Tlen

Ten artykuł dotyczy pierwiastka chemicznego. W przypadku innych zastosowań zobacz Tlen (ujednoznacznienie) .

tlen, ₈ O

Ciekły tlen wrzący (O 2 )
Tlen
odmiany alotropowe	O 2 , O 3 ( ozon ) i więcej (patrz Alotropy tlenu )
Wygląd	gaz: bezbarwna ciecz i ciało stałe: bladoniebieski
Standardowa masa atomowa Ar °(O )
	[ 15.999 03 , 15.999 77 ] 15,999 ± 0,001 (skrócony)
Obfitość
w skorupie ziemskiej	461000 ppm
Tlen w układzie okresowym
Wodór Hel Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon Cez Bar Lantan Cer prazeodym neodym Promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon astat Radon frank Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton ameryk Kiur Berkelium Kaliforn Einsteinium Ferm Mendelew Nobel lawren Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohr has Meitner Darmsztadt Roentgen Kopernik Nihonium flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ O ↓ S azot ← tlen → fluor
liczba atomowa ( Z )	8
Grupa	grupa 16 (chalkogeny)
Okres	okres 2
Blok	blok p
Konfiguracja elektronów	[ On ] 2s 2 2p 4
Elektrony na powłokę	2, 6
Właściwości fizyczne
Faza w STP	gaz
Temperatura topnienia	(O2 ) 54,36 K (-218,79 ° C, -361,82 ° F)
Temperatura wrzenia	(O2 ) 90,188 K (-182,962 °C, -297,332 °F)
Gęstość (w STP)	1,429 g/l
gdy ciecz (w bp )	1,141 g/ cm3
Potrójny punkt	54,361 K, 0,1463 kPa
Punkt krytyczny	154,581 K, 5,043 MPa
Ciepło topnienia	( 02 ) 0,444 kJ/mol
Ciepło parowania	( 02 ) 6,82 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna	(O2 ) 29,378 J/(mol·K)
Ciśnienie pary   P (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys   w T (K)       61 73 90
Właściwości atomowe
Stany utleniania	0 −2 , −1 , , +1 , +2
Elektroujemność	Skala Paulinga: 3,44
Energie jonizacji	1.: 1313,9 kJ/mol 2.: 3388,3 kJ/mol 3.: 5300,5 kJ/mol ( więcej )
Promień kowalencyjny	66 ± 14:00
Promień Van der Waalsa	152 godz
Widmowe linie tlenu
Inne właściwości
Występowanie naturalne	pierwotny
Struktura krystaliczna	<a i=1>sześcienny cubic
Prędkość dźwięku	330 m/s (gaz, przy 27°C)
Przewodność cieplna	26,58×10-3 W /(m⋅K)
Zamawianie magnetyczne	paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna	) +3 449,0 × 10-6 cm3 / mol ( 293 K
Numer CAS	7782-44-7
Historia
Odkrycie	Michael Sendivogius Carl Wilhelm Scheele (1604, 1771)
Nazwany przez	Antoine'a Lavoisiera (1777)
Izotopy tlenu
Główne izotopy Rozkład obfitość okres półtrwania ( t 1/2 ) tryb produkt 15 o syn 122,266 sek β + 15 p.n 16 o 99,757% stabilny 17 o 0,038% stabilny 18 o 0,205% stabilny

  Tlen jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu O i liczbie atomowej 8. Jest członkiem grupy chalkogenów w układzie okresowym , wysoce reaktywnym niemetalem i środkiem utleniającym , który łatwo tworzy tlenki z większością pierwiastków, jak również z innymi związkami . Tlen jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi , zaraz po wodorze i helu , jest trzecim najczęściej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. W standardowej temperaturze i ciśnieniu dwa atomy tego pierwiastka łączą się , tworząc tlen dwuatomowy , bezbarwny i bezwonny dwuatomowy gaz o wzorze O
₂ . Dwuatomowy tlen gazowy stanowi obecnie 20,95% ziemskiej atmosfery , chociaż to się znacznie zmieniło na przestrzeni długich okresów czasu. Tlen stanowi prawie połowę skorupy ziemskiej w postaci tlenków.

Wszystkie rośliny , zwierzęta i grzyby potrzebują tlenu do oddychania komórkowego , który pobiera energię w reakcji tlenu z cząsteczkami pochodzącymi z pożywienia i wytwarza dwutlenek węgla jako produkt odpadowy. U czworonogów oddychanie doprowadza tlen do płuc, gdzie zachodzi wymiana gazowa, dwutlenek węgla dyfunduje z krwi, a tlen dyfunduje do krwi. Układ krążenia organizmu transportuje tlen do komórek, w których zachodzi oddychanie komórkowe.

Wiele głównych klas cząsteczek organicznych w organizmach żywych zawiera atomy tlenu, takie jak białka , kwasy nukleinowe , węglowodany i tłuszcze , podobnie jak główne związki nieorganiczne składowe muszli zwierząt, zębów i kości. Większość masy żywych organizmów to tlen jako składnik wody , głównego składnika form życia. Tlen jest stale uzupełniany w ziemskiej atmosferze w procesie fotosyntezy , który wykorzystuje energię światła słonecznego do produkcji tlenu z wody i dwutlenku węgla. Tlen jest zbyt reaktywny chemicznie, aby pozostać wolnym pierwiastkiem w powietrzu bez ciągłego uzupełniania go w wyniku fotosyntezy żywych organizmów. Inna forma ( alotropowa ) tlenu, ozon ( O
₃ ), silnie pochłania promieniowanie ultrafioletowe UVB , a położona na dużych wysokościach warstwa ozonowa pomaga chronić biosferę przed promieniowaniem ultrafioletowym . Jednak ozon obecny na powierzchni jest produktem ubocznym smogu a tym samym zanieczyszczenie.

Tlen został wyizolowany przez Michaela Sendivogiusa przed 1604 r., ale powszechnie uważa się, że pierwiastek ten został odkryty niezależnie przez Carla Wilhelma Scheele w Uppsali w 1773 r. lub wcześniej oraz Josepha Priestleya w Wiltshire w 1774 r. Priestleyowi często przyznaje się pierwszeństwo, ponieważ jego praca została opublikowana jako pierwsza. Priestley nazwał jednak tlen „powietrzem pozbawionym flogistonu” i nie rozpoznał go jako pierwiastka chemicznego. Nazwa tlen została ukuta w 1777 roku przez Antoine'a Lavoisiera , który jako pierwszy rozpoznał tlen jako pierwiastek chemiczny i prawidłowo scharakteryzował rolę, jaką odgrywa on w spalaniu.

Typowe zastosowania tlenu obejmują produkcję stali , tworzyw sztucznych i tekstyliów , lutowanie twarde, spawanie i cięcie stali i innych metali , paliwo rakietowe , terapię tlenową oraz systemy podtrzymywania życia w samolotach , łodziach podwodnych , lotach kosmicznych i nurkowaniu .

Historia studiów

Wczesne eksperymenty

Jeden z pierwszych znanych eksperymentów dotyczących związku między spalaniem a powietrzem przeprowadził grecki pisarz mechaniki z II wieku p.n.e., Filon z Bizancjum . W swojej pracy Pneumatica Philo zauważył, że odwrócenie naczynia nad płonącą świecą i otoczenie szyjki naczynia wodą spowodowało, że część wody podniosła się do szyjki. Philo błędnie przypuszczał, że część powietrza w naczyniu została przekształcona w klasyczny element ognia , dzięki czemu mogła uciec przez pory w szkle. Wiele wieków później Leonardo da Vinci oparł się na pracy Filona, ​​obserwując, że część powietrza jest zużywana podczas spalania i oddychania .

Pod koniec XVII wieku Robert Boyle udowodnił, że powietrze jest niezbędne do spalania. Angielski chemik John Mayow (1641-1679) udoskonalił tę pracę, pokazując, że ogień wymaga tylko części powietrza, którą nazwał spiritus nitroaereus . W jednym eksperymencie odkrył, że umieszczenie myszy lub zapalonej świecy w zamkniętym pojemniku nad wodą spowodowało podniesienie się wody i zastąpienie jednej czternastej objętości powietrza przed ugaszeniem badanych. Na tej podstawie przypuszczał, że nitroaereus jest zużywany zarówno podczas oddychania, jak i spalania.

Mayow zauważył, że antymon zwiększał wagę po podgrzaniu i wywnioskował, że nitroaereus musiał się z nim połączyć. Uważał również, że płuca oddzielają nitroaereus od powietrza i przekazują je do krwi, a ciepło zwierząt i ruch mięśni wynikają z reakcji nitroaereusa z pewnymi substancjami w organizmie. Relacje z tych i innych eksperymentów i pomysłów zostały opublikowane w 1668 roku w jego pracy Tractatus duo w traktacie „De respiratione”.

