Oxigén

Az oxigén a periódusos rendszer VI. főcsoportjának (16. csoport, oxigéncsoport) első eleme, a 2. periódusban. Külső elektronhéja 2s² 2p⁴, azaz 6 vegyértékelektronja van, közülük 2 párosítatlan. A nemesgáz-szerkezet eléréséhez 2 elektron hiányzik — ezt vagy 2 elektron felvételével (oxidion, O²⁻), vagy két kovalens kötés kialakításával éri el.

• Elektronegativitás: EN = 3,5 — a fluor (4,0) után a legnagyobb. Emiatt az oxigén szinte minden elemmel szemben oxidálószer.
• Jellemző oxidációs szám: −2 (a legtöbb oxidban és szerves vegyületben). Kivételek: a peroxidokban −1, a fluorral szemben (OF₂) pozitív.
• Izotópok: a természetes oxigén túlnyomó része a ¹⁶O izotóp; emellett kis mennyiségben ¹⁷O és ¹⁸O is előfordul.
• Allotrópia: az oxigén elemként két módosulatban (allotrópban) létezik — a dioxigén (O₂) és az ózon (O₃).

Az allotrópia azt jelenti, hogy ugyanaz az elem többféle, eltérő szerkezetű és tulajdonságú elemi módosulatban (allotrópban) is létezhet. Az oxigénnek két allotrópja van: a mindennapi, kétatomos dioxigén (O₂) és a háromatomos, reaktív ózon (O₃). Kattints a gombokra, és hasonlítsd össze a két módosulat szerkezetét és tulajdonságait!

Az elemi oxigén szokásos formája a kétatomos dioxigén-molekula (O₂). A két oxigénatomot kettős kötés tartja össze: egy σ (szigma) és egy π (pi) kötés, összesen tehát két kovalens kötés. Mivel a két atom azonos, a molekula apoláris.

• Kötés: 2 kovalens kötés = 1 σ + 1 π (kettős kötés, O=O).
• Polaritás: apoláris (azonos atomok, szimmetrikus molekula).
• Halmaz: szilárd és folyékony állapotban a molekulákat gyenge diszperziós kötés tartja össze → molekularács.
• Stabilitás: nagy kötési energia → nagy stabilitás; a reakciók beindításához gyakran hő (aktiválási energia) kell.

Miért fontos a vízben oldott (csekély) oxigén?

Bár az O₂ csak kis mértékben oldódik vízben, ez a kevés oldott oxigén létfontosságú és sokféle következménnyel jár:

• biztosítja a vízi élővilág oxigénellátását (halak, vízi élőlények légzése);
• segíti a vizek öntisztulását (a szerves szennyezők lebontását);
• ugyanakkor a vizes közegben jelen lévő oxigén okozza a fémek korrózióját is.

Az oxigén erős oxidálószer: táplálja az égést, és a nemesgázok és a nemesfémek kivételével minden elemmel reagál. A reakciók rendszerint magasabb hőmérsékleten indulnak, mert az O₂-molekula stabil (nagy kötési energia), így beindításához aktiválási energia (gyújtás, melegítés) szükséges. Válassz egy reakciópartnert, és nézd meg a rendezett egyenletet és a magyarázatot!

A fontosabb égési és oxidációs reakciók

Az oxigén nemfémekkel és fémekkel egyaránt reagál — a termékek a megfelelő oxidok:

Lassú oxidáció: a bor megecetesedése

Az oxigén nem csak gyors égéssel oxidál — a lassú oxidáció is mindennapos jelenség. Ilyen a bor megecetesedése: a levegő oxigénje a borban lévő etil-alkoholt ecetsavvá oxidálja (a folyamatban ecetsavbaktériumok is részt vesznek).

Amikor egy fém felülete oxigénnel reagál, oxidréteg képződik. Hogy ez a réteg megvédi-e a fémet a továbboxidálódástól, az a réteg szerkezetén múlik — ez a különbség a passziválás és a korrózió között.

Az ózon az oxigén másik allotrópja: háromatomos, V-alakú (hajlított) molekula. A három oxigénatomot σ-kötések és egy, a teljes molekulára kiterjedő delokalizált π-kötés kapcsolja össze. A delokalizáció miatt a két O–O kötés egyenértékű.

