MOLEKULÁRNÍ KYSLÍK: STRUKTURA, VLASTNOSTI, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Molekulární kyslík nebo dioxygen, také volal diatomic kyslík nebo plyn, je nejčastější základní způsob, jak je tento prvek na Zemi. Jeho vzorec je O ₂, což je tedy diatomická a homonukleární molekula, zcela nepolární.

Vzduch, který dýcháme, je tvořen asi 21% kyslíku jako O ₂ molekuly. Jak stoupáme, koncentrace kyslíku se snižují a zvyšuje se přítomnost ozonu O ₃. Naše tělo využívá O ₂ k okysličování tkání a provádění buněčného dýchání.

Bez kyslíku obohacujícího naši atmosféru by byl život neudržitelným jevem. Zdroj: Pixabay.

O ₂ je také zodpovědný za existenci ohně: bez něj by bylo téměř nemožné, aby došlo k požáru a spalování. Je to proto, že jeho hlavní vlastnost spočívá v tom, že je silným oxidačním činidlem, získává elektrony nebo se redukuje v molekule vody nebo v oxidových aniontech, O ^2-.

Molekulární kyslík je nezbytný pro nesčetné aerobní procesy, které mají aplikace v metalurgii, medicíně a čištění odpadních vod. Tento plyn je prakticky synonymem pro teplo, dýchání, oxidaci a na druhé straně s mrazivými teplotami, když je v kapalném stavu.

Struktura molekulárního kyslíku

Molekulární struktura plynného kyslíku. Zdroj: Benjah-bmm27 prostřednictvím Wikipedie.

Na horním obrázku máme molekulární strukturu plynného kyslíku reprezentovanou různými modely. Poslední dvě ukazují charakteristiky kovalentní vazby, která drží atomy kyslíku pohromadě: dvojná vazba O = O, ve které každý atom kyslíku dokončí svůj valenční oktet.

O ₂ molekula je lineární, homonukleární a symetrické. Jeho dvojná vazba má délku 121 pm. Tato krátká vzdálenost znamená, že k přerušení vazby O = O je vyžadována značná energie (498 kJ / mol), a proto je to relativně stabilní molekula.

Pokud by tomu tak nebylo, kyslík v atmosféře by se časem úplně degradoval, nebo by vzduch z ničeho nevstřelil oheň.

Vlastnosti

Fyzický vzhled

Molekulární kyslík je bezbarvý, bez chuti a bez zápachu, ale když kondenzuje a krystalizuje, získává namodralé tóny.

Molární hmotnost

32 g / mol (zaokrouhlená hodnota)

Bod tání

-218 ° C

Bod varu

-183

Rozpustnost

Molekulární kyslík je ve vodě špatně rozpustný, ale dostatečný pro podporu mořské fauny. Pokud by byla vaše rozpustnost vyšší, bylo by méně pravděpodobné, že byste umřeli utopením. Na druhé straně je jeho rozpustnost v nepolárních olejích a kapalinách mnohem vyšší, protože je může pomalu oxidovat a ovlivňovat tak jejich původní vlastnosti.

Energetické stavy

Molekulární kyslík je látka, kterou nelze pomocí teorie valenčních vazeb (VTE) plně popsat.

Elektronická konfigurace kyslíku je následující:

2s² 2p⁴

Má jeden pár nepárových elektronů (O:). Když se setkají dva atomy kyslíku, vytvoří se vazba O = O dvojná vazba, čímž se dokončí valenční oktet.

Proto je O ₂ molekula by měla být diamagnetický, se všemi svými elektrony spárované. Jde však o paramagnetickou molekulu, což je vysvětleno diagramem jejích molekulárních orbitálů:

Molekulární orbitální diagram pro kyslíkový plyn. Zdroj: Anthony.Sebastian / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

To znamená, že molekulární okružní teorie (TOM) nejlépe popisuje O ₂. Dva nepárové elektrony jsou umístěny ve vysokoenergetických π ^* molekulárních orbitálech a dodávají kyslíku jeho paramagnetický charakter.

