Tlen jeden z najważniejszych pierwiastków w przyrodzie

Temat pracy:

Tlen jest jednym z najważniejszych pierwiastków rozpowszechnionych
w przyrodzie. Przedstaw właściwości tlenu oraz metody laboratoryjne
i przemysłowe jego otrzymywania. Odmiany alotropowe. Rola tlenu
w naszym życiu. Wykorzystywanie tlenu.




Tlen O: (ang. oxygen, franc. oxygene, łac. oxygenium,
niem. Sauerstoff, ros. кислород); pierwiastek reprezentatywny rozpoczynający główną rodzinę 6B (tlenowce); masa atomowa 15,9994, Z=8, d0=1,429g/l, temp. topnienia -218,8C, temp. wrz. -182,97C. Konfiguracja
elektronowa: 2s2p4. Ma trzy izotopy trwałe: 16O, 17O i 18O. W stanie wolnym stanowi gaz bez barwy, smaku i zapachu, słabo rozpuszczalny w wodzie (4,89ml/100ml). Ciekły i krystaliczny tlen ma barwę jasnoniebieską.
We wszystkich trzech stanach skupienia ma własności paramagnetyczne
(np. z naczynia wypełnionego ciekłym tlenem można go wybierać magnesem). Paramagnetyzm tlenu spowodowany jest występowaniem dwóch elektronów niesparowanych (niesprzężonych) w jego najpospolitszej postaci cząsteczek dwuatomowych O2 (we wszystkich trzech stanach skupienia). Dlatego też uproszczony, popularny wzór elektronowej budowy cząsteczki tlenu o wiązaniu podwójnym:



zastępuje się obecnie wzorami lepiej oddającymi własności tlenu:



wzór ujmujący wiązanie podwójne jako kombinację wiązania pojedynczego
i trójelektronowego lub też wzór o wiązaniu pojedynczym i dwóch elektronach niesparowanych.



Oprócz zwykłego tlenu cząsteczkowego O2 znane są odmiany alotropowe: tlen atomowy O, tlen czteroatomowy O4 oraz ozon O3.
Do niedawna tlen stanowił wzorzec odniesienia dla wyznaczania mas atomowych wszystkich pierwiastków (O = 16,0000), ponieważ silnie elektroujemny tlen tworzy związki (pośrednio lub bezpośrednio)
ze wszystkimi pierwiastkami (W 1962 r. jako wzorzec mas atomowych przyjęto najpospolitszy izotop węgla: 12C = 12,0000).
Tlen stanowi najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w skorupie ziemskiej (rozpowszechnienie 52,32% atom.), wchodząc w skład licznych skał w postaci krzemianów i glinokrzemianów, rzadziej rud tlenkowych. Stanowi również dominujący składnik w hydrosferze (woda zawiera 89% wag. tlenu). W powietrzu atmosferycznym (na poziomie morza) zawartość tlenu wynosi 20,94% objętości. Tlen atmosferyczny stanowi składnik powietrza niezbędny do oddychania ludzi i zwierząt oraz do podtrzymywania wszelkich procesów spalania (również wietrzenia skał, rdzewienia metali, butwienia szczątków żywych organizmów). Flora i fauna wodna pobiera potrzebny do życia tlen bezpośrednio z wody, w której
rozpuszcza się on w niewielkich ilościach. Świat roślinny pobiera z atmosfery dwutlenek węgla (asymilacja węgla stanowiącego niezbędny budulec),
a w zamian zwraca do atmosfery wolny tlen. Otrzymywany na skalę laboratoryjną wytwarza się najczęściej za pomocą termicznego rozkładu nadmanganianu potasu KMnO4, lub przez rozkład termiczny silnych utleniaczy, np. chloranu potasowego KClO3 do którego dodaje się MnO2 jako katalizator. Na skalę techniczną otrzymuje się go przez destylację frakcyjną skroplonego powietrza lub elektrolizę zakwaszonej kwasem siarkowym lub zalkalizowanej wodorotlenkiem potasowym wody. Tlen gazowy transportuje się w butlach stalowych pod ciśnieniem 15 MPa, butle te w Polsce oznacza się barwą błękitną, a napisy wykonuje czarną farbą, ciekły zaś w izolowanych cysternach lub metalowych naczyniach Dewara. Jako silnie elektroujemny pierw. (x0 = 3,5) tlen łączy się poza helowcami ze wszystkimi pierwiastkami (na ogół bardzo gwałtownie), tworząc tlenki metali i niemetali o charakterze zasadowym, amfoterycznym lub kwasowym. W tlenie zapala się fosfor
i wiele bardzo reaktywnych związków metaloorganicznych. Spalaniu się
w tlenie większości pierwiastków (np. C, H, S, Fe, Mg, Na) towarzyszy płomień i wytwarzanie się wysokich temperatur. Inne pierwiastki
o mniejszym powinowactwie do tlenu (np. Cu, Hg) tworzą tlenki dopiero
w wyższych temperaturach Najbardziej szlachetne pierwiastki (np. Ir) nie łączą się z tlenem bezpośrednio. W postaci jonowej znane są: jon O_ oraz jon tlenowy O2_. Tlen wchodzi również w skład ważnego jonu wodorotlenowego OH_, występującego we wszystkich wodorotlenkach (zasadach) oraz
w wodzie. Tlen w skali przemysłowej stosowany jest do utleniania związków, do bielenia, do spawania i cięcia metali w palnikach tlenowo-acetylenowych (temp. płomienia 2300C). W górnictwie węgiel aktywny nasycony ciekłym tlenem stosowany jest jako bezpieczny środek wybuchowy. Ponadto stosowany jest w aparatach tlenowych do oddychania używanych
w lotnictwie, w łodziach podwodnych i w medycynie. Duże ilości tlenu technicznego zużywa się w hutnictwie (np. wielkie piece, konwertory stalownicze), w przemyśle chemicznym (np. generatory gazowe, utleniacze amoniaku) oraz w przemyśle rakietowym. Do ważnych związków tlenu
z wodorem oprócz wody należy nadtlenek wodoru H2O2.