Teoria flogistonu

Główny artykuł: teoria flogistonu

Robert Hooke , Ole Borch , Michaił Łomonosow i Pierre Bayen wytwarzali tlen w eksperymentach w XVII i XVIII wieku, ale żaden z nich nie rozpoznał go jako pierwiastka chemicznego . Mogło to częściowo wynikać z rozpowszechnienia się filozofii spalania i korozji , zwanej teorią flogistonu , która była wówczas ulubionym wyjaśnieniem tych procesów.

Założona w 1667 roku przez niemieckiego alchemika JJ Bechera i zmodyfikowana przez chemika Georga Ernsta Stahla w 1731 roku, teoria flogistonu głosiła, że ​​wszystkie palne materiały składają się z dwóch części. Jedna część, zwana flogistonem, wydzielała się podczas spalania zawierającej ją substancji, podczas gdy część pozbawiona flogistonu uważano za jej prawdziwą formę, czyli calx .

, że wysoce łatwopalne materiały, które pozostawiają niewiele pozostałości , takie jak drewno lub węgiel, są wykonane głównie z flogistonu; niepalne substancje, które korodują, takie jak żelazo, zawierały bardzo mało. Powietrze nie odgrywało roli w teorii flogistonu ani nie przeprowadzono żadnych wstępnych eksperymentów ilościowych w celu sprawdzenia tego pomysłu; zamiast tego opierał się na obserwacjach tego, co dzieje się, gdy coś się pali, że większość typowych przedmiotów wydaje się być lżejsza i wydaje się, że coś traci w tym procesie.

Odkrycie

Joseph Priestley ma zwykle pierwszeństwo w odkryciu.

Polski alchemik , filozof i lekarz Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) w swoim dziele De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti (1604) opisał substancję zawartą w powietrzu, nazywając ją „cibus vitae” (pokarm życia) ,), a według polskiego historyka Romana Bugaja substancja ta jest identyczna z tlenem. Sendivogius podczas swoich eksperymentów przeprowadzonych w latach 1598-1604 słusznie uznał, że substancja jest równoważna gazowemu produktowi ubocznemu uwalnianemu w wyniku rozkładu termicznego azotanu potasu . Zdaniem Bugaja wyizolowanie tlenu i odpowiednie połączenie tej substancji z tą częścią powietrza, która jest niezbędna do życia, jest wystarczającym dowodem na odkrycie tlenu przez Sendivogiusa. To odkrycie Sendivogiusa było jednak często zaprzeczane przez następne pokolenia naukowców i chemików.

Powszechnie uważa się również, że tlen jako pierwszy odkrył szwedzki farmaceuta Carl Wilhelm Scheele . Wytwarzał gazowy tlen przez ogrzewanie tlenku rtęci (HgO) i różnych azotanów w latach 1771–72. Scheele nazwał gaz „powietrzem ogniowym”, ponieważ był to wówczas jedyny znany czynnik wspomagający spalanie. Opisał to odkrycie w rękopisie zatytułowanym „ Traktat o powietrzu i ogniu” , który wysłał swojemu wydawcy w 1775 r. Dokument ten został opublikowany w 1777 r.

W międzyczasie, 1 sierpnia 1774 r., eksperyment przeprowadzony przez brytyjskiego duchownego Josepha Priestleya skupił światło słoneczne na tlenku rtęci zawartym w szklanej rurce, co uwolniło gaz, który nazwał „powietrzem oczyszczonym”. Zauważył, że świece paliły się jaśniej w gazie, a mysz była bardziej aktywna i żyła dłużej, oddychając tym gazem. Po tym, jak sam wdychał gaz, Priestley napisał: „Odczucie tego gazu w moich płucach nie różniło się znacząco od tego, jakie wywołuje zwykłe powietrze , ale wydawało mi się, że przez jakiś czas moja pierś wydawała się szczególnie lekka i łatwa.” Priestley opublikował swoje odkrycia w 1775 roku w artykule zatytułowanym „An Account of Further Discoveries in Air”, który został włączony do drugiego tomu jego książki zatytułowanej Experiments i Obserwacje różnych rodzajów powietrza . Ponieważ Priestley opublikował swoje odkrycia jako pierwszy, zwykle ma pierwszeństwo w odkryciu.

Francuski chemik Antoine Laurent Lavoisier twierdził później, że niezależnie odkrył nową substancję. Priestley odwiedził Lavoisiera w październiku 1774 roku i opowiedział mu o swoim eksperymencie oraz o tym, jak uwolnił nowy gaz. Scheele wysłał również list do Lavoisiera 30 września 1774 r., W którym opisał odkrycie nieznanej wcześniej substancji, ale Lavoisier nigdy nie przyznał się do jej otrzymania. (Kopia listu została znaleziona w rzeczach Scheele po jego śmierci).

wkład Lavoisiera

Antoine Lavoisier zdyskredytował teorię flogistonu.

Lavoisier przeprowadził pierwsze odpowiednie eksperymenty ilościowe dotyczące utleniania i podał pierwsze prawidłowe wyjaśnienie, jak działa spalanie. Wykorzystał te i podobne eksperymenty, wszystkie rozpoczęte w 1774 roku, aby zdyskredytować teorię flogistonu i udowodnić, że substancja odkryta przez Priestleya i Scheele była pierwiastkiem chemicznym .

W jednym eksperymencie Lavoisier zauważył, że nie było ogólnego wzrostu masy, gdy cyna i powietrze były podgrzewane w zamkniętym pojemniku. Zauważył, że powietrze wpadło do środka, kiedy otwierał pojemnik, co wskazywało, że część uwięzionego powietrza została zużyta. Zauważył również, że waga puszki wzrosła, a wzrost ten był taki sam, jak ciężar powietrza, które wpadło z powrotem. Ten i inne eksperymenty ze spalaniem zostały udokumentowane w jego książce Sur la spalanie en général , która została opublikowana w 1777 r. Udowodnił w niej, że powietrze jest mieszaniną dwóch gazów; „witalne powietrze”, które jest niezbędne do spalania i oddychania, oraz azot (gr. ἄζωτον „martwy”), który również nie wspierał. Azote później stał się azotem w języku angielskim, chociaż zachował wcześniejszą nazwę w języku francuskim i kilku innych językach europejskich.

Etymologia

Lavoisier przemianował „witalne powietrze” na oxygène w 1777 r. Od greckich korzeni ὀξύς (oxys) ( kwas , dosłownie „ostry”, od smaku kwasów) i -γενής (-genēs) (producent, dosłownie rodzic), ponieważ błędnie sądził że tlen jest składnikiem wszystkich kwasów. Chemicy (tacy jak Sir Humphry Davy w 1812 r.) Ostatecznie ustalili, że Lavoisier mylił się w tym względzie, ale do tego czasu nazwa była już zbyt dobrze ugruntowana.

Tlen wszedł do języka angielskiego pomimo sprzeciwu angielskich naukowców i faktu, że Anglik Priestley jako pierwszy wyizolował gaz i napisał o nim. Wynika to częściowo z wiersza wychwalającego gaz zatytułowanego „Tlen” w popularnej książce Ogród botaniczny (1791) autorstwa Erazma Darwina , dziadka Karola Darwina .

Późniejsza historia

Robert H. Goddard i rakieta na ciekły tlen i benzynę

Oryginalna hipoteza atomowa Johna Daltona zakładała, że ​​wszystkie pierwiastki są jednoatomowe i że atomy w związkach normalnie mają najprostsze stosunki atomowe względem siebie. Na przykład Dalton założył, że wzór wody to H O, co doprowadziło do wniosku, że masa atomowa tlenu jest 8 razy większa niż wodoru, zamiast współczesnej wartości około 16. W 1805 roku Joseph Louis Gay-Lussac i Alexander von Humboldt wykazali że woda składa się z dwóch objętości wodoru i jednej objętości tlenu; i do 1811 Amedeo Avogadro doszli do prawidłowej interpretacji składu wody, w oparciu o to, co obecnie nazywa się prawem Avogadra i dwuatomowymi cząsteczkami pierwiastków w tych gazach.

Pierwszą komercyjną metodą produkcji tlenu był proces chemiczny, tak zwany proces Brina , obejmujący odwracalną reakcję tlenku baru . Został wynaleziony w 1852 roku i skomercjalizowany w 1884 roku, ale został wyparty przez nowsze metody na początku XX wieku.

