Oxigênio
Oxigênio (O) , não metálico Elemento químico do Grupo 16 (VIa, ou ogrupo de oxigênio) do tabela periódica . O oxigênio é incolor, inodoro, insípido gás essencial para os organismos vivos, sendo absorvido pelos animais, que o convertem em carbono dióxido; as plantas, por sua vez, utilizam dióxido de carbono como fonte de carbono e devolver o oxigênio à atmosfera. Formas de oxigênio compostos por reação com praticamente qualquer outro elemento, bem como por reações que deslocam elementos de suas combinações entre si; em muitos casos, esses processos são acompanhados pela evolução do calor e da luz e, nesses casos, são chamados de combustões. É o mais importante composto é água.
Encyclopædia Britannica, Inc.
| número atômico | 8 |
|---|---|
| peso atômico | 15.9994 |
| ponto de fusão | -218,4 ° C (-361,1 ° F) |
| ponto de ebulição | −183,0 ° C (−297,4 ° F) |
| densidade (1 atm, 0 ° C) | 1,429 g / litro |
| estados de oxidação | -1, -2, +2 (em compostos com flúor) |
| configuração de elétrons. | 1 s doisdois s doisdois p 4 |
História
O oxigênio foi descoberto por volta de 1772 por um químico sueco, Carl Wilhelm Scheele , que o obteve aquecendo nitrato de potássio, óxido de mercúrio e muitas outras substâncias. Um químico inglês, Joseph Priestley, descobriu independentemente o oxigênio em 1774 pela decomposição térmica do óxido de mercúrio e publicou suas descobertas no mesmo ano, três anos antes de Scheele publicar. Em 1775-80, o químico francês Antoine-Laurent Lavoisie r, com notável percepção, interpretou o papel do oxigênio na respiração e também na combustão, descartando a teoria do flogisto, que havia sido aceita até então; ele notou sua tendência de formar ácidos combinando-se com muitas substâncias diferentes e, consequentemente, nomeou o elemento oxigênio ( oxigênio ) das palavras gregas para formador de ácido.
Ocorrência e propriedades
Com 46 por cento da massa, o oxigênio é o elemento mais abundante em Da terra crosta. A proporção de oxigênio em volume na atmosfera é de 21 por cento e em peso em água do mar é 89 por cento. Nas rochas, ele é combinado com metais e não metais na forma de óxidos que são ácidos (como os de enxofre , carbono, alumínio , e fósforo) ou básico (como os de cálcio , magnésio e ferro) e como compostos semelhantes ao sal que podem ser considerados formados a partir dos óxidos ácidos e básicos, como sulfatos, carbonatos, silicatos, aluminatos e fosfatos. Por mais abundantes que sejam, esses compostos sólidos não são úteis como fontes de oxigênio, devido à separação do elemento de suas combinações estreitas com o metal átomos é muito caro.
Abaixo de −183 ° C (−297 ° F), o oxigênio é um líquido azul claro; torna-se sólido a cerca de -218 ° C (-361 ° F). O oxigênio puro é 1,1 vezes mais pesado do que ar .
Durante a respiração, animais e alguns bactérias tomam oxigênio da atmosfera e devolvem a ele dióxido de carbono, ao passo que, pela fotossíntese, as plantas verdes assimilar dióxido de carbono na presença de luz solar e desenvolver oxigênio livre. Quase todo o oxigênio livre na atmosfera é devido à fotossíntese. Cerca de 3 partes de oxigênio por volume se dissolvem em 100 partes de água doce a 20 ° C (68 ° F), um pouco menos na água do mar. O oxigênio dissolvido é essencial para a respiração dos peixes e de outras formas de vida marinha.
O oxigênio natural é uma mistura de três isótopos estáveis: oxigênio-16 (99,759%), oxigênio-17 (0,037%) e oxigênio-18 (0,204%). Vários isótopos radioativos preparados artificialmente são conhecidos. O de vida mais longa, o oxigênio-15 (meia-vida de 124 segundos), tem sido usado para estudar a respiração em mamíferos.
