חמצן מולקולרי: מבנה, תכונות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

החמצן המולקולרי או dioxygen , המכונה גם חמצן diatomic או גז, הוא הדרך היסודית הנפוצה ביותר היא מרכיב זה על פני כדור הארץ. הנוסחה שלה היא O ₂ , ולכן היא מולקולה דיאטומית והומונקוליארית, לחלוטין אפולרית.

האוויר שאנו נושמים מורכב מכ- 21% חמצן כמולקולות O ₂ . כשאנחנו עולים, ריכוזי גז החמצן פוחתים ונוכחות האוזון O _{3 עולה} . גופנו מנצל O ₂ בכדי לחמצן את רקמותיו ולבצע נשימה תאית.

בלי חמצן שיעשיר את האווירה שלנו החיים היו תופעה בלתי קיימא. מקור: Pixabay.

ה- O ₂ אחראי גם לקיומה של אש: בלעדיו זה כמעט בלתי אפשרי שיהיו שריפות ושריפה. הסיבה לכך היא שהמאפיין העיקרי שלו הוא זה של להיות סוכן חמצון חזק, להשיג אלקטרונים או להפחית את עצמו במולקולת מים, או באניוני תחמוצת, O ^2- .

חמצן מולקולרי חיוני לאינספור תהליכים אירוביים, בעלי יישומים במתכות, רפואה וטיפול בשפכים. גז זה הוא למעשה שם נרדף לחום, נשימה, חמצון, ומצד שני, עם טמפרטורות הקפאה כשהוא במצב הנוזלי שלו.

מבנה חמצן מולקולרי

מבנה מולקולרי של חמצן גזי. מקור: Benjah-bmm27 דרך Wikipedia.

בתמונה העליונה יש לנו את המבנה המולקולרי של חמצן גזי המיוצג בדגמים שונים. השניים האחרונים מראים את מאפייני הקשר הקוולינטי המחזיק את אטומי החמצן זה בזה: קשר כפול O = O, בו כל אטום חמצן משלים את אוקטט הערכיות שלו.

מולקולת O ₂ היא ליניארית, הומונוקולית וסימטרית. הקשר הכפול שלו אורך 121 בערב. המרחק הקצר הזה פירושו שאנרגיה ניכרת (498 kJ / mol) נדרשת כדי לשבור את הקשר O = O, ולכן מדובר במולקולה יציבה יחסית.

אם לא, החמצן באטמוספירה היה מושפל לחלוטין עם הזמן, או שהאוויר יעלה באש משום מקום.

נכסים

מראה חיצוני

חמצן מולקולרי הוא גז חסר צבע, חסר טעם וריח, אך כאשר הוא מתעצב ומתגבש הוא מקבל גוונים כחלחלים.

מסה מולארית

32 גרם / מול (ערך מעוגל)

נקודת המסה

-218 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

-183

מְסִיסוּת

חמצן מולקולרי מסיס במים בצורה נמוכה, אך די בכדי לתמוך בבעלי החיים הימיים. אם המסיסות שלך הייתה גבוהה יותר, היית פחות סביר למות מטביעה. מצד שני, מסיסותו גבוהה בהרבה בשמנים ונוזלים לא קוטביים, היכולת לחמצן אותם לאט וכך להשפיע על תכונותיהם המקוריות.

מצבי אנרגיה

חמצן מולקולרי הוא חומר שלא ניתן לתאר במלואו על ידי תורת קשרי הערכים (VTE).

התצורה האלקטרונית של חמצן היא כדלקמן:

2s² 2p⁴

יש לו זוג אלקטרונים לא מותאם (O :). כאשר שני אטומי חמצן נפגשים, הם קשורים ויוצרים קשר O = O כפול, שניהם משלימים את שמיניית הערכיות.

לפיכך, מולקולת O ₂ צריכה להיות יהלומית, כאשר כל האלקטרונים שלה מזווגים. עם זאת, מדובר במולקולה פרמגנטית, וזה מוסבר על ידי התרשים של האורביטלים המולקולריים שלה:

דיאגרמת מסלול מולקולרית לגז חמצן. מקור: Anthony.Sebastian / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

לפיכך, תיאוריית המסלול המולקולרי (TOM) מתארת ​​בצורה הטובה ביותר את O ₂ . שני האלקטרונים הלא צמודים ממוקמים באורביטלים המולקולריים הגבוהים π ^* , ומקנים לחמצן את אופיו הפרגמנטי.