Fizikai tulajdonságok

Keletkezés és bomlás

Az ózon az oxigénmolekula és egy atomos oxigén egyesüléséből keletkezik, és bomlékony: a folyamat egyensúlyra vezet, amit a hőmérséklet, a nyomás és a fény is befolyásol.

• Az ózon keletkezése endoterm, és térfogatcsökkenéssel jár (jobbra haladva csökken a részecskeszám).
• Az ózon bomlása exoterm, és térfogat-növekedéssel jár.
• Az ózon bomlékony; a bomlást a fény erősíti. Bomláskor naszcensz (atomos) oxigén szabadul fel → ezért erélyes oxidálószer.

Az ózon reakciói és előállítása

Az ózon — erélyes oxidálószerként — sok fémet oxidál. Jellegzetes példa, hogy az ezüst ózonos levegőben megfeketedik (ezüst-oxid keletkezik):

Ózont mesterségesen nagyfeszültségű elektromos kisülésben, energiabefektetéssel állítanak elő oxigénből:

A magas légkörben (a sztratoszférában) az ózon természetes módon, az UV-sugárzás hatására keletkezik az oxigénből, és vékony, de létfontosságú réteget — az ózonpajzsot — alkot. Ez elnyeli a Nap káros ultraibolya (UV) sugárzásának nagy részét, és így védi a földi életet.

Az ózonlyuk és a freonok

Az ózonpajzs elvékonyodását (az ózonlyukat) emberi eredetű anyagok okozzák: elsősorban a freonok és a halonok. Ezek a magas légkörbe jutva, a sugárzás hatására klór- és fluoratomokat szabadítanak fel, amelyek katalitikusan bontják az ózont.

• A freonokat és halonokat ma már betiltották.
• Korábban használták: spray-k hajtógázaként, hűtőszekrényekben, légkondicionálókban, habszivacs gyártásához és tűzoltó készülékekben.

Az alsó légköri ózon

A magas légkörben az ózon hasznos (véd), az alsó légkörben (a talaj közelében) viszont mérgező és egészségkárosító. Ide nem természetes módon kerül:

• kvarclámpák és fénymásolók működése közben keletkezik;
• a járművek kipufogógázából kiinduló folyamatokban (a nyári szmog egyik komponense).

Előfordulás

Az oxigén a Föld leggyakoribb eleme. Elemi állapotban a levegő alkotórésze, vegyületeiben pedig mindenütt jelen van:

• A levegőben 21 V/V% (térfogatszázalék) elemi O₂ van.
• Vegyületeiben: a vízben (H₂O), számtalan ásványban (oxidok, szilikátok, karbonátok), és a szerves anyagokban (pl. cellulóz).

Előállítás

Iparilag az oxigént a levegő cseppfolyósításával és frakcionált desztillációjával nyerik (a levegő gázait forráspontjuk szerint különítik el). A laboratóriumban oxigéntartalmú vegyületek hőbontásával vagy katalitikus bomlásával állítják elő. Válassz egy laboratóriumi módszert, és nézd meg a rendezett egyenletet!

Az oxigén keletkezése a természetben: a fotoszintézis

A légkör oxigénjét a növények fotoszintézise termeli és tartja fenn: a zöld növények fény energiájával szén-dioxidból és vízből szőlőcukrot (glükózt) és oxigént állítanak elő.

Az oxigén nélkülözhetetlen az élethez és a technika számos területéhez. Erős oxidáló hatását és az égést tápláló képességét sokféleképpen hasznosítjuk.

Oxigént fogyasztó folyamatok

A levegő oxigénjét sokféle folyamat használja el — ezeket a fotoszintézis pótolja:

• légzés (az élőlények energianyerése),
• korhadás (a szerves anyag lassú lebomlása),
• korrózió (a fémek oxidálódása),
• mállás (a kőzetek kémiai bomlása),
• tüzelés (égés, energiatermelés).

Biológiai jelentőség: két szembenálló folyamat

A bioszférában az oxigén körforgását két, egymással ellentétes folyamat egyensúlya tartja fenn:

Az oxigénpalack és a biztonság

A tiszta oxigént nyomás alatt, kék színű palackban tárolják és szállítják. Az oxigénpalack kezelésénél kiemelt biztonsági szabály van: