Svi udišemo vazduh koji se uglavnom sastoji od molekula azota i kiseonika sa manjim dodatkom drugih elemenata. Dakle, kiseonik je jedan od najvažnijih hemijskih elemenata. Osim toga, njegovi molekuli postoje u velikom broju hemijskih spojeva koji se koriste u svakodnevnom životu. Stotinjak stranica nije dovoljno za opis svih svojstava ovog elementa, pa ćemo se ograničiti na glavne činjenice iz istorije, kao i osnovne karakteristike elementa - valentnost i oksidaciono stanje kiseonika, specifična težina, primena, osnovna fizička svojstva.
Istorija otkrića hemijskog elementa
Službeni datum otkrića hemijskog elementa "kiseonik" je 1. avgust 1774. godine. Tog dana je britanski hemičar J. Priestley završio svoj eksperiment razgradnje živinog oksida u hermetički zatvorenoj posudi. Na kraju eksperimenta, naučnik je dobio gas koji je podržavao sagorevanje. Međutim, ovo otkriće je prošlo nezapaženo čak i od samih naučnika. Gospodin Priestley je mislio da je uspio izolovati ne novi element, većsastojak vazduha. Joseph Priestley je svoje rezultate podijelio sa poznatim francuskim naučnikom i hemičarem Antoineom Lavoisierom, koji je mogao razumjeti šta Englez nije mogao učiniti. Godine 1775. Lavoisier je uspio ustanoviti da je rezultirajuća "komponenta zraka" u stvari nezavisan kemijski element, i nazvao ju je kisik, što na grčkom znači "formiranje kiselina". Lavoisier je tada vjerovao da se kisik nalazi u svim kiselinama. Nakon toga su izvedene formule kiselina koje nisu sadržavale atome kiseonika, ali se ime zadržalo.
Kisik - strukturne karakteristike molekula
Ovaj hemijski element je bezbojni gas, bez mirisa i ukusa. Hemijska formula je O2. Hemičari nazivaju obični dvoatomski kiseonik ili "atmosferski kiseonik" ili "dioksigen".
Molekul supstance se sastoji od dva vezana atoma kiseonika. Postoji i molekul koji se sastoji od tri atoma - O3. Ova tvar se zove ozon, više detalja o njoj bit će napisano u nastavku. Molekul sa dva atoma ima stanje oksidacije kiseonika od -2, budući da ima dva nesparena elektrona sposobna da formiraju kovalentnu vezu. Energija koja se oslobađa prilikom razgradnje (disocijacije) molekula kiseonika na atome iznosi 493,57 kJ/mol. Ovo je prilično velika vrijednost.
Valenca i oksidaciono stanje kiseonika
Pod valencijom hemijskog elementa, oni podrazumevaju njegovu sposobnost da veže određeni broj atoma za sebejoš jedan hemijski element. Valencija atoma kiseonika je dva. Valencija molekule kisika je također jednaka dva, budući da su dva atoma međusobno povezana i imaju sposobnost da vežu još jedan atom drugog spoja na svoju strukturu, odnosno da s njim formiraju kovalentnu vezu. Na primjer, molekul vode H2O je rezultat formiranja kovalentne veze između jednog atoma kisika i dva atoma vodika.
Kiseonik se nalazi u mnogim poznatim hemijskim jedinjenjima. Postoji čak i posebna vrsta hemijskih spojeva - oksidi. To su tvari koje se dobivaju kombinacijom gotovo bilo kojeg kemijskog elementa s kisikom. Oksidacijsko stanje kisika u oksidima je -2. Međutim, u nekim jedinjenjima ovaj indikator može biti drugačiji. O tome će se detaljnije raspravljati u nastavku.
Fizička svojstva kiseonika
Obični dvoatomski kiseonik je gas koji je bezbojan, bez mirisa i ukusa. U svom normalnom stanju, njegova gustina je 1,42897 kg/m3. Težina 1 litre tvari je nešto manja od 1,5 grama, odnosno u svom čistom obliku kisik je teži od zraka. Kada se zagrije, molekul se raspada na atome.