Pod koniec XIX wieku naukowcy zdali sobie sprawę, że powietrze można skraplać, a jego składniki izolować, sprężając je i schładzając. Stosując kaskadową , szwajcarski chemik i fizyk Raoul Pierre Pictet odparował ciekły dwutlenek siarki w celu skroplenia dwutlenku węgla, który z kolei został odparowany w celu schłodzenia tlenu w ilości wystarczającej do jego skroplenia. Wysłał telegram 22 grudnia 1877 roku do Francuskiej Akademii Nauk w Paryżu, w którym ogłosił odkrycie ciekłego tlenu . Zaledwie dwa dni później francuski fizyk Louis Paul Cailletet ogłosił własną metodę skraplania tlenu cząsteczkowego. W każdym przypadku wytwarzano tylko kilka kropel cieczy i nie można było przeprowadzić żadnej sensownej analizy. Tlen został po raz pierwszy skroplony w stanie stabilnym 29 marca 1883 roku przez polskich naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego , Zygmunta Wróblewskiego i Karola Olszewskiego .

Zestaw eksperymentalny do przygotowania tlenu w laboratoriach akademickich

W 1891 roku szkocki chemik James Dewar był w stanie wyprodukować wystarczającą ilość ciekłego tlenu do badań. Pierwszy komercyjnie opłacalny proces wytwarzania ciekłego tlenu został niezależnie opracowany w 1895 roku przez niemieckiego inżyniera Carla von Linde i brytyjskiego inżyniera Williama Hampsona. Obaj mężczyźni obniżyli temperaturę powietrza, aż skrapliło się, a następnie oddestylowali gazy składowe, gotując je pojedynczo i wychwytując je oddzielnie. Później, w 1901 roku, po raz pierwszy zademonstrowano spawanie tlenowo-acetylenowe poprzez spalanie mieszaniny acetylenu i sprężonego O
₂ . Ta metoda spawania i cięcia metalu stała się później powszechna.

W 1923 roku amerykański naukowiec Robert H. Goddard jako pierwszy opracował silnik rakietowy spalający płynne paliwo; silnik wykorzystywał benzynę jako paliwo i ciekły tlen jako utleniacz . Goddard z powodzeniem poleciał małą rakietą na paliwo ciekłe na odległość 56 m z prędkością 97 km/h 16 marca 1926 roku w Auburn, Massachusetts , USA.

W laboratoriach akademickich tlen można wytworzyć, ogrzewając razem chloran potasu zmieszany z niewielką ilością dwutlenku manganu.

Poziomy tlenu w atmosferze na całym świecie nieznacznie spadają, prawdopodobnie z powodu spalania paliw kopalnych.

Charakterystyka

Właściwości i budowa molekularna

Diagram orbitalny, według Barretta (2002), przedstawiający uczestniczące orbitale atomowe z każdego atomu tlenu, orbitale molekularne wynikające z ich nakładania się oraz wypełnienie aufbau orbitali 12 elektronami, po 6 z każdego atomu O, zaczynając od najniższego -energetyczne orbitale, a co za tym idzie kowalencyjny charakter podwójnego wiązania z wypełnionych orbitali (i anulowanie udziału par σ i σ ^* oraz π i π ^* ).

W standardowej temperaturze i ciśnieniu tlen jest bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku gazem o wzorze cząsteczkowym O
₂ , określanym jako ditlen.

Jako ditlen , dwa atomy tlenu są ze sobą chemicznie związane . Wiązanie można różnie opisać w zależności od poziomu teorii, ale rozsądnie i prosto można je opisać jako kowalencyjne wiązanie podwójne , które wynika z wypełnienia orbitali molekularnych utworzonych z orbitali atomowych poszczególnych atomów tlenu, których wypełnienie skutkuje wiązaniem kolejność dwóch. Mówiąc dokładniej, podwójne wiązanie jest wynikiem sekwencyjnej energii od niskiej do wysokiej lub Aufbau , zapełnianie orbitali i wynikające z tego znoszenie wkładów elektronów 2s, po sekwencyjnym wypełnianiu niskich orbitali σ i σ ^* ; σ nakładanie się dwóch orbitali atomowych 2p leżących wzdłuż osi molekularnej O–O i π nakładanie się dwóch par orbitali atomowych 2p prostopadłych do osi molekularnej O–O, a następnie anulowanie wkładów pozostałych dwóch elektronów 2p po ich częściowym wypełnienie orbitali π ^* .

Ta kombinacja odwołań i nakładania się σ i π skutkuje charakterem i reaktywnością podwójnego wiązania tlenu ditlenowego oraz trypletem elektronicznego stanu podstawowego . Konfiguracja elektronowa z dwoma niesparowanymi elektronami, jak to ma miejsce w przypadku orbitali ditlenowych (patrz wypełnione orbitale π* na diagramie), które mają jednakową energię – tj. są zdegenerowane – jest konfiguracją określaną jako spinowy stan trypletowy. Dlatego stan podstawowy O
₂ jest określany jako tlen trypletowy . Najwyższej energii, częściowo wypełnione orbitale są antywiążące , a więc ich wypełnienie osłabia kolejność wiązań z trzech do dwóch. Ze względu na niesparowane elektrony trypletowy tlen reaguje tylko powoli z większością cząsteczek organicznych, które mają sparowane spiny elektronów; zapobiega to samozapłonowi.

Ciekły tlen, tymczasowo zawieszony w magnesie dzięki swojemu paramagnetyzmowi

W formie trypletowej cząsteczki O
_{2 są} paramagnetyczne . Oznacza to, że nadają charakter magnetyczny tlenowi, gdy znajduje się on w polu magnetycznym O2 .
_, z powodu spinowych momentów magnetycznych niesparowanych elektronów w cząsteczce oraz ujemnej energii wymiany między sąsiednimi cząsteczkami Ciekły tlen jest tak magnetyczny , że w demonstracjach laboratoryjnych most ciekłego tlenu może być podtrzymywany pod własnym ciężarem między biegunami silnego magnesu.

Tlen singletowy to nazwa nadana kilku wysokoenergetycznym formom cząsteczkowego O
₂ , w którym wszystkie spiny elektronów są sparowane. Jest znacznie bardziej reaktywny ze zwykłymi cząsteczkami organicznymi niż normalny (trypletowy) tlen cząsteczkowy. W naturze tlen singletowy zwykle powstaje z wody podczas fotosyntezy, wykorzystując energię światła słonecznego. Jest również wytwarzany w troposferze w wyniku fotolizy ozonu światłem o krótkiej długości fali oraz przez układ odpornościowy jako źródło aktywnego tlenu. Karotenoidy w organizmach fotosyntetyzujących (i prawdopodobnie zwierzętach) odgrywają główną rolę w absorpcji energii z tlenu singletowego i przekształcaniu jej w niewzbudzony stan podstawowy, zanim może spowodować uszkodzenie tkanek.

odmiany alotropowe

Główny artykuł: Alotropy tlenu

Wypełniająca przestrzeń modelowa reprezentacja cząsteczki ditlenku (O ₂ ).

Popularny alotrop pierwiastkowego tlenu na Ziemi to ditlen , O
₂ , główna część ziemskiego tlenu atmosferycznego (patrz Występowanie ). O ₂ ma długość wiązania 121 µm i energię wiązania 498 kJ/mol . O ₂ jest wykorzystywane przez złożone formy życia, takie jak zwierzęta, w oddychaniu komórkowym . Inne aspekty O
₂ omówiono w dalszej części tego artykułu.

Tritlen ( O
₃ ) jest zwykle znany jako ozon i jest bardzo reaktywną alotropową odmianą tlenu, która uszkadza tkankę płuc. Ozon jest wytwarzany w górnych warstwach atmosfery , gdy O
₂ łączy się z atomowym tlenem powstałym w wyniku rozszczepienia O
₂ przez promieniowanie ultrafioletowe (UV). Ponieważ ozon silnie absorbuje w obszarze widma UV , warstwa ozonowa górnych warstw atmosfery działa jak ochronna osłona przed promieniowaniem dla planety. W pobliżu powierzchni Ziemi jest to a zanieczyszczenie powstające jako produkt uboczny spalin samochodowych . Na niskich orbitach okołoziemskich występuje wystarczająca ilość tlenu atomowego, aby spowodować korozję statku kosmicznego .

Metastabilna cząsteczka tetratlen ( O
₄ ) została odkryta w 2001 roku i przypuszczano, że istnieje w jednej z sześciu faz stałego tlenu . W 2006 roku udowodniono, że ta faza, utworzona przez zwiększenie ciśnienia O
₂ do 20 GPa , jest w rzeczywistości romboedrycznym skupiskiem O
₈ . Ten klaster ma potencjał, by stać się znacznie silniejszym utleniaczem niż O
₂ lub O
₃ i dlatego może być używany w paliwo rakietowe . Faza metaliczna została odkryta w 1990 roku, gdy stały tlen jest poddawany ciśnieniu powyżej 96 GPa, aw 1998 roku wykazano, że w bardzo niskich temperaturach faza ta staje się nadprzewodząca .

Właściwości fizyczne

Rura wyładowcza tlenu (spektrum).

