Hvad er ilt? Iltforbindelser

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Oxygen (O) er et ikke-metallisk kemisk grundstof i gruppe 16 (VIa) i det periodiske system. Det er en farveløs, lugtfri og smagløs gas, som er essentiel for levende organismer – dyr, der omdanner den til kuldioxid og planter, der bruger CO₂ som kulstofkilde og returnerer O ₂ ind i atmosfæren. Ilt danner forbindelser ved at reagere med næsten ethvert andet grundstof og fortrænger også kemiske elementer fra at binde sig til hinanden. I mange tilfælde er disse processer ledsaget af frigivelse af varme og lys. Den vigtigste iltforbindelse er vand.

Opdagelseshistorik

I 1772 demonstrerede den svenske kemiker Carl Wilhelm Scheele første gang oxygen ved at opvarme kaliumnitrat, kviksølvoxid og mange andre stoffer. Uafhængigt af ham opdagede den engelske kemiker Joseph Priestley i 1774 dette kemiske grundstof ved termisk nedbrydning af kviksølvoxid og offentliggjorde sine resultater samme år, tre år før offentliggørelsen. Scheele. I 1775-1780 fortolkede den franske kemiker Antoine Lavoisier iltens rolle i åndedræt og forbrænding, og afviste den phlogistonteori, der var almindeligt accepteret på det tidspunkt. Han bemærkede dets tendens til at danne syrer, når det kombineres med forskellige stoffer og kaldte grundstoffet oxygène, som på græsk betyder "fremstilling af syre".

udbredelse

Hvad er ilt? Udgør 46% af massen af jordskorpen, det er dets mest almindelige grundstof. Mængden af ilt i atmosfæren er 21 % efter volumen, og efter vægt i havvand er den 89 %.

I bjergarter er grundstoffet kombineret med metaller og ikke-metaller i form af oxider, som er sure (f.eks. svovl, kulstof, aluminium og fosfor) eller basiske (s alte af calcium, magnesium og jern), og som s altlignende forbindelser, der kan betragtes som dannet af sure og basiske oxider såsom sulfater, carbonater, silikater, aluminater og fosfater. Selvom de er talrige, kan disse faste stoffer ikke tjene som iltkilder, da det er for energikrævende at bryde bindingen mellem et grundstof og metalatomer.

Funktioner

Hvis temperaturen af oxygen er under -183 °C, bliver den en lyseblå væske, og ved -218 °C - fast. Pure O₂ er 1,1 gange tungere end luft.

Under vejrtrækning forbruger dyr og nogle bakterier ilt fra atmosfæren og returnerer kuldioxid, mens grønne planter i nærvær af sollys absorberer kuldioxid og frigiver fri ilt under fotosyntesen. Næstenalle O₂ i atmosfæren produceres ved fotosyntese.

Ved 20 °C opløses omkring 3 volumendele ilt i 100 dele ferskvand, lidt mindre i havvand. Dette er nødvendigt for indånding af fisk og andet havliv.

Naturlig oxygen er en blanding af tre stabile isotoper: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037 %) og¹⁸O (0,204%). Der kendes adskillige kunstigt fremstillede radioaktive isotoper. Den længstlevende af disse er ¹⁵O (med en halveringstid på 124 s), som bruges til at studere respiration hos pattedyr.

Allotropes

En klarere idé om, hvad oxygen er, giver dig mulighed for at få dens to allotropiske former, diatomisk (O₂) og triatomisk (O₃₎ , ozon). Egenskaberne af den diatomiske form tyder på, at seks elektroner binder atomerne og to forbliver uparrede, hvilket forårsager iltparamagnetisme. De tre atomer i ozonmolekylet er ikke i en lige linje.

Ozon kan produceres i henhold til ligningen: 3O₂ → 2O₃.

Processen er endoterm (kræver energi); omdannelsen af ozon tilbage til diatomisk oxygen lettes af tilstedeværelsen af overgangsmetaller eller deres oxider. Ren ilt omdannes til ozon ved en glødende elektrisk udladning. Reaktionen sker også ved absorption af ultraviolet lys med en bølgelængde på ca. 250 nm. Forekomsten af denne proces i den øvre atmosfære eliminerer stråling, der kan forårsageskader på liv på jordens overflade. Den skarpe lugt af ozon er til stede i lukkede rum med gnistgivende elektrisk udstyr såsom generatorer. Det er en lyseblå gas. Dens massefylde er 1,658 gange luftens tæthed, og den har et kogepunkt på -112°C ved atmosfærisk tryk.

Ozon er et stærkt oxidationsmiddel, der er i stand til at omdanne svovldioxid til trioxid, sulfid til sulfat, iodid til iod (der giver en analytisk metode til at evaluere det), og mange organiske forbindelser til oxygenerede derivater såsom aldehyder og syrer. Omdannelsen af kulbrinter fra bilers udstødning til disse syrer og aldehyder af ozon er det, der forårsager smog. I industrien bruges ozon som et kemisk middel, desinfektionsmiddel, spildevandsrensning, vandrensning og stofblegning.

Få metoder

Måden ilt produceres på afhænger af, hvor meget gas der kræves. Laboratoriemetoder er som følger:

1. Termisk nedbrydning af nogle s alte såsom kaliumchlorat eller kaliumnitrat:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂.

Nedbrydningen af kaliumchlorat katalyseres af overgangsmetaloxider. Mangandioxid (pyrolusit, MnO₂) bruges ofte til dette. Katalysatoren sænker den nødvendige temperatur for at udvikle oxygen fra 400 til 250°C.