Kada temperatura medija padne na -189,2 oS kiseonik menja svoju strukturu iz gasovite u tečnu. Ovdje dolazi do ključanja. Kada se temperatura smanji na -218, 35 oS, struktura se mijenja iz tečne u kristalnu. Na ovoj temperaturi kiseonik ima oblik plavičastih kristala.
Na sobnoj temperaturi kiseonik je slabo rastvorljiv u vodi - 31 mililitar kiseonika po litri. Rastvorljivost sa drugim supstancama: 220 ml na 1 litar etanola, 231 ml na 1 litar acetona.
Hemijska svojstva kiseonika
O hemijskim svojstvima kiseonika može se napisati ceo Talmud. Najvažnije svojstvo kiseonika je oksidacija. Ova supstanca je vrlo jak oksidant. Kiseonik je u stanju da komunicira sa gotovo svim poznatim elementima iz periodnog sistema. Kao rezultat ove interakcije nastaju oksidi, kao što je ranije spomenuto. Stanja oksidacije kiseonika u jedinjenjima sa drugim elementima su u osnovi -2. Primjer takvih spojeva je voda (H2O), ugljični dioksid (CO2), kalcijev oksid, litijum oksid, itd. je određena kategorija oksida, koja se naziva peroksidi ili peroksidi. Njihova karakteristika je da u ovim jedinjenjima postoji peroksidna grupa "-O-O-". Ova grupa smanjuje oksidaciona svojstva O2, tako da je oksidaciono stanje kiseonika u peroksidu -1.
U kombinaciji sa aktivnim alkalnim metalima, kiseonik formira superokside ili superokside. Primjer takvih formacija je:
- kalijev superoksid (KO2);
- rubidijum superoksid (RbO2).
Njihova karakteristika je da je oksidaciono stanje kiseonika u superoksidima -1/2.
U kombinaciji sa najaktivnijim hemijskim elementom - fluorom, dobijaju se fluoridi. O njima ćeopisano ispod.
Najveće oksidaciono stanje kiseonika u jedinjenjima
U zavisnosti od toga sa kojom supstancom kiseonik komunicira, postoji sedam oksidacionih stanja kiseonika:
- -2 - u oksidima i organskim jedinjenjima.
- -1 - u peroksidima.
- -1/2 - u superoksidima.
- -1/3 - u neorganskim ozonidima (tačno za troatomski kiseonik - ozon).
- +1/2 - u soli katjona kiseonika.
- +1 – u kiseoniku monofluoridu.
- +2 – u kiseonik difluoridu.
Kao što vidite, najveći stepen oksidacije kiseonika postiže se u oksidima i organskim jedinjenjima, au fluoridima čak ima i pozitivan stepen. Ne mogu se sve vrste interakcija ostvariti prirodno. Neka jedinjenja zahtevaju posebne uslove za formiranje, na primer: visok pritisak, visoka temperatura, izlaganje retkim jedinjenjima koja se gotovo nikada ne nalaze u prirodi. Razmotrite glavna jedinjenja kiseonika sa drugim hemijskim elementima: oksidi, peroksidi i fluoridi.
Klasifikacija oksida prema kiselinsko-baznim svojstvima
Postoje četiri vrste oksida:
- basic;
- acid;
- neutralno;
- amphoteric.
Stanja oksidacije kiseonika u jedinjenjima ovih vrsta su -2.
- Bazni oksidi su jedinjenja sa metalima sa niskim stepenom oksidacije. Obično, kada se reaguje sa kiselinama, dobijaju se odgovarajuća so i voda.
- Kiseli oksidi - oksidi nemetala sa visokim stepenom oksidacije. Kada se doda uvoda stvara kiselinu.
- Neutralni oksidi su jedinjenja koja ne reaguju ni sa kiselinama ni sa bazama.
- Amfoterni oksidi su spojevi s metalima koji imaju nisku vrijednost elektronegativnosti. Oni, u zavisnosti od okolnosti, pokazuju svojstva i kiselih i bazičnih oksida.
