Przeczytaj
Tlen jest pierwiastkiem chemicznym (), zajmującym pierwsze miejsce pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej. Występuje w postaci związków chemicznych (np. tlenków), ale głównie w postaci wolnej. Powietrze zawiera aż tego pierwiastka. Jest również niemetalem, który leży w drugim okresie i w szesnastej grupie układu okresowego pierwiastków (tlenowce). Odkrycie tlenu szacuje się na w. Występuje w trzech odmianach alotropowych i jest to jedyny przykład alotropiialotropii w stanie gazowym: ditlen (), ozon () i tetratlen ().
W 2006 r. naukowcy L.F. Lundegaard, G. Weck, M.I. McMahon,S. Desgreniers oraz P. Loubeyre podali informację na temat istnienia czwartej odmiany alotropowej tlenu, mianowicie oktatlenu . Jego istnienie potwierdzili przy zastosowaniu badań rentgenograficznych na otrzymanych kryształach tlenu. Badaczom udało się je uzyskać poprzez zastosowanie ciśnienia rzędu od do . Naukowcy podejrzewają, że wcześniej znana forma tetratlenu () mogła być w rzeczywistości oktatlenem (), składającym się z czterech cząsteczek .
Ditlen ()
Tlen, zawierający cząsteczki dwuatomowe, jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, który jest cięższy od powietrza.
litr tlenu w warunkach normalnych ma masę , natomiast litr powietrza ma masę .
Ditlen jest jedyną formą tlenu, która posiada niesparowane elektrony, dlatego cechuje go paramagnetyzm. Jego struktura elektronowa nie posiada formalnych wiązań podwójnych miedzy atomami tlenu, lecz wiązanie pojedyncze. Jest ono słabsze niż wiązanie podwójne, ale silniejsze od wiązania pojedynczego. Taka struktura cząsteczki ditlenu jest związana z teorią orbitali wiążących i antywiążących oraz z regułą Hundaregułą Hunda.
Tlen wrze w temperaturze () i zamarza w temperaturze (). W postaci cieczy i ciała stałego jest jasnoniebieską, przezroczystą substancją. Ta odmiana alotropowa tlenu wykorzystywana jest przez organizmy w procesie oddychania tlenowego.
Oddychanie czystym jest szkodliwe dla ludzi. Dlaczego? Podanie go pacjentowi sprawia, że jego oddech przyspiesza, w efekcie czego z krwi szybko usuwany jest dwutlenek węgla, co skutkuje zwężeniem naczyń krwionośnych, które dostarczają tlen do ważnych organów, m.in. mózgu, płuc, serca (dr Steve Iscoe, Uniwersytet Queen’s). Inaczej jednak wygląda to w kosmosie – tam oddychanie czystym , w kombinezonach lub na statkach kosmicznych, nie powoduje szkód astronautom, ze względu na obniżone ciśnienie.
Ozon ()
Ozon, będący jedną z odmian alotropowych tlenu, posiada trójatomowe cząsteczki. W stanie gazowym jest bezbarwny lub ma niebieskawą barwę i zapach przypominający woń powietrza po burzy. Cząsteczka ozonu ma budowę kątową, w której poprzez linie przerywane należy rozumieć elektrony zdelokalizowane, a więc takie, których nie można przypisać konkretnym atomom w cząsteczce. Jego struktura elektronowa nie posiada niesparowanych elektronów, dlatego też charakteryzuje go diamagnetyzm.
Ozon jest bardzo reaktywnym alotropem tlenu. Jego odkrycie datuje się na r. Wówczas Christian Friedrich Schönbein otrzymał ozon w wyniku elektrolizy wody. Występuje w troposferze oraz w stratosferze.
Ozon troposferyczny, inaczej przyziemny, powstaje na skutek wyładowań elektrycznych i reakcji fotochemicznych tlenków azotu z lotnymi związkami organicznymi w atmosferze. Jest niekorzystny dla organizmów żywych. Natomiast ozon stratosferyczny powstaje na skutek oddziaływania promieniowania słonecznego na cząsteczki ditlenu (), w wyniku czego rozpadają się one na dwa atomy tlenu (), a następnie reagują z tlenem cząsteczkowym, tworząc cząsteczki ozonu ().
W górnej warstwie atmosfery – stratosferze – ozon tworzy niezwykle ważną dla życia na Ziemi ochronną warstwę (około od powierzchni Ziemi). Jest to warstwa ozonowa (ozonosfera). Absorbuje prawie całkowicie szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie nadfioletowe o długości fali poniżej . Chroni tym samym organizmy żywe przed szkodliwym wpływem promieni UV, których do powierzchni Ziemi dociera zaledwie kilka procent. Niszczenie warstwy ozonowej grozi zachorowaniem na raka skóry, zaćmę oraz ma niekorzystny wpływ na uprawy rolne i lasy. Wynikiem spadku stężenia ozonu w stratosferze jest dziura ozonowa.
Dziura ozonowa powstaje w wyniku niekorzystnej działalności człowieka, który do atmosfery dostarcza tlenki azotu (poprzez samoloty i wybuchy nuklearne), halony oraz freony, kiedyś stosowane w lodówkach chlorowcopochodne węglowodorów (np. ). Ponadto ozon powstaje również w wyniku pracy silników elektrycznych, drukarek laserowych i kserokopiarek.
Christian Friedrich Schönbein ()
Niemiecko‑szwajcarski chemik i fizyk, zagorzały eksperymentator. Niejednokrotnie jego doświadczenia kończyły się masą zniszczeń, czym szczególnie narażał się swojej żonie. Zwłaszcza, że jako laboratorium służyła mu własna kuchnia. Pewnego razu ( r.), pod nieobecność małżonki, wylały mu się kwas azotowy() i kwas siarkowy(). Aby zatrzeć ślady, pospiesznie wytarł kałużę bawełnianym fartuchem żony. Za chwilę odwiesił go do wyschnięcia, lecz po pewnym czasie, ku zaskoczeniu naukowca, fartuch zapalił się i w oka mgnieniu spłonął. Naukowiec w ten sposób odkrył wybuchową nitrocelulozę. Był również odkrywcą zasady działania ogniw wodorowych ( r.) oraz ozonu ( r.).
Ozon to bardzo silny utleniacz. Wynika to z jego zdolności do łatwego rozkładu na ditlen () i tlen atomowy (). Z łatwością utlenia substancje, które z ditlenem () reagują bardzo wolno, przy czym nie wymaga stosowania podwyższonej temperatury. Co więcej, jest wykorzystywany do dezynfekcji wody pitnej, basenów, pomieszczeń oraz produktów spożywczych. Takie zastosowanie wynika ze zdolności ozonu do usuwania bakterii. To sprawia, że produkty mają przedłużony okres przydatności, a woda odzyskuje przejrzystość bez nieprzyjemnego zapachu, jak w przypadku powszechnie stosowanego chloru. Istnieją również szkody wynikające z wpływu ozonu – powoduje psucie materiałów, takich jak gumy bądź tkaniny. Jest również szkodliwy dla organizmów żywych, ponieważ uszkadza tkankę płucną (oddychanie powietrzem zawierającym więcej niż ozonu () jest dla ludzi toksyczne).
Tworzenie się ozonu, w wyniku naświetlania ditlenu () promieniowaniem ultrafioletowym (UV), wykorzystywane jest w lampach kwarcowych do dezynfekcji pomieszczeń w szpitalach.
Tetratlen ()
Tetratlen to odmiana alotropowa tlenu, odkryta w r. przez włoskich naukowców. Od początku w. podejrzewano występowanie cząsteczek o masie atomowej, odpowiadającej dimerowi . Są one jednak bardzo nietrwałe i rozpadają się ponownie, tworząc dwie cząsteczki dwuatomowego tlenu ().
Dowód na istnienie tetratlenu zdobyto dopiero poprzez zastosowanie wysokiego ciśnienia rzędu (na ), wówczas ditlen ma tendencję do występowania w postaci czteroatomowych cząsteczek. Badania te zostały potwierdzone poprzez zastosowanie spektrometrii mas. Metoda ta jest metodą spektroskopową i polega na pomiarze stosunku masy do ładunku jonu.
Tetratlen ma jasnoczerwoną barwę. Nadal nie ma pewności, jak wyglądają cząsteczki tetratlenu. Obliczenia teoretyczne sugerują, że mogą one występować w postaci cząsteczek w kształcie rombu z atomem w każdym jego rogu lub jako trójkąt atomów z czwartym atomem w centrum. Inne przypuszczenia sugerują, że składa się z dwóch molekuł w kształcie hantli, luźno połączonych siłami dyspersji dipolowej. Tetratlen posiada silniejsze właściwości utleniające niż ditlen i ozon. Ze względu na to jest badany pod kątem zastosowania jako utleniacz w paliwach rakietowych.
Słownik
(gr. állos „obcy, inny”, trópos „sposób, postać”) występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w dwóch lub więcej odmianach, znajdujących się w tym samym stanie skupienia
warstwa atmosfery ziemskiej o zwiększonej zawartości ozonu znajduje się w stratosferze na wysokości od od powierzchni Ziemi; ozonosfera chroni organizmy żywe, pochłaniając bardzo szkodliwe promieniowanie nadfioletowe o dł. fali
niekorzystne zjawisko spadku stężenia ozonu () w stratosferze; występuje głównie nad obszarami podbiegunowymi; spowodowana jest przede wszystkim czynnikami antropogenicznymi, szczególnie niekorzystnym wpływem freonów
chlorowcopochodne węglowodorów alifatycznych tj. metanu i etanu (skrót CFC), zawierające głównie fluor i chlor; bezwonne, nietoksyczne i niepalne związki organiczne; przed odkryciem niszczącego wpływu na warstwę ozonową, były stosowane masowo jako gazy nośne w aerozolach czy substancje chłodzące w lodówkach i klimatyzatorach; są nimi, m.in.: dichlorodifluorometan () oraz trichlorofluorometan ()
chlorowcopochodne węglowodorów alifatycznych (metanu i etanu), zawierające atomy fluoru, bromu i/lub chloru; stosowane jako środki gaśnicze; są nimi, m.in. trifluorobromometan (), difluorochlorobromometan () oraz tetrafluorodibromoetan ()
zjawisko powstawania w materiale namagnesowania, skierowanego przeciwnie do przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego
zjawisko magnesowania się ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym do kierunku pola magnetycznego
głosi, że na danej podpowłoce powinna istnieć możliwie największa liczba niesparowanych elektronów; niesparowane elektrony, które obsadzają poziomy orbitalne tej samej podpowłoki, powinny mieć jednakową orientację spinu; do sparowania elektronów dochodzi dopiero po zajęciu przez elektrony niesparowane wszystkich poziomów orbitalnych danej podpowłoki
Bibliografia
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.
Cacace F., de Petris G., Troiani A., Experimental detection of tetraoxygen, „Angewandte Chemie International Edition” 2001, 40, pp. 4062 - 4065.
Encyklopedia PWN
Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.
Lundegaard L. F., Weck G., McMahon M. I., Desgreniers S., Loubeyre P., Observation of an O8 molecular lattice in the phase of solid oxygen, „Nature” 2006, 443, s. 201–204.