسید کربن منجمد تولید شده اند. درواقع ترکیبات عنصر اکسیژن در تمام کهکشان حضور داشته و طیف نور اکسیژن اغلب در ستاره ها دیده می شود.

ویژگی عنصر اکسیژن عنصر شماره ۸ جدول تناوبی

عنصر اکسیژن عنصر شماره ۸ جدول تناوبی بوده و در گروه ۱۶ و دوره دوم جدول مندلیف قرار داشته و یک نافلز بشمار می آید. این ماده یکی از مهم ترین عناصر در صنعت و پزشکی و حتی زندگی روزمره بشمار می آید. برخی از ویژگی های عنصر اکسیژن با نماد شیمیایی O در ادامه آمده است. لازم به ذکر است فرمول عنصر اکسیژن نیز با O_۲ شناخته می شود.

• عدد اتمی: ۸
• عدد جرمی (جرم اتمی): ۱۵.۹۹۹۴
• آرایش الکترونی: He [2s^۲ ۲p^۴]
• گروه: ۱۶
• دوره: ۲
• فاز در شرایط STP: گاز
• چگالی در STP: 1.429 گرم بر لیتر
• نقطه ذوب: ۲۱۸.۷۹-
• عدد اکسایش: ۲-، -۱، ۰، ۱+،۲+

کاربرد عنصر اکسیژن

کاربرد عنصر اکسیژن به عنوان ‌عامل اکسید کننده بسیار زیاد است. تنها فلوئور است که از آن الکترونگاتیوتر است.

اکسیژن مایع نیز به‌ عامل عنوان اکسید کننده در نیروی حرکتی موشک ها استفاده می‌شود.

این ماده برای دم و بازدم ضروری است، بنابراین در پزشکی کاربرد دارد.

این ماده در جوشکاری و ساخت فولاد و همچنین متانول نیز کاربرد دارد.

اکسیژن به‌عنوان یک ماده آرامش‌بخش نیز سابقه استفاده دارد.

در قرن ۱۹ اکسیژن معمولا با اکسید نیترات ترکیب می ‌شد و اثر تسکین دهنده داشت.

ایزوتوپ عنصر اکسیژن

سه ایزوتوپ عنصر اکسیژن به صورت طبیعی وجود دارد. ایزوتوپ اکسیژن-۱۶ (^۱۶O)، ایزوتوپ اکسیژن-۱۷ (^۱۷O) و ایزوتوپ اکسیژن-۱۸ (^۱۸O) از آن جمله اند. از میان این ۳ ایزوتوپ، ایزوتوپ اکسیژن-۱۶ بیش‌ترین میزان فراوانی را با فراوانی ۹۹.۷۶۲% داراست.

ایزوتوپ عنصر اکسیژن-۱۶، در پایان دوره همجوشی هلیوم در ستارگان کلان‌جرم و طی فرایند سوختن نئون تولید می‌شود. ایزوتوپ اکسیژن-۱۷ نیز بر اثر سوختن هیدروژن و تبدیل آن به هلیم طی چرخه CNO تولید می‌شود. ایزوتوپ اکسیژن-۱۸ زمانی تولید می گردد که نیتروژن-۱۴ (^۱۴N) که خود اغلب در چرخه CNO تولید می‌شود، هسته ‌های هلیوم-۴ (^۴He) را به‌ دام می‌اندازد.

چهارده نوع ایزوتوپ اکسیژن رادیو اکتیو نیز شناسایی شده ‌است. پایدارترین ایزوتوپ رادیواکتیو این ماده ایزوتوپ اکسیژن-۱۵ (^۱۵O) با نیمه ‌عمر ۱۲۲٫۲۴ ثانیه و اکسیژن-۱۴ با نیمه ‌عمر ۷۰٫۶۰۶ ثانیه است. ایزوتوپ ‌های دیگر این ماده همگی نیمه ‌عمری برابر با ۲۷ ثانیه دارند. زمان نیمه‌ عمر اغلب این ایزوتوپ ها نیز کمتر از ۸۳ میلی ‌ثانیه است.

رایج‌ ترین واپاشی هسته ‌ای ایزوتوپ ‌های سبک‌ تر از O-16 نشر پوزیترون و تبدیل شدن به نیتروژن است. متداول‌ ترین حالت برای ایزوتوپ‌ های سنگین تر از O-18 واپاشی بتا و تبدیل شدن به فلوئور است.

خواص عنصر اکسیژن

این عنصر در دمای ۱۸۳- درجه سانتی گراد به صورت مایع و به رنگ آبی کم رنگ دیده می شود.

این ماده در دمای حدود ۲۱۸ درجه سانتی گراد جامد است.

اکسیژن خالص۱.۱ سنگین تر از هوا است.

فتوسنتز گیاهان دلیل وجود تمام اکسیژن آزاد موجود در جو است.

۳ قسمت از این عنصر در ۱۰۰ قسمت از آب در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد حل می شود. البته انحلال این ماده در آب دریا کمتر از این مقدار است.

اکسیژن محلول در آب برای تنفس ماهی ها و سایر موجودات دریایی ضروری است.

