Hvað er súrefni? Súrefnasambönd

Súrefni (O) er nonmetallic efnisþáttur í hópi 16 (VIa) í reglubundnu töflunni. Það er litlaust, bragðlaust og lyktarlaust gas sem nauðsynlegt er fyrir lifandi lífverur - dýr sem umbreyta því að koltvísýringi og plöntur sem nota CO ₂ sem kolefnisgjafa og skila O ₂ í andrúmsloftið. Súrefni myndar efnasambönd, bregst við næstum öllum öðrum þáttum og færir einnig efnaþætti úr tengingu við hvert annað. Í mörgum tilfellum fylgja þessar aðferðir við losun hita og ljóss. Mikilvægasta súrefnissambandið er vatn.

Saga uppgötvunarinnar

Árið 1772 sýndi sænska efnafræðingur Karl Wilhelm Scheele fyrst hvaða súrefni er með því að ná því með því að hita kalíumnítrat , kvikasilfursoxíð og marga aðra efna. Óháð honum árið 1774 uppgötvaði enska efnafræðingurinn Joseph Priestley þetta efnafræðilegt frumefni með hitauppstreymi kvikasilfursoxíðs og birti niðurstöður hans sama ár, þremur árum áður en Scheele var birtur. Árið 1775-1780 taldi franski efnafræðingur Antoine Lavoisier hlutverk súrefnis í öndun og brennslu og hafnaði kenningunni um phlogiston, almennt samþykkt á þeim tíma. Hann benti á tilhneigingu hans til að mynda sýrur þegar hann er sameinuð ýmsum efnum og kallast þátturinn oxygène, sem á grísku þýðir "að gefa systur".

Algengi

Hvað er súrefni? Búa til 46% af massa jarðskorpunnar, það er algengasta þátturinn í því. Magn súrefnis í andrúmsloftinu er 21% miðað við rúmmál, og miðað við þyngd í sjó er það 89%.

Í steinum sameinar þátturinn með málmum og ómetrum í formi oxíða sem eru súr (td brennistein, kolefni, ál og fosfór) eða grunn (kalsíum, magnesíum og járn sölt) og sem saltvatns efnasambönd sem hægt er að hugsa um sem myndast úr súr Og grunnoxíð, svo sem súlföt, karbónöt, silíköt, alumín og fosföt. Þrátt fyrir að þau séu fjölmargir, en þessi efnisþættir geta ekki þjónað sem uppsprettur súrefnis, þar sem brotið á tenginu milli frumefnisins og málmatómanna er of orkufrekt.

Lögun

Ef hitastig súrefnis er undir -183 ° C þá verður það fölblátt vökvi og við -218 ° C er það fast. Hrein O ₂ er 1,1 sinnum þyngri en loft.

Við öndun eyðileggja dýr og sumar bakteríur súrefni úr andrúmslofti og skildu koltvísýringi, en í ljósi myndhugsunar taka græna plöntur koltvísýringi í nærveru sólarljóss og losar óbundið súrefni. Næstum allt O ₂ í andrúmsloftinu er framleitt með ljósnýtingu.

Við 20 ° C leysast u.þ.b. 3 hlutar af vatni af súrefni í 100 hlutum af fersku vatni, aðeins minna í sjó. Þetta er nauðsynlegt fyrir öndun fiskar og annars sjávarlífs.

Náttúrulegt súrefni er blanda af þremur stöðugum samsætum: 16O (99,759%), 17O (0,037%) og 18O (0,204%). Nokkrar tilbúnar geislavirkar samsætur eru þekktar. Langtíma þeirra er ¹⁵ O (með helmingunartíma 124 s), sem er notað til að prófa öndun í spendýrum.

Allotropes

A skýrari hugmynd um hvaða súrefni er, þú getur fengið tvær af allotropic formum þess, kísilgúr (O ₂ ) og tríómísk (O ₃ , óson). Eiginleikar líffæraformsins benda til þess að sex rafeindir bindi atóm og tveir eru óbreyttir, sem veldur því að súrefni er eldfimt. Þrír atóm í ósonsameindinni eru ekki staðsett á sömu beinni línu.

Óson er hægt að fá í samræmi við jöfnunina: 3O ₂ → 2O ₃ .

Ferlið er endothermic (krefst orkuútgjalda); Ummyndun ósons aftur í líffærafræðilega súrefni er auðveldað með tilvist umskipti málma eða oxíð þeirra. Hreint súrefni er breytt í óson undir áhrifum glóandi rafmagns útskriftar. Viðbrögðin koma einnig fram þegar útfjólublátt er frásogast með bylgjulengd um 250 nm. Tilkoma þessa aðferð í efri lögum lofthjúpsins útilokar geislun sem gæti skemmt líf á jörðinni. Lyktin af óson er til staðar í lokuðum rýmum með glitrandi rafbúnaði, svo sem rafala. Þetta gas er ljósblátt. Þéttleiki þess er 1.658 sinnum meiri en loftið og það hefur suðumark -112 ° C við loftþrýsting.

Óson er sterk oxandi efni sem er fær um að umbreyta brennisteinsdíoxíði til tríoxíðs, súlfíðs og súlfats, joðíðs til joðs (að því er varðar greiningaraðferð til að meta hana), auk margra lífrænna efnasambanda í súrefnishýddu afleiðum eins og aldehýðum og sýrum. Óson umbreyting kolvetna úr útblæstri bifreiða við þessar sýrur og aldehýð er orsök smygja. Í iðnaði er óson notað sem efnafræðileg hvarfefni, sótthreinsiefni, til meðhöndlunar á skólpi, vatnsmeðferð og bleikja á vefjum.

Aðferðir við að fá

Leiðin sem súrefni er framleitt veltur á því hversu mikið gas er krafist. Rannsóknaraðferðir eru eftirfarandi:

1. Hitameðhöndlun sumra sölta, svo sem kalíumklórats eða kalíumnítrats:

• 2KCI3 → 2KCI + 3O2.
• 2KNO3 → 2KNO2 + O2.

Niðurbrot kalíumklórats er hvatað með málmi oxíðum. Þar af leiðandi er mangandíoxíð (pyrolusite, MnO ₂ ) oft notað. Hvatinn minnkar hitastigið sem þarf til að gefa út súrefni frá 400 til 250 ° C.

2. Niðurbrot málmoxíða undir áhrifum hitastigs:

• 2HgO ^ 2Hg + 02.
• 2Ag20 → 4Ag + 02.

Scheele og Priestley notuðu efnasambandið (oxíð) súrefni og kvikasilfurs (II) til að fá þetta efnafræðilegt frumefni.

3. Hita niðurbrot málmperoxíða eða vetnisperoxíðs:

• 2BaO + O2 → 2BaO2.
• 2BaO2 → 2BaO + 0 ₂ .
• BaO2 + H2SO4 → H202 + BaS04.
• 2H202 → 2H20 + 02 _.

Fyrstu iðnaðaraðferðirnar við að skilja súrefni úr andrúmsloftinu eða til framleiðslu á vetnisperoxíði var háð myndun baríumperoxíðs úr oxíðinu.

4. Rafgreining á vatni með lítil óhreinindi sölt eða sýra, sem veita rafleiðni rafleiðni:

2H20 → 2H2 + 02

Iðnaðarframleiðsla

Ef nauðsynlegt er að fá mikið magn af súrefni er hlutdeild eimingu vökva loft notað. Af helstu þáttum loftsins er það hæsta suðumark og er því minna rokgjarnra en köfnunarefni og argon. Í því ferli er gasið kælt meðan það stækkar. Helstu skref í rekstri eru sem hér segir:

• Loft er síað til að fjarlægja fast efni;
• Rakastig og koltvísýringur er fjarlægt með frásogi í basa;
• Loftið er þjappað, og hitinn á þjöppun er fjarlægður með hefðbundnum kælingaraðferðum;
• Síðan fer hann inn í spóluna í herberginu;
• Hluti af þjappaðri gasi (við þrýsting um 200 atm) stækkar í hólfinu, kælir spólu;
• Stækkað gas fer aftur í þjöppu og fer í gegnum nokkur stig af síðari stækkun og þjöppun, þannig að við -196 ° C lofti verður fljótandi;
• Vökvinn er hituð til að dreifa fyrsta ljósi óvirkum lofttegundum, síðan köfnunarefni og fljótandi súrefni enn. Margfeldi brotnaður framleiðir vöru sem er nokkuð hreinn (99,5%) í flestum iðnaðar tilgangi.