2. Temperaturnedbrydning af metaloxider:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele og Priestley brugte en forbindelse (oxid) af oxygen og kviksølv (II) til at opnå dette kemiske grundstof.

3. Termisk nedbrydning af metalperoxider eller hydrogenperoxid:

2BaO + O₂ → 2BaO₂.
2BaO₂ → 2BaO +O₂.
BaO₂ + H₂SO₄ → H₂ O₂ + BaSO₄.
2H₂O₂ → 2H₂O +O _2.

De første industrielle metoder til at adskille ilt fra atmosfæren eller til fremstilling af hydrogenperoxid afhang af dannelsen af bariumperoxid fra oxidet.

4. Elektrolyse af vand med små urenheder af s alte eller syrer, som giver elektrisk strøms ledningsevne:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Industriel produktion

Hvis det er nødvendigt at opnå store mængder ilt, anvendes fraktioneret destillation af flydende luft. Af luftens hovedbestanddele har den det højeste kogepunkt og er derfor mindre flygtigt end nitrogen og argon. Processen bruger afkøling af gassen, når den udvider sig. De vigtigste trin i operationen er som følger:

luft filtreres for at fjerne partikler;
fugt og kuldioxid fjernes ved absorption til alkali;
luft komprimeres, og kompressionsvarmen fjernes ved normale afkølingsprocedurer;
så går den ind i spolen, der er placeret ikamera;
en del af den komprimerede gas (ved et tryk på ca. 200 atm) udvider sig i kammeret og afkøler spolen;
ekspanderet gas vender tilbage til kompressoren og gennemgår flere trin med efterfølgende ekspansion og kompression, hvilket resulterer i, at en væske ved -196 °C luft bliver flydende;
væske opvarmes for at destillere de første lette inerte gasser, derefter nitrogen og flydende oxygen tilbage. Multipel fraktionering giver et produkt, der er rent nok (99,5 %) til de fleste industrielle formål.

Industriel brug

Metallurgi er den største forbruger af ren oxygen til fremstilling af stål med højt kulstofindhold: Slip af med kuldioxid og andre ikke-metal-urenheder hurtigere og nemmere end at bruge luft.

Oxygen spildevandsbehandling lover at behandle flydende spildevand mere effektivt end andre kemiske processer. Affaldsforbrænding i lukkede systemer ved brug af ren O₂.

. bliver stadig vigtigere

Det såkaldte raketoxidationsmiddel er flydende ilt. Ren O₂ Bruges i ubåde og dykkerklokker.

I den kemiske industri har oxygen erstattet normal luft i produktionen af stoffer som acetylen, ethylenoxid og methanol. Medicinske anvendelser omfatter brugen af gassen i iltkamre, inhalatorer og babykuvøser. En iltberiget anæstesigas giver livsstøtte under generel anæstesi. Uden dette kemiske element, en rækkeindustrier, der anvender smelteovne. Det er, hvad ilt er.

Kemiske egenskaber og reaktioner

Oxygens høje elektronegativitet og elektronaffinitet er typisk for grundstoffer, der udviser ikke-metalliske egenskaber. Alle iltforbindelser har en negativ oxidationstilstand. Når to orbitaler er fyldt med elektroner, dannes en O^2- ion. I peroxider (O₂^2-) antages hvert atom at have en ladning på -1. Denne egenskab ved at acceptere elektroner ved total eller delvis overførsel bestemmer oxidationsmidlet. Når et sådant middel reagerer med et elektrondonorstof, sænkes dets egen oxidationstilstand. Ændringen (faldet) i oxygens oxidationstilstand fra nul til -2 kaldes reduktion.

Under normale forhold danner grundstoffet diatomiske og triatomiske forbindelser. Derudover er der meget ustabile fire-atoms molekyler. I diatomisk form er to uparrede elektroner placeret i ikke-bindende orbitaler. Dette bekræftes af gassens paramagnetiske opførsel.

Ozons intense reaktivitet forklares nogle gange med antagelsen om, at et af de tre atomer er i en "atomisk" tilstand. Når dette atom går ind i reaktionen, adskilles det fra O₃ og efterlader molekylært oxygen.

O₂-molekylet er svagt reaktivt ved normale omgivende temperaturer og tryk. Atomisk oxygen er meget mere aktiv. Dissociationsenergien (O₂ → 2O) er signifikant oger 117,2 kcal pr. mol.

Forbindelser

Med ikke-metaller såsom hydrogen, kulstof og svovl danner oxygen en lang række kovalent bundne forbindelser, herunder oxider af ikke-metaller såsom vand (H₂O), svovldioxid (SO₂) og carbondioxid (CO₂); organiske forbindelser såsom alkoholer, aldehyder og carboxylsyrer; almindelige syrer såsom kulsyre (H₂CO₃), svovlsyre (H₂SO4_{) og nitrogen (HNO}3_{); og tilsvarende s alte såsom natriumsulfat (Na}2_SO4_{), natriumcarbonat (Na}2 _CO 3_{) og natriumnitrat (NaNO}3_{). Ilt er til stede i form af O}2-^{-ionen i krystalstrukturen af faste metaloxider, såsom forbindelsen (oxid) af oxygen og calcium CaO. Metalsuperoxider (KO}2_{) indeholder O}2-^{-ionen, mens metalperoxider (BaO) 2}), indeholder ionen O₂_2-. Iltforbindelser har hovedsageligt en oxidationstilstand på -2.