Zobacz też: Ciekły tlen i stały tlen

Tlen rozpuszcza się łatwiej w wodzie niż w azocie, aw wodzie słodkiej łatwiej niż w wodzie morskiej. Woda w równowadze z powietrzem zawiera w przybliżeniu 1 cząsteczkę rozpuszczonego O
₂ na 2 cząsteczki N
₂ (1:2), w porównaniu ze stosunkiem atmosferycznym wynoszącym w przybliżeniu 1:4. Rozpuszczalność tlenu w wodzie zależy od temperatury i około dwa razy więcej tlenu ( 14,6 mg/l ) rozpuszcza się w temperaturze 0°C niż w 20°C ( 7,6 mg/l ). W temperaturze 25°C i 1 standardowej atmosferze (101,3 kPa ) powietrza, słodka woda może rozpuścić około 6,04 mililitrów (ml) tlenu na litr , a woda morska zawiera około 4,95 ml na litr. W temperaturze 5°C rozpuszczalność wzrasta do 9,0 ml (50% więcej niż w temperaturze 25°C) na litr wody słodkiej i 7,2 ml (45% więcej) na litr wody morskiej.

Gazowy tlen rozpuszczony w wodzie na poziomie morza (mililitry na litr)

	5°C	25°C
Słodkowodne	9.00	6.04
woda morska	7.20	4,95

Tlen skrapla się w temperaturze 90,20 K (-182,95 ° C, -297,31 ° F) i zamarza w temperaturze 54,36 K (-218,79 ° C, -361,82 ° F). Zarówno ciekły , jak i stały O
₂ są przezroczystymi substancjami o jasnobłękitnej barwie spowodowanej absorpcją w czerwieni (w przeciwieństwie do niebieskiej barwy nieba, która jest spowodowana rozpraszaniem światła niebieskiego przez Rayleigha). Ciecz o wysokiej czystości O
₂ jest zwykle uzyskiwana przez destylację frakcyjną skroplonego powietrza. Ciekły tlen można również skroplić z powietrza za pomocą ciekłego azotu jako płyn chłodzący.

Ciekły tlen jest substancją wysoce reaktywną i musi być oddzielony od materiałów palnych.

Spektroskopia tlenu cząsteczkowego jest związana z procesami atmosferycznymi zorzy polarnej i poświaty . Absorpcja w kontinuum Herzberga i pasmach Schumanna-Runge'a w ultrafiolecie wytwarza tlen atomowy, który jest ważny w chemii środkowej atmosfery. Singletowy tlen cząsteczkowy w stanie wzbudzonym jest odpowiedzialny za czerwoną chemiluminescencję w roztworze.

Tabela właściwości termicznych i fizycznych tlenu (O ₂ ) pod ciśnieniem atmosferycznym:

Temperatura (K)	Gęstość (kg/m^3)	Ciepło właściwe (kJ/kg °C)	Lepkość dynamiczna (kg/ms)	Lepkość kinematyczna (m^2/s)	Przewodność cieplna (W/m °C)	Dyfuzyjność cieplna (m^2/s)	liczba Prandtla
100	3.945	0,962	7.64E-06	1.94E-06	0,00925	2.44E-06	0,796
150	2.585	0,921	1.15E-05	4.44E-06	0,0138	5.80E-06	0,766
200	1,93	0,915	1.48E-05	7.64E-06	0,0183	1.04E-05	0,737
250	1.542	0,915	1.79E-05	1.16E-05	0,0226	1.60E-05	0,723
300	1.284	0,92	2.07E-05	1.61E-05	0,0268	2.27E-05	0,711
350	1.1	0,929	2.34E-05	2.12E-05	0,0296	2.90E-05	0,733
400	0,962	1.0408	2.58E-05	2.68E-05	0,033	3.64E-05	0,737
450	0,8554	0,956	2.81E-05	3.29E-05	0,0363	4.44E-05	0,741
500	0,7698	0,972	3.03E-05	3.94E-05	0,0412	5.51E-05	0,716
550	0,6998	0,988	3.24E-05	4.63E-05	0,0441	6.38E-05	0,726
600	0,6414	1.003	3.44E-05	5.36E-05	0,0473	7.35E-05	0,729
700	0,5498	1.031	3.81E-05	6.93E-05	0,0528	9.31E-05	0,744
800	0,481	1.054	4.15E-05	8.63E-05	0,0589	1.16E-04	0,743
900	0,4275	1.074	4.47E-05	1.05E-04	0,0649	1.41E-04	0,74
1000	0,3848	1.09	4.77E-05	1.24E-04	0,071	1.69E-04	0,733
1100	0,3498	1.103	5.06E-05	1.45E-04	0,0758	1.96E-04	0,736
1200	0,3206	1.0408	5.33E-05	1.661E-04	0,0819	2.29E-04	0,725
1300	0,296	1.125	5.88E-05	1.99E-04	0,0871	2.62E-04	0,721

Izotopy i pochodzenie gwiazd

Główny artykuł: Izotopy tlenu

Pod koniec życia masywnej gwiazdy ¹⁶ O koncentruje się w powłoce O, ¹⁷ O w powłoce H i ¹⁸ O w powłoce He.

Naturalnie występujący tlen składa się z trzech stabilnych izotopów , ¹⁶ O , ¹⁷ O i ¹⁸ O , przy czym ¹⁶ O występuje w największej ilości (99,762% naturalnej obfitości ).

Większość ¹⁶ O jest syntetyzowana pod koniec procesu syntezy helu w masywnych gwiazdach , ale część powstaje w procesie spalania neonu . ¹⁷ O powstaje głównie w wyniku spalania wodoru do helu podczas cyklu CNO , co czyni go powszechnym izotopem w strefach spalania wodoru w gwiazdach. Większość ¹⁸ O jest wytwarzana, gdy ¹⁴ N (uzyskany w dużych ilościach ze spalania CNO) przechwytuje jądro ⁴ He , tworząc ¹⁸ O pospolity w bogatych w hel strefach wyewoluowanych, masywnych gwiazd .

Scharakteryzowano trzynaście radioizotopów w zakresie od ¹¹ O do ²⁶ O. Najbardziej stabilne to ¹⁵ O z okresem półtrwania 122,24 sekundy i ¹⁴ O z okresem półtrwania 70,606 sekundy. Wszystkie pozostałe promieniotwórcze mają okresy półtrwania krótsze niż 27 s, a większość z nich ma okresy półtrwania krótsze niż 83 milisekundy. Najczęstszym trybem rozpadu izotopów lżejszych niż ¹⁶ O jest rozpad β ⁺ z wytworzeniem azotu, a najpowszechniejszym trybem dla izotopów cięższych niż ¹⁸ O jest rozpad beta z wytworzeniem fluoru .

Występowanie

Zobacz też: Minerały krzemianowe , Kategoria: Minerały tlenkowe , Populacja gwiazd , Kosmochemia i Astrochemia

Dziesięć najpowszechniejszych pierwiastków w Galaktyce Drogi Mlecznej oszacowano spektroskopowo

Z	Element	Ułamek masowy w częściach na milion
1	Wodór	739 000	71 × masa tlenu (czerwony słupek)
2	Hel	240 000	23 × masa tlenu (czerwony słupek)
8	Tlen	10400	10400
6	Węgiel	4600	4600
10	Neon	1340	1340
26	Żelazo	1090	1090
7	Azot	960	960
14	Krzem	650	650
12	Magnez	580	580
16	Siarka	440	440

Tlen jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym pod względem masy w ziemskiej biosferze , powietrzu, morzach i na lądzie. Tlen jest trzecim najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, po wodorze i helu. Około 0,9% Słońca to tlen. Tlen stanowi 49,2% skorupy ziemskiej jako część związków tlenkowych, takich jak dwutlenek krzemu , i jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem masowym w skorupie ziemskiej . Jest także głównym składnikiem światowych oceanów (88,8% masy). Gazowy tlen jest drugim najczęściej występującym składnikiem Atmosfera ziemska , zajmująca 20,8% jej objętości i 23,1% jej masy (około 10 ¹⁵ ton). Ziemia jest niezwykła wśród planet Układu Słonecznego , ponieważ ma tak wysokie stężenie gazowego tlenu w swojej atmosferze: Mars (zawierający 0,1% objętości O
_{2 ) i} Wenus mają znacznie mniej. O .
₂ otaczające te planety powstaje wyłącznie w wyniku działania promieniowania ultrafioletowego na cząsteczki zawierające tlen, takie jak dwutlenek węgla

Zimna woda zawiera więcej rozpuszczonego O
₂ .