Alotropia
O oxigênio tem duas formas alotrópicas, diatômicas (Odois) e triatômico (O3, ozônio). As propriedades da forma diatômica sugerem que seis elétrons ligam os átomos e dois elétrons permanecem desemparelhados, o que explica o paramagnetismo do oxigênio. Os três átomos no ozônio molécula não se deite ao longo de uma linha reta.
O ozônio pode ser produzido a partir do oxigênio de acordo com a equação:
O processo, conforme está escrito, é endotérmico (deve ser fornecida energia para fazê-lo prosseguir); a conversão do ozônio de volta em oxigênio diatômico é promovida pela presença de metais de transição ou seus óxidos. O oxigênio puro é parcialmente transformado em ozônio por uma descarga elétrica silenciosa; a reação também é provocada pela absorção de luz ultravioleta de comprimentos de onda em torno de 250 nanômetros (nm, o nanômetro, igual a 10-9metro); A ocorrência desse processo na alta atmosfera remove a radiação que seria prejudicial à vida na superfície da Terra. O odor pungente de ozônio é perceptível em áreas confinadas nas quais há faíscas de equipamentos elétricos, como em salas de gerador. O ozônio é azul claro; Está densidade é 1,658 vezes maior do que o ar, e tem um ponto de ebulição de -112 ° C (-170 ° F) à pressão atmosférica.
O ozônio é um poderoso agente oxidante, capaz de converterdióxido de enxofrepara trióxido de enxofre, sulfetos para sulfatos, iodetos para iodo (fornecendo um método analítico para sua estimativa) e muitos compostos orgânicos para derivados oxigenados, como aldeídos e ácidos. A conversão por ozônio de hidrocarbonetos de gases de exaustão automotivos a esses ácidos e aldeídos contribui para a natureza irritante de poluição . Comercialmente, o ozônio tem sido usado como reagente químico, desinfetante, tratamento de esgoto, purificação de água e branqueamento de tecidos.
Métodos preparativos
Os métodos de produção escolhidos para o oxigênio dependem da quantidade do elemento desejado. Os procedimentos de laboratório incluem o seguinte:
1. Decomposição térmica de certos sais, como clorato de potássio ou nitrato de potássio:
A decomposição do clorato de potássio é catalisada por óxidos de metais de transição; dióxido de manganês (pirolusita, MnOdois) é frequentemente usado. A temperatura necessária para efetuar a evolução do oxigênio é reduzida de 400 ° C para 250 ° C pelo catalisador .
2. Decomposição térmica de óxidos de metais pesados:
Scheele e Priestley usaram óxido de mercúrio (II) em suas preparações de oxigênio.
3. Decomposição térmica de peróxidos metálicos ou de hidrogênio peróxido:
Um procedimento comercial inicial para isolar o oxigênio da atmosfera ou para a fabricação deperóxido de hidrogêniodependia da formação de peróxido de bário a partir do óxido, conforme mostrado nas equações.
4. Eletrólise de água contendo pequenas proporções de sais ou ácidos para permitir a condução da corrente elétrica:
Produção e uso comercial
Quando necessário em quantidades de tonelagem, o oxigênio é preparado pelo fracionário destilação de ar líquido. Dos principais componentes do ar, o oxigênio tem o ponto de ebulição mais alto e, portanto, é menos volátil do que o nitrogênio e argônio . O processo aproveita o fato de que, quando um gás comprimido pode se expandir, ele esfria. As principais etapas da operação incluem o seguinte: (1) O ar é filtrado para remover as partículas; (2) umidade e dióxido de carbono são removidos por absorção em álcali; (3) o ar é comprimido e o calor da compressão removido por procedimentos normais de resfriamento; (4) o ar comprimido e resfriado é passado em bobinas contidas em uma câmara; (5) uma porção do ar comprimido (a cerca de 200 atmosferas de pressão) pode expandir-se na câmara, resfriando as bobinas; (6) o gás expandido é devolvido ao compressor com múltiplas etapas subsequentes de expansão e compressão, resultando finalmente na liquefação do ar comprimido a uma temperatura de -196 ° C; (7) permite-se que o ar líquido aqueça para destilar primeiro os gases leves e raros, depois o nitrogênio, deixando o oxigênio líquido. Fracionamentos múltiplos produzirão um produto puro o suficiente (99,5%) para a maioria dos fins industriais.
