الأكسجين
O2
عدد الكتلة : 15.9994
العدد الذري : 8
درجة الانصهار : -218.4 درجة مئوية
درجة الغليان : -183 درجة مئوية
الكثافة : 1.429 جم/سم3
نصف القطر : 1.35 أنجستروم
عدد الأكسدة : -2
السالبية الكهربية : 3.5
النظائر : 16Oويوجد بنسبة 99.762 % , 17O ويوجد بنسبة 0.038 % , 18O ويوجد بنسبة0.200 %
التوزيع الألكتروني : He] 2s2 2p4]
تاريخ الأكسجين ووجوده في الطبيعة
كان المعتقد قبل اكتشاف الأكسجين أن الهواء هو أحد العناصر الأساسية
الأربعة وهي ( الأرض والهواء والنار والماء ) , وقد ظل هذا الإعتقاد سائداً
حتى أعلن شيل ( Scheele ) أن الهواء يتكون من مادتين وأن إحداهما فقط هي
التي تساعد على التنفس والإحتراق . وقد بنى شيل استنتاجاته هذه على عدة
تجارب كان قد أجراها قبل ذلك فقد نجح في تحضير الأكسجين بتسخين نترات
البوتاسيوم تسخيناً شديداً وكذلك بتسخين ثاني أكسيد المنجنيز .
x2KNO3 = 2KNO2 + O2
x3MnO2 = Mn3O4 + O2
وفي سنة 1774 نجح بريستلي (Priestley ) - مستقلاً عن شيل- في تحضير
الأكسجين بتسخين أكسيد الزئبقيك HgO أو أكسيد الرصاص الأحمر Pb2O4 .
Joseph Priestley
يعد عنصر الأكسجين من أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية حيث تصل نسبته
الى 50 % وزناً , كما يشكل حوالي 21 % من حجم الغلاف الجوي , ويحتوي الماء
على 88.81 % وزناً من الأكسجين .
وقد بنى لافوازيه (Lavoisier ) نظريته عن عن الاحتراق على ضرورة وجود
الأكسجين لهذه العملية وأطلق عليه اسم ( الأكسجين )( اشتق الأكسجين من
الكلمتين الإغريقيتين ( Oxys ) بمعنى حامض والكلمة (Gene) بمعنى مولد )
ومعناها مولد الأحماض لاعتقاده أن الأكسجين يدخل في تركيب الأحماض . وقد
احتفظ بهذا الإسم الى الآن بالرغم من أن هناك بعض الأحماض لايدخل الأكسجين
في تركيبها .
يوجد هذا الغاز على سطح الأرض على هيئته الجزيئية (O2 ) المكونة من ذرتي
أكسجين متحدتين مع بعضهما . وفي الطبقات العليا من الغلاف الجوي ( طبقة
الأستراتستوفير ) يتحد جزئ الأكسجين(O2) – بفعل الحرارة فوق البنفسجية – مع
ذرة أكسجين (O) ليشكل غلافاً من جزيئات الأوزون (O3) .
بالرغم من أن أكسجين الهواء يستهلك في عمليات التنفس والاحتراق فإن هذا
النقص يعوض باستمراربعملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها النباتات الخضراء
وبذلك تبقى نسبته ثابتة في الجو .
تحضير الأكسجين
تحضير الأكسجين صناعياً
يحضر الأكسجين في الصناعة بالتقطير التجزيئي للهواء المسال حيث يتصاعد
أولاً النيتروجين ويبقى الأكسجين إذ أنه أقل تطايراً , وتعرف هذه الطريقة
بطريقة لند (Linde)
أما في طريقة كلود (Claud)فيحضر الأكسجين بالإسالة التجزيئية للهواء وفيها
يبرد الهواء تحت ضغط مرتفع فيسال الأكسجين أولاً وذلك لأن الدرجة الحرجة
للأكسجين (- 118.8 درجة مئوية ) أعلى من الدرجة الحرجة للنيتروجين (- 147.1
درجة مئوية ) وفي كلتا الحالتين يحتوي الأكسجين على حوالي 3 % من الأرجون .
ويمكن تحضير الأكسجين على درجة عالية من النقاء بالتحليل الكهربي للماء .
ويوضع الأكسجين المحضر صناعياً في اسطوانات من الصلب تحت ضغط مرتفع .
تحضير الأكسجين معملياً
يمكن تحضير الأكسجين في المختبر بإحدى الطرق التالية:
* التحليل الكهربائي لمحلول هيدروكسيد البوتاسيوم مثلاً باستخدام قطبين من النيكل .
* التفكك الحراري لبعض المركبات الأكسجينية وتتضمن التفاعلات الأتية:
1- تسخين الأملاح الغنية بالأكسجين مثل كلورات البوتاسيوم مع ثاني أكسيد
المنجنيز الذي يستخدم كعامل حفز , أو تسخين برمنجنات البوتاسيوم أو فوق
الكبريتات .
x2KClO3 + MnO2 = 2KCl + 3O2 + MnO2
x2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
x2Na2S2O8 = x2Na2SO4 + 2SO3 + O2
2- تسخين الأكاسيد الفوقية مثل BaO2 و H2O2 أو الأكاسيد العالية مثل PbO2 .
3 - تسخين أكاسيد الفلزات التي تتميز بإيجابية كهربائية ضعيفة وتوجد في
مؤخرة المتسلسلة الكهروكيميائية مثل أكسيد الفضة وأكسيد الزئبق .
x2Ag2O ---------> 4Ag + O2
x2HgO ---------> 2Hg + O2
*أكسدة فوق أكسيد الهيدروجين بمحلول برمنجنات البوتاسيوم مثلاً .