Niezwykle wysokie stężenie tlenu na Ziemi jest wynikiem cyklu tlenowego . Ten cykl biogeochemiczny opisuje ruch tlenu w trzech głównych rezerwuarach na Ziemi i pomiędzy nimi: atmosferą, biosferą i litosferą . Głównym czynnikiem napędzającym cykl tlenowy jest fotosynteza , która odpowiada za współczesną atmosferę ziemską. Fotosynteza uwalnia tlen do atmosfery, podczas oddychania , rozkład , a spalanie usuwa go z atmosfery. W obecnej równowadze produkcja i konsumpcja zachodzą w tym samym tempie.

Wolny tlen występuje również w roztworach w zbiornikach wodnych na świecie. Zwiększona rozpuszczalność O
₂ w niższych temperaturach (patrz Właściwości fizyczne ) ma ważne implikacje dla życia w oceanach, ponieważ oceany polarne są siedliskiem znacznie większej gęstości życia ze względu na wyższą zawartość tlenu. Woda zanieczyszczona składnikami odżywczymi roślin, takimi jak azotany lub fosforany , może stymulować wzrost glonów w procesie zwanym eutrofizacją , a rozkład tych organizmów i innych biomateriałów może zmniejszać zawartość O
₂ zawartość w eutroficznych zbiornikach wodnych. Naukowcy oceniają ten aspekt jakości wody, mierząc biochemiczne zapotrzebowanie wody na tlen , czyli ilość O
₂ potrzebną do przywrócenia jej normalnego stężenia.

Analiza

500 milionów lat zmian klimatu a ¹⁸ O

Paleoklimatolodzy mierzą stosunek tlenu-18 i tlenu-16 w skorupach i szkieletach organizmów morskich, aby określić klimat sprzed milionów lat (patrz cykl stosunku izotopów tlenu ). Cząsteczki wody morskiej zawierające lżejszy izotop , tlen-16, parują nieco szybciej niż cząsteczki wody zawierające o 12% cięższy tlen-18, a różnica ta wzrasta w niższych temperaturach. W okresach niższych globalnych temperatur śnieg i deszcz z odparowanej wody mają zwykle wyższą zawartość tlenu-16, a pozostała woda morska ma zwykle wyższą zawartość tlenu-18. Organizmy morskie wprowadzają wtedy do swoich szkieletów i muszli więcej tlenu-18 niż w cieplejszym klimacie. Paleoklimatolodzy mierzą również bezpośrednio ten stosunek w cząsteczkach wody rdzeni lodowych sprzed setek tysięcy lat.

Geolodzy planetarni zmierzyli względne ilości izotopów tlenu w próbkach z Ziemi , Księżyca , Marsa i meteorytów , ale przez długi czas nie byli w stanie uzyskać wartości odniesienia dla stosunków izotopów w Słońcu , uważanych za takie same jak w pierwotnym mgławica słoneczna . Analiza krzemowej wystawionej na działanie wiatru słonecznego w kosmosie i zwróconej przez rozbity statek kosmiczny Genesis wykazało, że Słońce ma wyższy udział tlenu-16 niż Ziemia. Pomiar sugeruje, że nieznany proces wyczerpał tlen-16 z dysku słonecznego materiału protoplanetarnego przed koalescencją ziaren pyłu, które utworzyły Ziemię.

Tlen ma dwa spektrofotometryczne pasma absorpcji osiągające maksimum przy długościach fali 687 i 760 nm . Niektórzy zajmujący się teledetekcją zaproponowali wykorzystanie pomiaru promieniowania pochodzącego z koron roślinnych w tych pasmach do scharakteryzowania stanu zdrowia roślin z platformy satelitarnej . Podejście to wykorzystuje fakt, że w tych pasmach możliwe jest odróżnienie współczynnika odbicia roślinności od jej fluorescencji , która jest znacznie słabsza. Pomiar jest trudny technicznie ze względu na niski poziom stosunek sygnału do szumu i fizyczna struktura roślinności; ale zaproponowano ją jako możliwą metodę monitorowania obiegu węgla z satelitów w skali globalnej.

Produkcja biologiczna i rola O ₂

Główny artykuł: Ditlen w reakcjach biologicznych

Fotosynteza i oddychanie

Fotosynteza rozszczepia wodę, uwalniając O
₂ i wiążąc CO
₂ w cukier w tak zwanym cyklu Calvina .

W naturze wolny tlen jest wytwarzany przez rozszczepianie wody pod wpływem światła podczas fotosyntezy tlenowej . Według niektórych szacunków zielone algi i sinice w środowiskach morskich dostarczają około 70% wolnego tlenu produkowanego na Ziemi, a resztę wytwarzają rośliny lądowe. Inne szacunki wkładu oceanów w tlen atmosferyczny są wyższe, podczas gdy niektóre szacunki są niższe, co sugeruje, że oceany wytwarzają każdego roku ~ 45% ziemskiego tlenu atmosferycznego.

Uproszczona ogólna formuła fotosyntezy to

6 CO ₂ + 6 H
₂ O + fotony → C
₆ H
₁₂ O
₆ + 6 O
₂

lub po prostu

dwutlenek węgla + woda + światło słoneczne → glukoza + ditlen

Fotolityczna ewolucja tlenu zachodzi w błonach tylakoidów organizmów fotosyntetyzujących i wymaga energii czterech fotonów . W grę wchodzi wiele etapów, ale rezultatem jest utworzenie gradientu protonów przez błonę tylakoidów, który jest używany do syntezy trifosforanu adenozyny (ATP) poprzez fotofosforylację . Pozostały O 2 (po wytworzeniu cząsteczki wody
₎ jest uwalniany do atmosfery.

Tlen jest wykorzystywany w mitochondriach do wytwarzania ATP podczas fosforylacji oksydacyjnej . Reakcja oddychania tlenowego jest zasadniczo odwrotnością fotosyntezy i jest uproszczona jako

C
₆ H
₁₂ O
₆ + 6 O
₂ → 6 CO ₂ + 6 H
₂ O + 2880 kJ/mol

U kręgowców O
₂ dyfunduje przez błony w płucach i do krwinek czerwonych . Hemoglobina wiąże O
₂ , zmieniając kolor z niebieskawo-czerwonego na jaskrawoczerwony ( CO
₂ jest uwalniany z innej części hemoglobiny poprzez efekt Bohra ). Inne zwierzęta używają hemocyjaniny ( mięczaki i niektóre stawonogi ) lub hemerytryny ( pająki i homary ) ). Litr krwi może rozpuścić 200 cm ³ O 2
_.

Aż do odkrycia beztlenowych metazoa uważano, że tlen jest niezbędny dla całego złożonego życia.

Reaktywne formy tlenu , takie jak jon ponadtlenkowy ( O
⁻ ₂ ) i nadtlenek wodoru ( H
₂ O
₂ ), są reaktywnymi produktami ubocznymi wykorzystania tlenu przez organizmy. Części układu odpornościowego organizmów wyższych wytwarzają nadtlenek, nadtlenek i tlen singletowy, aby zniszczyć inwazyjne drobnoustroje. Reaktywne formy tlenu odgrywają również ważną rolę w nadwrażliwości roślin na atak patogenów. Tlen jest szkodliwy dla organizmów bezwzględnie beztlenowych , które były dominującą formą wczesnego życia na Ziemi, dopóki O
₂ nie zaczął gromadzić się w atmosferze około 2,5 miliarda lat temu podczas Wielkiego Wydarzenia Natlenienia , około miliarda lat po pierwszym pojawieniu się tych organizmów.

Dorosły człowiek w stanie spoczynku wdycha od 1,8 do 2,4 grama tlenu na minutę. Odpowiada to ponad 6 miliardom ton tlenu wdychanego przez ludzkość rocznie.

Organizmy żywe

Ciśnienia cząstkowe tlenu w organizmie człowieka (PO ₂ )

Jednostka	ciśnienie gazów płucnych	Tlen we krwi tętniczej	Gazometria krwi żylnej
kPa	14.2	11-13	4,0-5,3
mmHg	107	75-100	30-40

Ciśnienie cząstkowe wolnego tlenu w ciele żywego organizmu kręgowca jest najwyższe w układzie oddechowym i zmniejsza się odpowiednio wzdłuż każdego układu tętniczego , tkanek obwodowych i układu żylnego . Ciśnienie cząstkowe to ciśnienie, jakie miałby tlen, gdyby sam zajmował objętość.