Ve skutečnosti tento energetický stav odpovídá trojnásobnému kyslíku, ³ O ₂, který je ze všech převládající. Druhý energetický stav kyslíku, méně hojný na Zemi, je singlet, ¹ O ₂.

Transformace

Molekulární kyslík je značně stabilní, pokud není ve styku s žádnou látkou, která je náchylná k oxidaci, mnohem méně, pokud neexistuje blízký zdroj intenzivního tepla, jako je jiskra. Je to proto, že O ₂ má vysokou tendenci se redukovat, získávat elektrony z jiných atomů nebo molekul.

Když je redukována, je schopna vytvořit široké spektrum vazeb a tvarů. Pokud vytvoří kovalentní vazby, učiní tak s atomy méně elektronegativními než je sám, včetně vodíku, za vzniku vody, HOH. Může také vesmírovat uhlík, vytvářet CO vazby a různé typy okysličených organických molekul (ethery, ketony, aldehydy atd.).

O ₂ může také získat elektrony k přeměně na peroxidové a superoxidové anionty, O ₂ ^2- a O ₂ ^-, v tomto pořadí. Když je převeden na peroxid v těle, peroxid vodíku, H ₂ O ₂, HOOH, se získá, škodlivé sloučeniny, která je zpracována působením specifických enzymů (peroxidázy a katalázy).

Na druhé straně, a neméně důležité, O ₂ reaguje s anorganickou hmotou, aby se stal oxidovým anionem, O ², čímž vytvoří nekonečný seznam mineralogických hmot, které ztluštějí zemskou kůru a plášť.

Aplikace

Svařování a spalování

Kyslík se používá ke spalování acetylenu a uvolňování extrémně horkého plamene, který je cenný při svařování. Zdroj: Sheila / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

Kyslík se používá k provádění spalovací reakce, při které je látka exotermicky oxidována a uvolňuje oheň. Tento oheň a jeho teplota se liší v závislosti na hořící látce. Tak lze získat velmi horké plameny, jako je acetylen (výše), s nimiž jsou svařovány kovy a slitiny.

Pokud ne pro kyslík, paliva nemohla spalovat a poskytovat veškerou jejich kalorickou energii, používanou ke spouštění raket nebo ke spouštění aut.

Oxidační činidlo v zelené chemii

Díky tomuto plynu je syntetizováno nebo průmyslově vyráběno nesčetné množství organických a anorganických oxidů. Tyto reakce jsou založeny na oxidační schopnosti molekulárního kyslíku, což je také jedno z nejvíce životaschopných činidel v zelené chemii pro získání farmaceutických produktů.

Asistované dýchání a čištění odpadních vod

Kyslík je životně důležitý pro uspokojení respiračních požadavků u pacientů se závažnými zdravotními podmínkami, u potápěčů při sestupu do mělkých hloubek a u horolezců, v jejichž nadmořské výšce je koncentrace kyslíku dramaticky snížena.

Kyslík také „živí“ aerobní bakterie, které pomáhají rozkládat znečišťující zbytky z odpadních vod nebo pomáhají rybám dýchat, ve vodných kulturách za účelem ochrany nebo obchodu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Allotropy kyslíku. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Hone, CA, Kappe, CO (2019). Využití molekulárního kyslíku pro aerobní oxidace v kapalné fázi v nepřetržitém toku. Top Curr Chem (Z) 377, 2. doi.org/10.1007/s41061-018-0226-z
4. Kevin Beck. (28. ledna 2020). 10 použití pro kyslík. Obnoveno z: sciencing.com
5. Cliffsnotes. (2020). Biochemie I: Chemie molekulárního kyslíku. Obnoveno z: cliffsnotes.com
6. Průmyslové zásoby GZ. (2020). Průmyslové výhody kyslíkového plynu. Obnoveno z: gz-supplies.com