O aço A indústria é a maior consumidora de oxigênio puro no sopro de aço com alto teor de carbono - isto é, volatilizando dióxido de carbono e outras impurezas não metálicas em um processo mais rápido e mais fácil de controlar do que se ar fosse usado. O tratamento de esgoto por oxigênio é uma promessa para um tratamento mais eficiente de efluentes líquidos do que outros processos químicos. A incineração de resíduos em sistemas fechados usando oxigênio puro tornou-se importante. A chamada LOX de foguete os combustíveis oxidantes são oxigênio líquido; a consumo de LOX depende da atividade dos programas espaciais. O oxigênio puro é usado em submarinos e sinos de mergulho.
Oxigênio comercial ou ar enriquecido com oxigênio substituiu o ar comum na indústria química para a fabricação de produtos químicos controlados por oxidação, como acetileno, óxido de etileno e metanol . As aplicações médicas do oxigênio incluem o uso em tendas de oxigênio, inaladores e incubadoras pediátricas. Os anestésicos gasosos enriquecidos com oxigênio garantem o suporte vital durante a anestesia geral. O oxigênio é significativo em várias indústrias que usam fornos.
Propriedades químicas e reações
Os grandes valores doeletro-negatividadee aafinidade de elétronde oxigênio são típicos de elementos que apresentam apenas comportamento não metálico. Em todos os seus compostos, o oxigênio assume um estado de oxidação negativo, como é esperado dos dois orbitais externos preenchidos pela metade. Quando esses orbitais são preenchidos por transferência de elétrons, o íon óxido O2−é criado. Em peróxidos (espécies contendo o íon Odois2−) assume-se que cada oxigênio tem uma carga de -1. Esta propriedade de aceitar elétrons por transferência completa ou parcial define um agente oxidante. Quando tal agente reage com uma substância doadora de elétrons, seu próprio estado de oxidação é reduzido. A mudança (redução), do estado zero para o estado -2 no caso do oxigênio, é chamada de redução. O oxigênio pode ser considerado o agente oxidante original, o nomenclatura usado para descrever a oxidação e a redução com base neste comportamento típico do oxigênio.
Conforme descrito na seção sobre alotropia, o oxigênio forma as espécies diatômicas, Odois, em condições normais e, também, a espécie triatômica ozônio, O3. Existem algumas evidências de uma espécie tetratômica muito instável, O4. Na forma diatômica molecular, há dois elétrons desemparelhados que ficam em orbitais anti-ligação. O comportamento paramagnético do oxigênio confirma a presença de tais elétrons.
A intensa reatividade do ozônio às vezes é explicada sugerindo que um dos três átomos de oxigênio está em um estado atômico; ao reagir, este átomo é dissociado do O3molécula, deixando o oxigênio molecular.
A espécie molecular, Odois, não é especialmente reativo em temperaturas e pressões normais (ambientes). A espécie atômica, O, é muito mais reativa. A energia da dissociação (Odois→ 2O) é grande em 117,2 quilocalorias por mol.
O oxigênio tem um estado de oxidação de -2 na maioria de seus compostos. Forma uma grande variedade de compostos ligados covalentemente, entre os quais óxidos de não metais, como a água (HdoisO), dióxido de enxofre (SOdois), e dióxido de carbono (COdois); compostos orgânicos, tais como álcoois, aldeídos e ácidos carboxílicos; ácidos comuns, como sulfúrico (HdoisTÃO4), carbônico (HdoisO QUE3), e nítrico (HNO3); e sais correspondentes, tais como sulfato de sódio (NadoisTÃO4), carbonato de sódio (NadoisO QUE3), e nitrato de sódio (NaNO3) O oxigênio está presente como o íon óxido, Odois-, na estrutura cristalina de óxidos metálicos sólidos, como óxido de cálcio, CaO. Superóxidos metálicos, como superóxido de potássio, KOdois, contém o Odois-íon, enquanto os peróxidos metálicos, como o peróxido de bário, BaOdois, contém o Odoisdois-íon.
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