Nagromadzenie w atmosferze

Główny artykuł: Geologiczna historia tlenu

Nagromadzenie O
_{2 w atmosferze ziemskiej: 1) brak} produkcji O
_{2 ;} 2) O
₂ produkowane, ale wchłaniane przez oceany i skały dna morskiego; 3) O
₂ zaczyna się wygazowywać z oceanów, ale jest pochłaniany przez powierzchnie lądowe i tworzenie się warstwy ozonowej; 4–5) O
₂ są wypełnione i gromadzi się gaz

Wolny gazowy tlen prawie nie istniał w ziemskiej atmosferze przed ewolucją fotosyntetycznych archeonów i bakterii , prawdopodobnie około 3,5 miliarda lat temu. Wolny tlen pojawił się po raz pierwszy w znacznych ilościach podczas paleoproterozoicznego (między 3,0 a 2,3 miliarda lat temu). Nawet jeśli w oceanach było dużo rozpuszczonego żelaza , kiedy fotosynteza tlenowa stawała się coraz bardziej powszechna, wydaje się, że pasmowe formacje żelaza zostały utworzone przez beztlenowe lub mikroaerofilne bakterie utleniające żelazo, które dominowały w głębszych obszarach oceanu. strefa foticzna , podczas gdy sinice produkujące tlen pokrywały płycizny. Wolny tlen zaczął wydzielać się z oceanów 3–2,7 miliarda lat temu, osiągając 10% obecnego poziomu około 1,7 miliarda lat temu.

Obecność dużych ilości rozpuszczonego i wolnego tlenu w oceanach i atmosferze mogła doprowadzić do wyginięcia większości istniejących organizmów beztlenowych podczas Wielkiego Zdarzenia Utlenienia ( katastrofy tlenowej ) około 2,4 miliarda lat temu. Oddychanie komórkowe przy użyciu O
₂ umożliwia organizmom tlenowym wytwarzanie znacznie większej ilości ATP niż organizmom beztlenowym. Oddychanie komórkowe O
₂ występuje u wszystkich eukariontów , w tym wszystkie złożone organizmy wielokomórkowe, takie jak rośliny i zwierzęta.

Od początku okresu kambru 540 milionów lat temu poziomy O
_{2 w atmosferze} wahały się między 15% a 30% objętościowo. Pod koniec karbonu (około 300 milionów lat temu) poziom O
_{2 w atmosferze} osiągnął maksimum 35% objętości, co mogło przyczynić się do dużych rozmiarów owadów i płazów w tym czasie.

Wahania stężenia tlenu w atmosferze ukształtowały klimat w przeszłości. Kiedy tlen spadł, gęstość atmosfery spadła, co z kolei zwiększyło parowanie powierzchniowe, powodując wzrost opadów i wyższe temperatury.

O
₂ w obecnej atmosferze zajęłaby około 2000 lat .

Pozaziemski wolny tlen

Główny artykuł: Atmosfera pozaziemska

W dziedzinie astrobiologii i poszukiwań życia pozaziemskiego tlen jest silnym biosygnaturą . To powiedziawszy, może to nie być określona biosygnatura, prawdopodobnie wytwarzana abiotycznie na ciałach niebieskich z procesami i warunkami (takimi jak osobliwa hydrosfera ), które pozwalają na wolny tlen, jak w rzadkich atmosferach tlenowych Europy i Ganimedesa .

Produkcja przemysłowa

Zobacz też: Separacja powietrza , Wydzielanie tlenu i Destylacja frakcyjna

Aparat do elektrolizy Hofmanna stosowany w elektrolizie wody.

Sto milionów ton O
₂ jest pozyskiwanych z powietrza do zastosowań przemysłowych rocznie dwoma podstawowymi metodami. Najbardziej powszechną metodą jest destylacja frakcyjna skroplonego powietrza, w której N
₂ jest destylowany w postaci pary, podczas gdy O
₂ pozostaje w postaci cieczy.

Inną podstawową metodą produkcji O
₂ jest przepuszczanie strumienia czystego, suchego powietrza przez jedno złoże pary identycznych zeolitowych sit molekularnych, które pochłaniają azot i dostarczają strumień gazu o zawartości od 90% do 93% O
₂ . Równocześnie uwalniany jest azot z drugiego złoża zeolitu nasyconego azotem, poprzez zmniejszenie ciśnienia roboczego komory i skierowanie przez nią części gazowego tlenu ze złoża wytwórczego w odwrotnym kierunku przepływu. Po ustalonym czasie cyklu działanie dwóch złóż jest zamieniane, umożliwiając w ten sposób ciągły dopływ gazowego tlenu, który ma być pompowany rurociągiem. Jest to znane jako adsorpcja zmiennociśnieniowa . Gazowy tlen jest coraz częściej uzyskiwany za pomocą tych niekriogenicznych technologii (zob. również powiązaną adsorpcję zmiennociśnieniową ).

Gazowy tlen można również wytwarzać poprzez elektrolizę wody na tlen cząsteczkowy i wodór. Należy używać prądu stałego: jeśli używany jest prąd przemienny, gazy w każdej kończynie składają się z wodoru i tlenu w stosunku wybuchowości 2:1. Podobną metodą jest elektrokatalityczne O2
_z tlenków i oksokwasów . Można również stosować katalizatory chemiczne, na przykład w chemicznych generatorach tlenu lub świece tlenowe, które są używane jako część wyposażenia podtrzymującego życie na łodziach podwodnych i nadal są częścią standardowego wyposażenia komercyjnych samolotów pasażerskich w przypadku nagłego obniżenia ciśnienia. Inną metodą separacji powietrza jest wymuszenie rozpuszczenia powietrza przez ceramiczne na bazie dwutlenku cyrkonu za pomocą wysokiego ciśnienia lub prądu elektrycznego, w celu wytworzenia prawie czystego
_gazowego O2 .

Składowanie

tlenem i gazem MAPP wraz z reduktorami

magazynowania tlenu obejmują wysokociśnieniowe zbiorniki tlenu , kriogeniki i związki chemiczne. Ze względów ekonomicznych tlen jest często transportowany luzem w postaci cieczy w specjalnie izolowanych cysternach, ponieważ jeden litr skroplonego tlenu odpowiada 840 litrom gazowego tlenu pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 20 ° C (68 ° F). Takie cysterny służą do uzupełniania masowych pojemników do przechowywania ciekłego tlenu, które stoją przed szpitalami i innymi instytucjami, które potrzebują dużych ilości czystego tlenu gazowego. Ciekły tlen przepływa przez wymienniki ciepła , które zamieniają ciecz kriogeniczną w gaz przed wejściem do budynku. Tlen jest również przechowywany i transportowany w mniejszych butlach zawierających sprężony gaz; forma przydatna w niektórych przenośnych zastosowaniach medycznych oraz spawaniu i cięciu tlenowo-paliwowym .

Aplikacje

Zobacz też: Gaz oddechowy , redoks i spalanie

Medyczny

Koncentrator tlenu w domu chorego na rozedmę płuc

Główny artykuł: Terapia tlenowa

Pobieranie O
₂ z powietrza jest podstawowym celem oddychania , dlatego w medycynie stosuje się suplementację tlenem . Leczenie nie tylko zwiększa poziom tlenu we krwi pacjenta, ale ma drugorzędny skutek w postaci zmniejszenia oporu przepływu krwi w wielu rodzajach chorych płuc, zmniejszając obciążenie serca. Tlenoterapię stosuje się w leczeniu rozedmy płuc , zapalenia płuc , niektórych chorób serca ( zastoinowa niewydolność serca ) , niektórych chorób powodujących zwiększone ciśnienie w tętnicy płucnej oraz wszelkie choroby upośledzające zdolność organizmu do pobierania i wykorzystywania tlenu w postaci gazowej.

Zabiegi są wystarczająco elastyczne, aby można je było stosować w szpitalach, w domu pacjenta lub coraz częściej za pomocą urządzeń przenośnych. Namioty tlenowe były kiedyś powszechnie stosowane w suplementacji tlenem, ale od tego czasu zostały zastąpione głównie przez stosowanie masek tlenowych lub kaniul do nosa .

hiperbaryczna (wysokociśnieniowa) wykorzystuje specjalne komory tlenowe do zwiększania ciśnienia cząstkowego O
₂ wokół pacjenta iw razie potrzeby personelu medycznego. Zatrucie tlenkiem węgla , zgorzel gazowa i choroba dekompresyjna („zakręty”) są czasami leczone tą terapią. Zwiększone O
₂ w płucach pomaga wypierać tlenek węgla z grupy hemowej hemoglobiny . Gazowy tlen jest trujący dla bakterie beztlenowe , które powodują zgorzel gazową, więc zwiększenie jej ciśnienia parcjalnego pomaga je zabić. Choroba dekompresyjna występuje u nurków, którzy rozprężają się zbyt szybko po nurkowaniu, w wyniku czego we krwi tworzą się pęcherzyki gazu obojętnego, głównie azotu i helu. Zwiększanie ciśnienia O
₂ tak szybko, jak to możliwe, pomaga ponownie rozpuścić pęcherzyki z powrotem we krwi, tak aby te nadmiarowe gazy mogły być naturalnie wydychane przez płuca. Podawanie tlenu normobarycznego w najwyższym dostępnym stężeniu jest często stosowane jako pierwsza pomoc w przypadku wszelkich urazów nurkowych, które mogą obejmować tworzenie się pęcherzyków gazu obojętnego w tkankach. Istnieje epidemiologiczne poparcie dla jego stosowania ze statystycznego badania przypadków zarejestrowanych w długoterminowej bazie danych.