למעשה, מצב אנרגטי זה מתאים לחמצן משולש, ³ O ₂ , השולט בכולם. המצב האנרגטי האחר של חמצן, פחות נפוץ על כדור הארץ, הוא יחיד ¹ O ₂ .

טרנספורמציות

החמצן המולקולרי יציב במידה ניכרת כל עוד הוא אינו במגע עם אף חומר הרגיש לחמצון, הרבה פחות אם אין מקור קרוב לחום עז, כמו ניצוץ. הסיבה לכך היא ל- O ₂ נטייה גבוהה להפחית את עצמו, להשיג אלקטרונים מאטומים או מולקולות אחרות.

כשהוא מופחת, הוא מסוגל ליצור קשת רחבה של קישורים וצורות. אם הוא יוצר קשרים קוולנטיים, הוא יעשה זאת עם אטומים פחות אלקטרוניים משל עצמו, כולל מימן, כדי להצמיח מים, HOH. הוא יכול גם לייצר פחמן יקום, שמקורו בקשרי CO וסוגים שונים של מולקולות אורגניות מחומצן (אתרים, קטונים, אלדהידים וכו ').

O ₂ יכול גם להשיג אלקטרונים להפוך לאנונים של חמצן וסופרוקסיד, O ₂ ^2- ו- O ₂ ^- בהתאמה. כאשר הוא מומר לפרוקסיד בגוף, מתקבל מי חמצן, H ₂ O ₂ , HOOH, תרכובת מזיקה המעובדת על ידי פעולת אנזימים ספציפיים (פרוקסידאזים וקטאלאזים).

מצד שני, וחשוב לא פחות, O ₂ מגיב בחומר אורגני כדי להפוך לאניון התחמוצת, O ^2- , ומרכיב רשימה אינסופית של מסות מינרלוגיות שמעבות את קרום כדור הארץ ומעטפתו.

יישומים

ריתוך ושריפה

חמצן משמש לשריפת אצטילן ומפלטת להבה חמה במיוחד אשר חשובה לריתוך. מקור: שילה / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

חמצן משמש לביצוע תגובת הבעירה, שבאמצעותה מתחמצן חומר אקזוטרמי, ומפטר אש. שריפה זו וטמפרטורתה משתנות בהתאם לחומר הבוער. כך ניתן להשיג להבות חמות מאוד, כמו אצטילן (למעלה) בעזרתן מרותכות מתכות וסגסוגות.

אלמלא חמצן, דלקים לא יכלו לשרוף ולספק את כל האנרגיה הקלורית שלהם, המשמשת לשיגור רקטות, או להנעת מכוניות.

סוכן חמצון בכימיה ירוקה

הודות לגז זה, מספר עצום של תחמוצות אורגניות ואי-אורגניות מסונתזות או מיוצרים בתעשייה. תגובות אלה מבוססות על כוחו המחמצן של חמצן מולקולרי, היותן גם אחד המגיבים המיישמים ביותר בכימיה ירוקה להשגת מוצרים תרופתיים.

עזרה בנשימה ובטיפול בשפכים

חמצן חיוני בכדי לכסות את דרישת הנשימה בקרב חולים עם מצבים בריאותיים חמורים, אצל צוללנים כאשר יורדים לעומקים רדודים, ובמטפסי הרים, בגובהם ריכוז החמצן מופחת באופן דרמטי.

כמו כן, חמצן "מזין" חיידקים אירוביים, המסייעים בפירוט שאריות מזהמות מהביוב, או מסייעים לנשום דגים בתרבויות מימיות להגנה או לסחר.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2020). אלוטרופים של חמצן. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. Hone, CA, Kappe, CO (2019). השימוש בחמצן מולקולרי לחמצון אירובי בשלב נוזלי בזרימה רציפה. Top Curr Chem (Z) 377, 2. doi.org/10.1007/s41061-018-0226-z
4. קווין בק. (28 בינואר 2020). 10 שימושים לחמצן. התאושש מ: sciencing.com
5. פתקי צוקים. (2020). ביוכימיה I: הכימיה של חמצן מולקולרי. התאושש מ: cliffsnotes.com
6. אספקה ​​תעשייתית של GZ. (2020). היתרונות התעשייתיים של גז חמצן. התאושש מ: gz-supplies.com