Nota í iðnaði

Málmvinnsla er stærsti neytandinn af hreinu súrefni til framleiðslu á koldíoxíði: losun koltvísýrings og önnur óhreinindi úr málmi er hraðar og auðveldara en að nota loft.

Afrennsli með skólphreinsun með súrefni er efnilegur fyrir skilvirkari meðferð fljótandi frárennslis en í öðrum efnaferlum. Brennsla úrgangs í lokuðu kerfi með hreinu O _{2 er að} verða sífellt mikilvægari.

Svonefnd eldflaugaroxíðarefnið er fljótandi súrefni. Hreinn O2 er notaður á kafbátum og í köflum.

Í efnaiðnaði skiptir súrefni venjulegt loft í framleiðslu á efnum eins og asetýleni, etýlenoxíði og metanóli. Meðal læknisfræðilegra nota er notkun á gasi í súrefnisskálum, innöndunartækjum og ræktunarbörnum barna. Súrefnisbætt svæfingarlyf til svæfingar veitir stuðningi við líf meðan á svæfingu stendur. Án þessara efnaþátta gætu nokkrir atvinnugreinar sem notuðu bræðsluofna ekki verið til. Það er það sem súrefni er.

Efnafræðilegir eiginleikar og viðbrögð

Stórum gildum rafeindaeggjunar og rafeindasækni súrefnis eru dæmigerð fyrir þætti sem sýna ómettaðar eiginleika. Öll súrefnissambönd hafa neikvætt oxunarástand. Þegar tveir sporbrautir eru fylltar með rafeindum er myndað O2 jón. Í peroxíðum (O2 ^2- ) er gert ráð fyrir að hvert atóm hafi hleðslu á -1. Þessi eign samþykkir rafeindir með fullri eða að hluta flutningi og ákvarðar oxunarefnið. Þegar slík umboðsmaður bregst við rafeind gjafarefnum minnkar eigin oxunartíðni þess. Breytingin (minnkun) í súrefnisoxuninni frá núlli til -2 er kallað bata.

Undir venjulegum kringumstæðum myndar þátturinn líffærafræðilega og þrígræðuefni. Að auki eru mjög óstöðugar tetrahalínsameindir. Í líffræðilegu formi eru tveir óparaðir rafeindir staðsettir á sporbrautum sem eru ekki bindandi. Þetta er staðfest með því að streyma á gasi.

Mikil viðbrögð ozone er stundum skýrist af þeirri forsendu að einn af þremur atómunum sé í "atóm" ástandinu. Þegar hvarfað er þetta atóma frá O3 og skilur sameindar súrefni.

O2 sameindin er lítillega viðbrögð við venjulegum hitastigi og umhverfisþrýstingi. Atóm súrefni er miklu virkari. Klofningsorka (O2 → 2O) er marktækur og nemur 117,2 kcal á mól.

Tengingar

Með öðrum málmum, svo sem vetni, kolefni og brennisteini, myndar súrefni mikið úrval af efnasamböndum sem eru tengd með samdrætti, þar á meðal ómetallísk oxíð, svo sem vatn (H ₂ O), brennisteinsdíoxíð (SO ₂ ) og koltvísýringur (CO ₂ ); Lífræn efnasambönd eins og alkóhól, aldehýð og karboxýlsýrur; Algengar sýrar eins og kolefni (H2CO3), brennisteinssýru (H2SO4) og saltpétur (HNO3); Og samsvarandi sölt, svo sem natríum súlfat (Na2S04), natríumkarbónat (Na2C03) og natríumnítrat (NaNO3). Súrefni er til staðar sem O2 jón í kristalla uppbyggingu fastra málmoxíða, eins og súrefni (oxíð) efnasambandið og kalsíum CaO. Metallic superoxides (KO ₂ ) innihalda O ₂ jón, en málmperoxíð (BaO ₂ ) innihalda O ₂ ² jón. Súrefnasambönd hafa yfirleitt oxunarástand -2.

Grunneiginleikar

Að lokum skráum við helstu eiginleika súrefnis:

• Rafstillingar: 1s ² 2s ² 2p ⁴ .
• Atómnúmer: 8.
• Atómþyngd: 15,9994.
• Suðumark: -183.0 ° C.
• Bræðslumark: -218,4 ° C.
• Þéttleiki (ef súrefnisþrýstingur er 1 atm við 0 ° C): 1.429 g / l.
• Oxunarástand: -1, -2, +2 (í efnasamböndum með flúor).