Podtrzymywanie życia i użytkowanie rekreacyjne

O2
_skafandrach pod niskim ciśnieniem jest używany w kosmicznych .

Zastosowanie O
_{2 jako} gazu oddechowego o niskim ciśnieniu ma miejsce w nowoczesnych skafandrach kosmicznych , które otaczają ciało użytkownika gazem oddechowym. Urządzenia te wykorzystują prawie czysty tlen przy około jednej trzeciej normalnego ciśnienia, co skutkuje normalnym ciśnieniem parcjalnym krwi O
₂ . Ten kompromis pomiędzy wyższym stężeniem tlenu a niższym ciśnieniem jest potrzebny do utrzymania elastyczności skafandra.

Płetwonurkowie i marynarze podwodni żywiący się akwalungiem i powierzchniowo również polegają na sztucznie dostarczanym O
₂ . Okręty podwodne, łodzie podwodne i atmosferyczne skafandry do nurkowania zwykle działają przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Powietrze do oddychania jest oczyszczane z dwutlenku węgla przez ekstrakcję chemiczną, a tlen jest zastępowany w celu utrzymania stałego ciśnienia parcjalnego. pod ciśnieniem atmosferycznym oddychają powietrzem lub mieszaninami gazów z frakcją tlenu dostosowaną do głębokości operacyjnej. Czysty lub prawie
_czysty O2 użycie w nurkowaniu przy ciśnieniach wyższych niż atmosferyczne jest zwykle ograniczone do rebreatherów lub dekompresji na stosunkowo płytkich głębokościach (~ 6 metrów głębokości lub mniej) lub leczenia w komorach dekompresyjnych przy ciśnieniach do 2,8 bara, gdzie można zarządzać ostrą toksycznością tlenu bez ryzyka utonięcia. Głębsze nurkowanie wymaga znacznego rozcieńczenia O
₂ innymi gazami, takimi jak azot lub hel, aby zapobiec toksyczności tlenu .

Ludzie, którzy wspinają się po górach lub latają stałopłatami bezciśnieniowymi, czasami O2 .
_mają dodatkowe zapasy Samoloty komercyjne z kabiną ciśnieniową są wyposażone w awaryjne źródło
_tlenu , które jest automatycznie dostarczane pasażerom w przypadku rozhermetyzowania kabiny. Nagła utrata ciśnienia w kabinie aktywuje chemiczne generatory tlenu nad każdym siedzeniem, powodując opadnięcie masek tlenowych . Naciąganie masek „w celu rozpoczęcia przepływu tlenu” zgodnie z instrukcjami bezpieczeństwa w kabinie powoduje wtłaczanie opiłków żelaza do chloranu sodu wewnątrz pojemnika. Następnie w wyniku reakcji egzotermicznej wytwarzany jest stały strumień gazowego tlenu .

Tlen, jako środek o łagodnym działaniu euforycznym , ma historię stosowania rekreacyjnego w barach tlenowych iw sporcie . Bary tlenowe to lokale znajdujące się w Stanach Zjednoczonych od późnych lat 90-tych, które oferują wyższą niż normalna na O
₂ za minimalną opłatą. Zawodowi sportowcy, zwłaszcza w futbolu amerykańskim , czasami schodzą z boiska między meczami, aby założyć maski tlenowe, aby poprawić wydajność. Wątpliwy jest efekt farmakologiczny; placebo _ efekt jest bardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem. Dostępne badania potwierdzają wzrost wydajności dzięki mieszankom wzbogaconym w tlen tylko wtedy, gdy jest on wdychany podczas ćwiczeń aerobowych .

Inne zastosowania rekreacyjne, które nie wymagają oddychania, obejmują zastosowania pirotechniczne , takie jak pięciosekundowy zapłon grilla George'a Goble'a .

Przemysłowy

Większość produkowanego komercyjnie
_O2 jest używana do wytapiania i/lub odwęglania żelaza .

Wytapianie rudy żelaza w stal zużywa 55% tlenu produkowanego komercyjnie. W tym procesie O
₂ jest wtryskiwany przez lancę wysokociśnieniową do stopionego żelaza, które usuwa zanieczyszczenia siarkowe i nadmiar węgla w postaci odpowiednich tlenków, SO
₂ i CO
₂ . Reakcje są egzotermiczne , więc temperatura wzrasta do 1700° C .

Kolejne 25% produkowanego komercyjnie tlenu zużywa przemysł chemiczny. Etylen reaguje z O2
_glikol , tworząc tlenek etylenu , który z kolei przekształca się w etylenowy ; podstawowy materiał zasilający używany do produkcji wielu produktów, w tym przeciw zamarzaniu i poliestrów (prekursorów wielu tworzyw sztucznych i tkanin ).

Większość z pozostałych 20% tlenu produkowanego komercyjnie jest wykorzystywana do zastosowań medycznych, cięcia i spawania metali , jako utleniacz w paliwie rakietowym oraz do uzdatniania wody . Tlen jest używany do O2
_spawania tlenowo-acetylenowego , spalającego acetylen z w celu wytworzenia bardzo gorącego płomienia. W tym procesie metal o grubości do 60 cm (24 cali) jest O2
_najpierw podgrzewany małym płomieniem acetylenowo-tlenowym, a następnie szybko cięty dużym strumieniem .

związki

Główny artykuł: Związki tlenu

Woda ( H
₂ O ) jest najbardziej znanym związkiem tlenu.

Stopień utlenienia tlenu wynosi -2 w prawie wszystkich znanych związkach tlenu. Stopień utlenienia -1 występuje w kilku związkach, takich jak nadtlenki . Związki zawierające tlen na innych stopniach utlenienia są bardzo rzadkie: -1/2 ( nadtlenki ), -1/3 ( ozonki ), 0 ( pierwiastek , kwas podfluorowy ), +1/2 ( dioksygenyl ), +1 ( difluorek tlenu ), i +2 ( difluorek tlenu ).

Tlenki i inne związki nieorganiczne

Woda ( H
₂ O ) jest tlenkiem wodoru i najbardziej znanym związkiem tlenu. Atomy wodoru są kowalencyjnie związane z tlenem w cząsteczce wody, ale mają również dodatkowe przyciąganie (około 23,3 kJ/mol na atom wodoru) do sąsiedniego atomu tlenu w oddzielnej cząsteczce. Te wiązania wodorowe między cząsteczkami wody utrzymują je o około 15% bliżej niż można by się spodziewać w prostej cieczy z samymi siłami van der Waalsa .

Tlenki, takie jak tlenek żelaza lub rdza , powstają, gdy tlen łączy się z innymi pierwiastkami.

Ze względu na swoją elektroujemność tlen tworzy wiązania chemiczne z prawie wszystkimi innymi pierwiastkami, dając odpowiednie tlenki . Powierzchnia większości metali, takich jak aluminium i tytan , utlenia się w obecności powietrza i pokrywa cienką warstwą tlenku, który pasywuje metal i spowalnia dalszą korozję . Wiele tlenków metali przejściowych to związki niestechiometryczne , zawierające nieco mniej metalu niż wzór chemiczny pokazałby. Na przykład minerał FeO ( wüstite ) jest zapisywany jako ${\ Displaystyle {\ ce {Fe}} _ {1-x} {\ ce {O}}}$ , gdzie x wynosi zwykle około 0,05.

Tlen występuje w atmosferze w śladowych ilościach w postaci dwutlenku węgla ( CO
₂ ). Skały skorupy ziemskiej składają się w dużej części z tlenków krzemu ( krzemionka SiO
₂ , występująca w granicie i kwarcu ), glinu ( tlenek glinu Al
₂ O
₃ , w boksycie i korundie ), żelaza ( tlenek żelaza(III) Fe
₂ O
₃ , w hematycie i rdzy ) oraz węglanie wapnia (w wapieniu ). Reszta skorupy ziemskiej jest również zbudowana ze związków tlenu, w szczególności różnych złożonych krzemianów (w minerałach krzemianowych ). Płaszcz Ziemi, o znacznie większej masie niż skorupa, składa się głównie z krzemianów magnezu i żelaza.

Rozpuszczalne w wodzie krzemiany w postaci Na
₄ SiO
₄ , Na
₂ SiO
₃ , Na
₂ Si
₂ O
₅ są stosowane jako detergenty i kleje .

Tlen działa również jako ligand dla metali przejściowych, tworząc kompleksy metali przejściowych z tlenem , które zawierają metal- O
₂ . Ta klasa związków obejmuje białka hemowe , hemoglobinę i mioglobinę . Egzotyczna i niezwykła reakcja zachodzi z PtF
₆ , który utlenia tlen dając O ₂ ⁺ PtF ₆ ⁻ , heksafluoroplatynian dioksygenylu .

