Vad är syre? Syreföreningar

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

Syre (O) är ett icke-metalliskt kemiskt element i grupp 16 (VIa) i det periodiska systemet. Det är en färglös, luktlös och smaklös gas som är nödvändig för levande organismer – djur som omvandlar den till koldioxid och växter som använder CO₂ som kolkälla och återvänder O ₂ in i atmosfären. Syre bildar föreningar genom att reagera med nästan vilket annat element som helst, och tränger också undan kemiska element från att binda med varandra. I många fall åtföljs dessa processer av frigöring av värme och ljus. Den viktigaste syreföreningen är vatten.

Upptäcktshistorik

År 1772 demonstrerade den svenska kemisten Carl Wilhelm Scheele för första gången syre genom att värma upp kaliumnitrat, kvicksilveroxid och många andra ämnen. Oberoende av honom, 1774, upptäckte den engelske kemisten Joseph Priestley detta kemiska element genom termisk nedbrytning av kvicksilveroxid och publicerade sina fynd samma år, tre år före publiceringen. Scheele. Åren 1775-1780 tolkade den franske kemisten Antoine Lavoisier syrets roll i andning och förbränning, och förkastade den då allmänt accepterade flogistonteorin. Han noterade dess tendens att bilda syror när de kombineras med olika ämnen och kallade grundämnet oxygène, som på grekiska betyder "att producera syra".

Prevalence

Vad är syre? Den utgör 46 % av jordskorpans massa och är dess vanligaste grundämne. Mängden syre i atmosfären är 21 volymprocent, och viktprocent i havsvatten är 89%.

I bergarter kombineras grundämnet med metaller och icke-metaller i form av oxider, som är sura (till exempel svavel, kol, aluminium och fosfor) eller basiska (s alter av kalcium, magnesium och järn) och som s altliknande föreningar som kan anses vara bildade av sura och basiska oxider såsom sulfater, karbonater, silikater, aluminater och fosfater. Även om de är många, kan dessa fasta ämnen inte fungera som syrekällor, eftersom det är för energikrävande att bryta bindningen mellan ett grundämne och metallatomer.

Funktioner

Om temperaturen på syret är under -183 °C, blir det en ljusblå vätska och vid -218 °C - fast. Ren O₂ är 1,1 gånger tyngre än luft.

Under andning förbrukar djur och vissa bakterier syre från atmosfären och återför koldioxid, medan gröna växter i närvaro av solljus absorberar koldioxid och frigör fritt syre under fotosyntesen. Nästanalla O₂ i atmosfären produceras genom fotosyntes.

Vid 20 °C löser sig cirka 3 volymdelar syre i 100 delar sötvatten, något mindre i havsvatten. Detta är nödvändigt för att andas fisk och annat marint liv.

Naturligt syre är en blandning av tre stabila isotoper: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037 %) och¹⁸O (0,204 %). Flera artificiellt framställda radioaktiva isotoper är kända. Den längsta livslängden av dessa är ¹⁵O (med en halveringstid på 124 s), som används för att studera andning hos däggdjur.

Allotropes

En tydligare uppfattning om vad syre är, låter dig få dess två allotropa former, diatomisk (O₂) och triatomisk (O₃₎ , ozon). Egenskaperna hos den diatomiska formen tyder på att sex elektroner binder atomerna och två förblir oparade, vilket orsakar syreparamagnetism. De tre atomerna i ozonmolekylen är inte i en rak linje.

Ozon kan produceras enligt ekvationen: 3O₂ → 2O₃.

Processen är endoterm (kräver energi); omvandlingen av ozon tillbaka till diatomiskt syre underlättas av närvaron av övergångsmetaller eller deras oxider. Rent syre omvandlas till ozon genom en glödande elektrisk urladdning. Reaktionen inträffar också vid absorption av ultraviolett ljus med en våglängd på cirka 250 nm. Förekomsten av denna process i den övre atmosfären eliminerar strålning som kan orsakaskada på livet på jordens yta. Den skarpa lukten av ozon finns i slutna utrymmen med gnistgivande elektrisk utrustning som generatorer. Det är en ljusblå gas. Dess densitet är 1,658 gånger luftens densitet och den har en kokpunkt på -112°C vid atmosfärstryck.

Ozon är ett starkt oxidationsmedel som kan omvandla svaveldioxid till trioxid, sulfid till sulfat, jodid till jod (tillhandahåller en analytisk metod för att utvärdera det), och många organiska föreningar till syresatta derivat såsom aldehyder och syror. Omvandlingen av kolväten från bilavgaser till dessa syror och aldehyder av ozon är det som orsakar smog. Inom industrin används ozon som kemiskt medel, desinfektionsmedel, avloppsvattenrening, vattenrening och tygblekning.

Hämta metoder

Sättet syre produceras på beror på hur mycket gas som krävs. Laboratoriemetoderna är följande:

1. Termisk nedbrytning av vissa s alter som kaliumklorat eller kaliumnitrat:

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

Nedbrytningen av kaliumklorat katalyseras av övergångsmetalloxider. Mangandioxid (pyrolusit, MnO₂) används ofta för detta. Katalysatorn sänker temperaturen som behövs för att utveckla syre från 400 till 250°C.