ODMIANY ALOTROPOWE TLENU:

Tlen atomowy O; nietrwała, jednoatomowa odmiana alotropowa tlenu
o charakterystycznych własnościach wolnych atomów i rodników. Powstaje
z tlenu cząsteczkowego O2 lub związkach tlenowych w warunkach bogatych energetycznie. Jako tlen in statu nascendi powstaje przejściowo podczas otrzymywania tlenu ze związków bądź podczas rozpadu ozonu O3 lub nadtlenku wodoru H2O2, a także w reakcjach radiacyjnych (pod wpływem promieniowania jonizującego) Może występować w górnych warstwach atmosfery. Otrzymywany przez poddawanie tlenu cząsteczkowego wyładowaniom elektrycznym pod ciśnieniem 1 mm Hg, bądź wyładowaniom świetlącym (cichym) pod zmniejszonymi ciśnieniem (podobnie jak ozon), bądź też przez poddawanie go wyładowaniom iskrowym między elektrodami aluminiowymi W obecności ksenonu (jako matrycy); jest to proces silnie endotermiczny. Uzyskuje się produkt o zawartości do 80% tlen atomowy, który reaguje znacznie energiczniej niż tlen cząsteczkowy (m.in. z takimi reduktorami jak dwusiarczek węgla, siarkowodór, chlorowodór, węglowodory, wodór); gdyż cząsteczki O2 przed przereagowaniem muszą uprzednio ulec rozbiciu na wolne atomy. Odwrotnie, atomy O łatwo rekombinują ze sobą, powracając do stanu cząsteczkowego O2 z uwolnieniem dużych ilości ciepła, wystarczających do stopienia wielu metali, np. platyny.

Tlen czteroatomowy O4; nietrwała odmiana alotropowa tlenu, występuje w tlenie gazowym w temperaturze ciekłego powietrza, a także
w tlenie ciekłym i zestalonym. Jak wynika z niewielkiej wartości ciepła tworzenia cząsteczek O4 z tlenu cząsteczkowego O2, tlen czteroatomowy musi się składać z dwóch cząsteczek O2 powiązanych ze sobą siłami słabszymi niż siły występujące w wiązaniu atomowym, lecz mocniejsze niż
siły van der Waalsa.

Ozon O3, względnie trwała trójatomowa odmiana alotropowa tlenu, stanowiąca utleniacz silniejszy niż cząsteczki O2 i wykazująca szereg własności tlenu cząsteczkowego. W warunkach normalnych ozon jest niebieskawym gazem o charakterystycznym zapachu. Oziębiony
skrapla się na niebieską ciecz o własnościach diamagnetycznych
(temperatura wrzenia –112,4oC). Jest lepiej rozpuszczalny w wodzie niż tlen (49,4ml/100ml wody w temp. 0oC). Powstaje z tlenu w silnie endotermicznej reakcji: 1,5O2→O3 – 34,2 kcal/mol i odwrotnie łatwo (nawet wybuchowo) rozpada się z powrotem na tlen cząsteczkowy O2 i atomowy O, stanowiąc dzięki temu energiczniejszy niż tlen środek utleniający. Podobnie jak tlen atomowy tworzy się w warunkach bogatych energetycznie np. w atmosferze pod wpływem wyładowań elektrycznych lub w wyniku absorbcji promieniowania elektromagnetycznego (o długości fali ok. 2090 A).
W niewielkich ilościach powstaje ubocznie w wielu reakcjach chemicznych. Na skale laboratoryjną lub przemysłową otrzymywany w ozonizatorach, przez poddawanie powietrza świetlącym (cichym) wyładowaniom elektrycznym (powstaje wówczas 5-8% ozonu) lub (lepiej) czystego tlenu (wydajność do 15%). Z uzyskanej mieszaniny ozonu z tlenem można zaabsorbować O3 na żelu krzemionkowym, przetransportować go w tej postaci, a następnie desorbować azotem lub tlenem w miejscu użytkowania. W stanie czystym ozon otrzymuje się absorpcję rozpuszczalnikiem (CCl4, CHCl3) i następnie ekspandowanie. Wystarcza już dodatek 2% ozonu do tlenu, aby otrzymać doskonały środek utleniający, niekiedy tańszy
w zastosowaniu nawet niż chlor. Ozon jako utleniacz ustępuje jedynie fluorowi, dwufluorkowi tlenu OF2, tlenowi atomowemu i rodnikowi wodorotlenowemu. Przeprowadza w tlenie takie metale jak np. rtęć czy srebro, wydziela jod z jodków, podobnie jak chlor odbarwia (bieli) barwne substancje organiczne, utlenia amoniak do azotynów lub azotanów, sole srebra jednowartościowego do soli dwu- i trój- watrościowego, węglowodory nienasycone do aldechydów (z rozerwaniem cząsteczki w miejscu występowania wiązania podwójnego) itp. Ozon technologiczny (przemysłowy) stosowany jest do bielenia olejów, wosków, skrobi, mąki, do odkażania wody pitnej, jako utleniacz do paliw rakietowych itp.