Peroksidi, stanje oksidacije kiseonika u vodikovom peroksidu i drugim jedinjenjima
Peroksidi su jedinjenja kiseonika sa alkalnim metalima. Dobivaju se sagorevanjem ovih metala u kiseoniku. Peroksidi organskih jedinjenja su izuzetno eksplozivni. Mogu se dobiti i apsorpcijom kisikovih oksida. Primjeri peroksida:
- vodikov peroksid (H2O2);
- barijum peroksid (BaO2);
- natrijum peroksid (Na2O2).
Sve ih ujedinjuje činjenica da sadrže kisikovu grupu -O-O-. Kao rezultat, oksidacijsko stanje kisika u peroksidima je -1.
Jedno od najpoznatijih jedinjenja sa -O-O- grupom je vodikov peroksid. U normalnim uslovima, ovo jedinjenje je blijedoplava tečnost. Po svojim hemijskim svojstvima, vodikov peroksid je bliži slaboj kiselini. Budući da je -O-O- veza u spoju slabo stabilna, čak i na sobnoj temperaturi, otopina vodikovog peroksida može se razložiti na vodu i kisik. Međutim, to je najjači oksidant kada je u interakciji sa jačim oksidacionim svojstvimaredukcijski agens posjeduje samo vodikov peroksid. Oksidacijsko stanje kisika u vodikovom peroksidu, kao iu drugim peroksidima, je -1.
Druge vrste peroksida su:
- superoksidi (superoksidi u kojima kiseonik ima oksidaciju od -1/2);
- anorganski ozonidi (ekstremno nestabilna jedinjenja koja imaju anjon ozona u svojoj strukturi);
- organski ozonidi (jedinjenja koja imaju -O-O-O- vezu u svojoj strukturi).
Fluoridi, stanje oksidacije kiseonika u OF2
Fluor je najaktivniji element od svih trenutno poznatih. Stoga, kada kisik reagira s fluorom, ne dobijaju se oksidi, već fluoridi. Nazvani su tako jer u ovom spoju ne kisik, već fluor je oksidacijsko sredstvo. Fluoridi se ne mogu dobiti prirodnim putem. Sintetiziraju se samo ekstrahiranjem spajanjem fluora s vodenim rastvorom KOH. Kiseonički fluoridi se dijele na:
- oksigen difluorid (OF2);
- oksigen monofluorid (O2F2).
Hajde da pobliže pogledamo svako od jedinjenja. Kiseonik difluorid u svojoj strukturi je bezbojni gas sa izraženim neprijatnim mirisom. Prilikom hlađenja kondenzuje se u žućkastu tečnost. U tečnom stanju ne miješa se dobro s vodom, ali dobro se slaže sa zrakom, fluorom i ozonom. Po svojim hemijskim svojstvima, kiseonik difluorid je veoma jak oksidant. Stanje oksidacije kiseonika u OF2 je +1, odnosno u ovom jedinjenju fluor je oksidaciono sredstvo, a kiseonik redukciono sredstvo. OF2 veoma otrovno, u smislu toksičnostipremašuje čisti fluor i približava se fosgenu. Glavna upotreba ovog jedinjenja je kao oksidant za raketno gorivo, pošto kiseonik difluorid nije eksplozivan.
Monofluorid kiseonika je normalno žućkasta čvrsta supstanca. Pri topljenju formira crvenu tečnost. Snažan je oksidacijski agens i izuzetno je eksplozivan u interakciji s organskim jedinjenjima. U ovom spoju kisik pokazuje oksidaciona stanja jednaka +2, odnosno u ovom spoju fluora kisik djeluje kao redukcijski agens, a fluor djeluje kao oksidacijsko sredstvo.
Ozon i njegova jedinjenja
Ozon je molekul koji ima tri atoma kiseonika vezana jedan za drugi. U svom normalnom stanju, to je plavi plin. Prilikom hlađenja stvara tamnoplavu tečnost, blisku indigu. U čvrstom stanju, to su tamnoplavi kristali. Ozon ima oštar miris koji se prirodno može osjetiti u zraku nakon jakog nevremena.