2. Temperaturnedbrytning av metalloxider:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele och Priestley använde en förening (oxid) av syre och kvicksilver (II) för att erhålla detta kemiska element.

3. Termisk nedbrytning av metallperoxider eller väteperoxid:

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

De första industriella metoderna för att separera syre från atmosfären eller för att producera väteperoxid berodde på bildningen av bariumperoxid från oxiden.

4. Elektrolys av vatten med små föroreningar av s alter eller syror, som ger elektrisk ströms ledningsförmåga:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Industriell produktion

Om det är nödvändigt att erhålla stora volymer syre, används fraktionerad destillation av flytande luft. Av luftens huvudbeståndsdelar har den den högsta kokpunkten och är därför mindre flyktig än kväve och argon. Processen använder kylning av gasen när den expanderar. Huvudstegen i operationen är följande:

luften filtreras för att ta bort partiklar;
fukt och koldioxid avlägsnas genom absorption till alkali;
luften komprimeras och kompressionsvärmen avlägsnas genom normala kylningsprocedurer;
då går den in i spolen som finns ikamera;
del av den komprimerade gasen (vid ett tryck på cirka 200 atm) expanderar i kammaren och kyler spolen;
expanderad gas återvänder till kompressorn och går igenom flera steg av efterföljande expansion och kompression, vilket resulterar i att en vätska vid -196 °C luft blir flytande;
vätskan värms upp för att destillera de första lätta inerta gaserna, sedan återstår kväve och flytande syre. Multipel fraktionering ger en produkt som är tillräckligt ren (99,5 %) för de flesta industriella ändamål.

Industriell användning

Metallurgi är den största förbrukaren av rent syre för tillverkning av stål med hög kolh alt: bli av med koldioxid och andra icke-metalliska föroreningar snabbare och enklare än att använda luft.

Syrgasrening av avloppsvatten lovar att behandla flytande avloppsvatten mer effektivt än andra kemiska processer. Avfallsförbränning i slutna system med ren O₂.

. blir allt viktigare

Den så kallade raketoxidatorn är flytande syre. Ren O₂ Används i ubåtar och dykklockor.

Inom den kemiska industrin har syre ersatt normal luft vid tillverkning av ämnen som acetylen, etylenoxid och metanol. Medicinska tillämpningar inkluderar användningen av gasen i syrgaskammare, inhalatorer och babykuvöser. En syreberikad narkosgas ger livsuppehållande under allmän anestesi. Utan detta kemiska element, ett antalindustrier som använder smältugnar. Det är vad syre är.

Kemiska egenskaper och reaktioner

Syrets höga elektronegativitet och elektronaffinitet är typiska för element som uppvisar icke-metalliska egenskaper. Alla syreföreningar har ett negativt oxidationstillstånd. När två orbitaler är fyllda med elektroner bildas en O^2- jon. I peroxider (O₂^2-) antas varje atom ha en laddning på -1. Denna egenskap att ta emot elektroner genom total eller partiell överföring bestämmer oxidationsmedlet. När ett sådant medel reagerar med ett elektrondonatorämne sänks dess eget oxidationstillstånd. Förändringen (minskningen) i oxidationstillståndet för syre från noll till -2 kallas reduktion.

Under normala förhållanden bildar grundämnet diatomiska och triatomiska föreningar. Dessutom finns det mycket instabila fyraatomsmolekyler. I diatomisk form är två oparade elektroner belägna i orbitaler som inte är bindande. Detta bekräftas av gasens paramagnetiska beteende.

Ozons intensiva reaktivitet förklaras ibland av antagandet att en av de tre atomerna är i ett "atomiskt" tillstånd. När denna atom går in i reaktionen dissocierar den från O₃ och lämnar molekylärt syre.

O₂-molekylen är svagt reaktiv vid normala omgivande temperaturer och tryck. Atomiskt syre är mycket mer aktivt. Dissociationsenergin (O₂ → 2O) är signifikant ochär 117,2 kcal per mol.

Connections

Med icke-metaller som väte, kol och svavel bildar syre ett brett spektrum av kovalent bundna föreningar, inklusive oxider av icke-metaller som vatten (H₂O), svaveldioxid (SO₂) och koldioxid (CO₂); organiska föreningar såsom alkoholer, aldehyder och karboxylsyror; vanliga syror som kolsyra (H₂CO₃), svavelsyra (H₂SO4_{) och kväve (HNO}3_{); och motsvarande s alter såsom natriumsulfat (Na}2_SO4_{), natriumkarbonat (Na}2 _CO 3_{) och natriumnitrat (NaNO}3_{). Syre är närvarande i form av O}2-^{-jonen i kristallstrukturen av fasta metalloxider, såsom föreningen (oxiden) av syre och kalcium CaO. Metallsuperoxider (KO}2_{) innehåller jonen O}2-^{, medan metallperoxider (BaO) 2}), innehåller jonen O₂_2-. Syreföreningar har huvudsakligen ett oxidationstillstånd på -2.