Związki organiczne

Aceton jest ważnym materiałem zasilającym w przemyśle chemicznym.

 Tlen

 Węgiel

 Wodór

Do najważniejszych klas związków organicznych zawierających tlen należą (gdzie „R” oznacza grupę organiczną): alkohole (R-OH); etery (ROR); ketony (R-CO-R); aldehydy (R-CO-H); kwasy karboksylowe (R-COOH); estry (R-COO-R); bezwodniki kwasowe (R-CO-O-CO-R); i amidy ( RC(O)-NR2
₎ . Istnieje wiele ważnych rozpuszczalników organicznych zawierających tlen, w tym: aceton , metanol , etanol , izopropanol , furan , THF , eter dietylowy , dioksan , octan etylu , DMF , DMSO , kwas octowy i kwas mrówkowy . Aceton ( (CH
₃ )
₂ CO ) i fenol ( C
₆ H
₅ OH ) są wykorzystywane jako materiały pomocnicze w syntezie wielu różnych substancji. Inne ważne związki organiczne zawierające tlen to: glicerol , formaldehyd , aldehyd glutarowy , kwas cytrynowy , bezwodnik octowy i acetamid . Epoksydy to etery, w których atom tlenu jest częścią pierścienia złożonego z trzech atomów. Pierwiastek występuje podobnie w prawie wszystkich biomolekułach , które są ważne dla (lub generowane przez) życie.

Tlen reaguje spontanicznie z wieloma związkami organicznymi w temperaturze pokojowej lub niższej w procesie zwanym samoutlenianiem . Większość związków organicznych zawierających tlen nie powstaje w wyniku bezpośredniego działania O
₂ . Ważnymi w przemyśle i handlu związkami organicznymi, które powstają w wyniku bezpośredniego utleniania prekursora, są tlenek etylenu i kwas nadoctowy .

Bezpieczeństwo i środki ostrożności

Tlen

Zagrożenia
Oznakowanie GHS :
Piktogramy
Zwroty wskazujące rodzaj zagrożenia	H272
Zwroty wskazujące środki ostrożności	P220 , P244 , P370+P376 , P403
NFPA 704 (ognisty diament)	0 0 1 WÓŁ

NFPA 704 klasyfikuje sprężony tlen jako nieszkodliwy dla zdrowia, niepalny i niereaktywny, ale utleniacz. Schłodzony ciekły tlen (LOX) ma ocenę zagrożenia dla zdrowia 3 (ze względu na zwiększone ryzyko hiperoksji spowodowanej skondensowanymi oparami oraz zagrożenia wspólne dla cieczy kriogenicznych, takie jak odmrożenia), a wszystkie inne oceny są takie same jak w przypadku sprężonego gazu.

Toksyczność

Główny artykuł: Toksyczność tlenu

Główne objawy zatrucia tlenem

Gazowy tlen ( O
₂ ) może być toksyczny przy podwyższonym ciśnieniu cząstkowym , prowadząc do drgawek i innych problemów zdrowotnych. O2 na poziomie morza, wynoszącego około 21 kPa.
_{Toksyczność} tlenu zwykle zaczyna występować przy ciśnieniu cząstkowym większym niż 50 kilopaskali ( kPa), równym około 50% składowi tlenu przy ciśnieniu normalnym lub 2,5-krotności normalnego ciśnienia cząstkowego Nie stanowi to problemu, z wyjątkiem pacjentów podłączonych do respiratorów mechanicznych , ponieważ gaz dostarczany jest przez maski tlenowe w zastosowaniach medycznych zazwyczaj składa się tylko z 30–50% .
_{objętościowych} O2 (około 30 kPa przy standardowym ciśnieniu)

Kiedyś wcześniaki umieszczano w inkubatorach zawierających powietrze bogate w O
₂ , ale praktyka ta została przerwana po tym, jak niektóre dzieci zostały oślepione przez zbyt wysoką zawartość tlenu.

Oddychanie czystym O2
_Apollo w zastosowaniach kosmicznych, takich jak niektóre nowoczesne skafandry kosmiczne lub we wczesnych statkach kosmicznych, takich jak , nie powoduje żadnych szkód ze względu na stosowane niskie całkowite ciśnienie. W przypadku skafandrów kosmicznych O
₂ w gazie do oddychania wynosi na ogół około 30 kPa (1,4 razy normalne), a wynikowe ciśnienie cząstkowe O
₂ we krwi tętniczej astronauty jest tylko nieznacznie wyższe niż normalne ciśnienie na poziomie morza Ciśnienie
_cząstkowe O2 .

Toksyczne działanie tlenu na płuca i ośrodkowy układ nerwowy może również wystąpić podczas głębokiego nurkowania z akwalungiem i nurkowania z zasilaniem powierzchniowym . Długotrwałe oddychanie mieszaniną powietrza o O
₂ powyżej 60 kPa może ostatecznie doprowadzić do trwałego zwłóknienia płuc . Ekspozycja na O
₂ większe niż 160 kPa (około 1,6 atm) może prowadzić do konwulsji (zwykle śmiertelnych dla nurków). Ostra toksyczność tlenowa (powodująca drgawki, której najbardziej obawiają się nurkowie) może wystąpić podczas oddychania mieszanką powietrza zawierającą 21% O
₂ na głębokości 66 m (217 stóp) lub większej; to samo może nastąpić przy oddychaniu 100% O
₂ z odległości zaledwie 6 m (20 stóp).

Spalanie i inne zagrożenia

Wnętrze modułu dowodzenia Apollo 1 . Czysty O2
_Apollo pod ciśnieniem wyższym niż normalne i iskra doprowadziły do ​​pożaru i utraty załogi 1 .

Wysoko skoncentrowane źródła tlenu sprzyjają szybkiemu spalaniu. Zagrożenie pożarem i wybuchem występuje, gdy w pobliżu znajdują się skoncentrowane utleniacze i paliwa ; zdarzenie zapłonu, takie jak ciepło lub iskra, jest potrzebne do zainicjowania spalania. Tlen jest utleniaczem, a nie paliwem.

Skoncentrowany O
₂ pozwoli na szybkie i energiczne spalanie. Stalowe rury i zbiorniki magazynowe używane do przechowywania i przesyłania zarówno gazowego, jak i ciekłego tlenu będą działać jako paliwo; dlatego projektowanie i produkcja O
₂ wymaga specjalnego przeszkolenia w celu zminimalizowania źródeł zapłonu. Pożar, który zabił Apollo 1 podczas testu wyrzutni, rozprzestrzenił się tak szybko, ponieważ kapsuła była wypełniona czystym
_O2 , ale pod ciśnieniem nieco wyższym od atmosferycznego, zamiast 1 ⁄ 3 normalnego ciśnienia, które byłoby używane podczas misji.

Wycieki ciekłego tlenu, jeśli pozwolą się wsiąknąć w materię organiczną, taką jak drewno , produkty petrochemiczne i asfalt , mogą spowodować nieprzewidywalną detonację tych materiałów w wyniku późniejszego uderzenia mechanicznego.

Zobacz też

• Geologiczna historia tlenu
• Niedotlenienie (środowiskowe) dla wyczerpania O
  ₂ w ekologii wodnej
• Odtlenienie oceanów
• Niedotlenienie (medyczne) , brak tlenu
• Ograniczenie stężenia tlenu
• Związki tlenu
• Roślina tlenowa
• Czujnik tlenu

Notatki

Ogólne odniesienia

•   Cook, Gerhard A.; Lauer, Carol M. (1968). „Tlen” . W Clifford A. Hampel (red.). Encyklopedia pierwiastków chemicznych . Nowy Jork: Reinhold Book Corporation. s. 499–512 . LCCN 68-29938 .
•   Emsley, John (2001). „Tlen” . Bloki konstrukcyjne natury: przewodnik A – Z po elementach . Oxford, Anglia: Oxford University Press. s. 297–304 . ISBN 978-0-19-850340-8 .
•   Kruk, Peter H.; Evert, Ray F.; Eichhorn, Susan E. (2005). Biologia roślin (wyd. 7). Nowy Jork: WH Freeman and Company Publishers. s. 115–27 . ISBN 978-0-7167-1007-3 .

Linki zewnętrzne

• Tlen w układzie okresowym filmów (University of Nottingham)
• Utleniacze > Tlen
• Tlen (O ₂ ) Właściwości, zastosowania, zastosowania
• Artykuł Roalda Hoffmanna na temat „The Story of O”
• WebElements.com – Tlen
• Tlen w naszych czasach w BBC
• Scripps Institute: Tlen atmosferyczny spada od 20 lat