ترکیبات حاوی عنصر اکسیژن

• ترکیبات معدنی

آب آشناترین ترکیب اکسیژن دار است. در یک مولکول آب، هر یک از دو اتم هیدروژن موجود از طریق یک پیوند کووالانسی و مستقل با اتم اکسیژن مرکزی پیوند داده اند. علاوه ‌بر این اتصال، آن ها دارای یک نیروی جاذبه اضافی نسبت به هر اتم اکسیژن در مولکول‌ های مجاور هستند که مقدار آن حدود ۲۳٫۳ کیلو ژول بر مول برای هر اتم هیدروژن است.

اکسیژن به دلیل الکترونگاتیوی بالایی که دارد تقریباً با تمام عناصر دیگر جدول تناوبی در دما های بالا پیوند های شیمیایی تشکیل داده و اکسید تولید می کند. البته برخی از عناصر مانند آهن، در شرایط عادی فشار و دما اکسید تشکیل می ‌دهند. به اکسایش آهن به عبارتی زنگ زدن اطلاق می ‌شود. اکسایش آهن از طریق واکنش آهن با اکسیژن صورت می‌ گیرد. انواع دیگری از زنگ زدن نیز وجود دارد. برخی زنگ زدن ها می تواند حاصل واکنش آهن و کلر باشد که به آن زنگ سبز می‌گویند.

سطوح فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیم نیز در حضور هوا اکسید شده و با یک لایه نازک اکسید پوشیده می شود. این اکسید فلز را غیرفعال کرده و موجب کند شدن خوردگی می‌گردد.

با ترکیب یک یا چند اتم از عنصر اکسیژن با یک یا چند اتم از سایر عناصر اکسید تشکیل می‌ شود. اگر اکسیژن با فلز ترکیب شود، اکسید بازی و اگر اکسیژن با نافلزات ترکیب شود، اکسید اسیدی تشکیل می‌گردد.

• ترکیبات آلی

پیوند کربن و اکسیژن یک پیوند کووالانسی است. این نوه پیوند کووالانسی در شیمی آلی و زیست ‌شیمی بسیار مهم بوده و بسیار هم دیده می شود. اکسیژن ۶ الکترون ظرفیت دارد. اغلب دو الکترون در پیوند با کربن درگیر شده و چهار الکترون دیگر به صورت الکترون ‌های غیر پیوندی باقی می ‌مانند. کربن و اکسیژن می توانند پیوند دوگانه ساخته و گروه ‌های عاملی بسازند. در این صورت با نام ترکیب ‌های کربونیل شناخته می‌شوند. کتون، استر، کربوکسیلیک اسید و بسیاری مواد دیگر همگی از این ترکیب اکسیژن با کربن پدید آمده اند.

مهم ‌ترین ترکیبات آلی حاوی اکسیژن

• الکل (R-OH)
• اتر (ROR)
• کتون (R-CO-R)
• آلدهید (R-CO-H)
• کربوکسیلیک اسید ها (R-COOH)
• استر (R-COO-R)
• انیدرید اسید (R-CO-O-CO-R)
• آمید (R-CO-NR_۲)

بسیاری از حلال ‌های مهم آلی نیز حاوی اکسیژن هستند. از حلال های آلی حاوی اکسیژن نیز می توان به: استون، متانول، اتانول، ایزو پروپانول، فوران، تترا هیدرو فوران، دی‌ اتیل اتر، دیوکسان، اتیل استات، دی ‌متیل فرم ‌آمید، دی ‌متیل سولفوکسید و استیک اسید اشاره نمود.

اکسیژن مایع چیست؟

این ماده در دسته مایعات کرایوژنیک قرار می گیرد. مایعات کریوژنیک به گازهای مایعی گفته می شود که دمای جوششان زیر دمای ۱۳۰- درجه فارنهایت قرار دارد. اکسیژن مایع نیز نقطه جوشی برابر با ۲۹۷- درجه فارنهایت برابر با ۱۸۳ درجه سانتی‌گراد دارد. بنابراین در این دسته بندی قرار می گیرد. باید به این نکته توجه شود که این مایع به صورت آبی کم رنگ می باشد و برای ذخیره سازی آن ظروف عایق نیاز است. جالب است بدانید شکل مایع اکسیژن بسیار فشرده است. به طوری که یک لیتر از اکسیژن مایع برابر با ۸۶۰ لیتر از این گاز است. اکسیژن مایع را به دلیل حمل آسان برای درمان بیمارانی که تحت درمان با این گاز قرار دارند، بهتر می توان مورد استفاده قرار داد.

ازون یک آلوتروپ عنصر اکسیژن

عنصر اکسیژن دو آلوتروپ دو اتمی O_۲ و سه اتمی O_۳ (اوزن) داد. آلوتروپ اوزن می تواند به شکل معادله زیر تولید شود:

۳O_۲ ——> 2O_۳

البته برای انجام این فرایند نیاز به اعمال انرژی زیادی است. زیرا فرایند فوق گرماگیر است. واکنش برگشتی این معادله نیز با کمک فلزات واسطه و اکسید های آن ها رخ می دهد.

ازون از اکسید کننده های قوی بشمار می آید و قادر است دی اکسید گوگرد را به تری اکسید گوگرد تبدیل کند. ازن می تواند سولفید ها را به سولفات ها، یدید ها را به ید و بسیاری از ترکیبات آلی را به مشتقات اکسیژنی آن ها تبدیل کند.

استفاده از این ماده برای تبدیل هیدروکربن های منتشر شده از اگزوز خودرو ها به اسید و آلدهید ها بسیار مهم است.

ازن از انتشار آلودگی توسط دود خودرو ها جلوگیری به عمل می آورد.

ازن در صنعت نیز کاربرد های فراوانی دارد. از ازن به عنوان معرف شیمیایی، ضد عفونی کننده در تصفیه آب و فاضلاب و سفید سازی پارچه در صنعت نساجی استفاده می شود.

واکنش عنصر اکسیژن با عناصر دیگر جدول تناوبی

واکنش عنصر اکسیژن با فلزات قلیایی گروه اول جدول تناوبی

از خواص عنصر اکسیژن این است که با عناصر گروه ۱ واکنش سریعی دارد. اکسید فلزات قلیایی در آب محلول ‌هایی بازی تشکیل می‌ دهند. محصولات حاصل از سوختن فلزات قلیایی، پایداری بالایی دارند. در صورت ترکیب عنصر اکسیژن با فلزات قلیایی اکسید هایی با فرمول شیمیایی M_۲O تولید می گردد. این اکسیدها اگر تحت حرارت قرار بگیرند فلزات قلیایی در واکنش با اکسیژن سوخته و شعله‌ ور می‌شوند.

واکنش با عناصر گروه ۲ جدول تناوبی (فلزات قلیایی خاکی)

این ماده با تمام فلزات گروه قلیایی خاکی به جز بریلیوم، اکسیدی با فرمول شیمیایی MO تشکیل می دهد. سرعت انجام واکنش در این دسته از فلزات قلیایی کمتر است. برای اینکه واکنش بین اکسیژن و فلزات قلیایی خاکی صورت بگیرد، به حرارت یا همان گرما نیاز است.

واکنش عنصر اکسیژن با عناصر گروه ۱۳

در ابتدا باید گفته شود که عناصر این گروه واکنش های متفاوتی با اکسیژن دارند. عناصر این گروه می توانند اکسیدهای فلزی و نافلزی با اکسیژن بسازند. اکسید فلزات در آب خاصیت بازی و اکسید نافلزات خاصیت اسیدی دارند. عناصر این گروه به جز آلومینیم و گالیم اکسیدهایی با فرمول کلی M_۲O_۳ می سازند. در این فرومل M نماد فلز است.

واکنش با عناصر گروه ۱۴

عناصر این گروه شامل نافلزات و شبه فلزات است. عناصری که در بالای گروه قرار دارند اکسیدهای اسیدی تشکیل می دهند. درواقع از بالا به پایین خواص اسیدی این اکسیدها کاهش می یابد. اکسید فلزات این گروه مانند PbO آمفوتر هستند.

واکنش با گازهای نجیب

گروه ۱۸ مربوط به گازهای نجیب است. گاز هایی مانند هلیوم، نئون،‌ آرگون،‌ کریپتون،‌ زنون و رادون در این دسته اند. گازهای نجیب معروف به گازهای بی‌اثر هستند و بنابراین با اکسیژن وارد واکنش نمی شوند. در این میان تنها زنون در دمای پایین و فشار بالا ترکیباتی به شکل XeO_۳ و XeO_۴ تشکیل می ‌دهد. دلیل این اتفاق انرژی یونش پایین زنون است تا اتم الکترونگاتیو اکسیژن بتواند الکترون ‌های آن را جذب کند.

هشدار مصرف عنصر اکسیژن

• در فشار های نسبی بالا این ماده می تواند سمی باشد.
• قرارگرفتن طولانی مدت در معرض اکسیژن خالص نیز برای ریه و سیستم عصبی می تواند مضر و سمی باشد.
• تاثیرات ریوی مانند آماس (ورم ریه)، کاهش ظرفیت ریه و آسیب به بافت های ریوی از آثار مسمومیت با آن است.
• تاثیرات بر سیستم عصبی مانند کاهش بینایی، تشنج و اغما نیز از آثار مسمومیت با این ماده است.
• مشتقاتی از این ماده مانند ازون، پروکسید هیدوژن و رادیکال های هیدروکسیل و سوپراکسید ها بسیار سمی می باشند.
• منابع تمرکز یافته اکسیژن باعث احتراق سریع شده و بنابراین، در کنار فراورده های سوختی خطر گسترش سریع آتش سوزی و انفجار وجود دارد. خدمه آپولو ۱۱ به دلیل گسترش سریع آتش رخ داد. زیرا فشار جوی اکسیژن در حالت معمولی بود. در حالی که هنگام عملیات پرتاب این فشار باید یک سوم فشار جوی معمولی باشد.