Ozon je, kao i obični kiseonik, veoma jak oksidant. Po hemijskim svojstvima približava se jakim kiselinama. Kada je izložen oksidima, ozon povećava njihovo oksidacijsko stanje oslobađanjem kisika. Ali istovremeno se smanjuje stupanj oksidacije kisika. U ozonu hemijske veze nisu tako jake kao u O2, pa se u normalnim uslovima, bez napora, može razgraditi u kiseonik uz oslobađanje toplotne energije. Sa povećanjem temperature utiče na molekul ozona i sa smanjenjem pritiska, procesraspadanje u dvoatomski kiseonik sa oslobađanjem toplote se ubrzava. Istovremeno, ako postoji visok sadržaj ozona u svemiru, onda ovaj proces može biti praćen eksplozijom.
Budući da je ozon veoma jak oksidant i da se u skoro svim procesima uz njegovo učešće oslobađa velika količina O2, ozon je izuzetno toksična supstanca. Međutim, u gornjoj atmosferi, ozonski omotač djeluje kao reflektor od sunčevog ultraljubičastog zračenja.
Ozon se koristi za stvaranje organskih i neorganskih ozonida pomoću laboratorijskih alata. To su vrlo nestabilne tvari po svojoj strukturi, pa je njihovo stvaranje u prirodnim uvjetima nemoguće. Ozonidi se skladište samo na niskim temperaturama, jer su na uobičajenim temperaturama izuzetno eksplozivni i toksični.
Upotreba kiseonika i njegovih jedinjenja u industriji
Usled činjenice da su naučnici svojevremeno saznali koji stepen oksidacije kiseonik ima u interakciji sa drugim elementima, on i njegova jedinjenja se široko koriste u industriji. Posebno nakon pronalaska turboekspandera sredinom dvadesetog veka - jedinica sposobne da pretvore potencijalnu energiju kiseonika u mehaničku energiju.
Pošto je kiseonik izuzetno zapaljiva supstanca, koristi se u svim industrijama gde je neophodna upotreba vatre i toplote. Prilikom rezanja i zavarivanja metala, boce sa komprimiranim kisikom koriste se i za jačanje aparata za plamensko zavarivanje. Širokoupotreba kiseonika u industriji čelika, gde se komprimovani O2 koristi za održavanje visokih temperatura u visokim pećima. Maksimalno oksidaciono stanje kiseonika je -2. Ova njegova karakteristika se aktivno koristi za proizvodnju oksida u svrhu njihovog daljeg sagorijevanja i oslobađanja toplinske energije. Tečni kiseonik, ozon i druga jedinjenja koja sadrže velike količine O2, koriste se kao oksidanti raketnog goriva. Neka organska jedinjenja oksidirana kiseonikom koriste se kao eksplozivi.
U hemijskoj industriji kiseonik se koristi kao oksidaciono sredstvo za ugljovodonike u kiselim jedinjenjima kao što su alkoholi, kiseline, itd. U medicini se koristi pod smanjenim pritiskom za lečenje pacijenata sa plućnim problemima, za održavanje organizma vitalne funkcije. U poljoprivredi se male doze čistog kiseonika koriste za uzgoj ribe u ribnjacima, za povećanje udjela goveda, itd.
Kisik je moćno oksidaciono sredstvo, bez kojeg je postojanje nemoguće
Dosta je gore napisano o tome koji kiseonik pokazuje oksidaciona stanja kada reaguje sa raznim jedinjenjima i elementima, koje vrste kiseonikovih jedinjenja postoje, koje vrste su opasne po život, a koje ne. Jedna stvar može ostati neshvatljiva – kako je, uz svu svoju toksičnost i visok nivo oksidacije, kiseonik jedan od elemenata bez kojih je život na Zemlji nemoguć? Činjenica je da je naša planeta veoma uravnotežen organizam,koja se prilagodila upravo onim supstancama koje se nalaze u atmosferskom sloju. Učestvuje u ciklusu koji izgleda ovako: čovjek i sve druge životinje troše kisik i proizvode ugljični dioksid, a biljke u velikoj mjeri troše ugljični dioksid i proizvode kisik. Sve na svijetu je međusobno povezano, a gubitak jedne karike u ovom lancu može dovesti do prekida cijelog lanca. Ne treba zaboraviti na ovo i zaštititi život na planeti u cjelini, a ne samo njene pojedinačne predstavnike.