* تفاعل الأكاسيد الفوقية لعناصر الاقلاء مع الماء .
x2H2O + 2Na2O2 = 4NaOH + O2
خواص الأكسجين
الأكسجين غاز عديم اللون والطعم والرائحة يذوب بقلة في الماء , وهو أثقل قليلاً من الهواء .
يتحول الأكسجين الى سائل أزرق شاحب وذلك عند تبريده الى درجة غليانه (- 182.962درجة مئوية ) مع ثبات الضغط الجوي العادي .
ويتحول الى سائل عند درجات حرارة أعلى مع زيادة الضغط , فيتحول الى سائل
عند ( – 118.8 درجة مئوية ) وذلك عند ضغط جوي مقداره( 49.7 وحدة ) , كما
يتعذر تسييل الأكسجين عند درجات حرارة وضغوط أعلى من ذلك .
والأكسجين السائل لا يوصل الكهرباء , إلا أنه يتميز بخواص بارا مغناطيسية , ويمكن حجزه بين قطبي مغناطيس قوي .
تفاعلات الأكسجين
يتميز الأكسجين بأن له القدرة على أن يتحد اتحاداً مباشراً بجميع العناصر
ماعدا ( الفلور والبروم والذهب والفضة والبلاتين والغازات النبيلة ) .
وكثيراً ما يكون اتحاد الأكسجين بالعناصر أو المركبات مصحوباً بحرارة ويعرف
مثل هذا التفاعل بالإشتعال ولا تبدأ هذه التفاعلات إلا بعد التسخين لدرجة
حرارة معينة تختلف باختلاف المادة وتعرف بدرجة الإشتعال , ويعزى ذلك الى أن
الأكسجين لا يتميز بنشاط كيميائي ملحوظ عند درجات الحرارة العادية , ومن
أمثلة هذه التفاعلات احتراق الكربون والكبريت والهيدروجين وكذلك
الهيدروكربونات ومواد الوقود الأخرى سواء كانت غازية أو سائلة أو صلبة .
C + O2 -------> CO2
S + O2 = SO2
x2H2 + O2 -------->2H2O
CH4 + 2O2 ---------> CO2 + 2H2O
وقد يحدث اتحاد الأكسجين بالمواد الأخرى عند درجات الحرارة العادية , ومن أمثلة هذه التفاعلات ما يلي :
تأكسد أكسيد النيتريك الى ثاني أكسيد النيتروجين
x2NO + O2 = 2NO2
تأكسد كلوريد القصديروز الى كلوريد القصديريك
x2SnCl2 + 4HCl + O2 = 2SnCl4 + 2H2O
تأكسد كلوريد النحاسوز الى كلوريد نحاسيك
x2Cu2Cl2 + 4HCl + O2 = 4CuCl2 + 2H2O
تأكسد الفسفور الرطب الى ثالث أكسيد الفسفور
P4 + 3O2 = P4O6
تأكسد الصوديوم الى أكسيد الصوديوم
x4Na + O2 -------> 2Na2O
تأكسد ثاني ثيونات الصوديوم الى ميتا بيكبريتيت الصوديوم
x2Na2S2O4 + O2 = 2Na2S2O5
تأكسد الحديد
x3Fe+2O2----->Fe3O4
وعمليات التنفس تعتبر تفاعلات تأكسد بطئ .
استخدامات الأكسجين
للأكسجين استخدامات عديدة في الصناعة . فمثلاً يحضر بعض أنواع الفولاذ
بعملية الأكسجين القاعدي . كما يوجه تيار ذو ضغط عال من الأكسجين على
الحديد الصلب المذاب لحرق الشوائب . ويخلط الأكسجين مع الوقود في مشعل
اللحام لإنتاج لهب ساخن جداً ذي حرارة تقارب 3.300 درجة مئوية ,( يستخدم
الأكسجين والأسيتلين في قطع الفولاذ فاشعال غاز الأسيتلين في الأكسجين
النقي ينتج درجة حرارة تزيد على 3000 درجة مئوية, تَصهر الفولاذ تحت لهب
الحملاج وتقطعه بسهولة . ويستخدم هذا الحملاج أيضاً في لحام الفولاذ , إذ
ينصهر الطرفان المراد لحامهما في لهب شُعلته , ثم يتركان ليبردا ) كما
يستخدم الأكسجين في صناعة الأمونيا والميثانول والأكسدة الجزيئية
للهيدروكربونات. . ويستخدم الأكسجين السائل المسمى لكس في الصواريخ التي
تدفع بالوقود السائل , وأيضاً يستخدم الأكسجين السائل في عمل المتفجرات
وذلك بخلطه مع الفحم النباتي أو مواد قابلة للإشتعال كالبترول أو زيت
البرافين أو النفثالين . ويستخدم الأكسجين المسال كذلك في عمليات التبريد
للحصول على درجات حرارة منخفضة في بعض العمليات كإزالة بعض الغازات التي
يسهل إسالتها من غازات أخرى .
يستخدم الأكسجين المضغوط في اسطوانات خاصة في أجهزة التنفس الخاصة بالغواصين والطيارين ورجال الإنقاذ وكذلك في المستشفيات .
أهم المراجع
الكيمياء العامة وغير العضوية
الدكتور/ سامي طوبيا الدكتور/ نظير عريان
مجلة العلوم والتقنية العدد 42
الأستاذ/ حامد عوده المقرن
الموسوعة العلمية
