Ważną właściwością tlenu jest zdolność do podtrzymywania palenia. Spalanie polega na gwałtownym łączeniu się tlenu z różnymi substancjami, któremu towarzyszy wydzielanie się ciepła i światła. Aby zapoczątkować ten proces, konieczne jest dostarczenie energii. W jaki sposób przebiegają reakcje spalania wolnych pierwiastków? Jakie produkty otrzymujemy?

RO1Udg16w9LxW

Ilustracja przedstawia zestaw do otrzymywania tlenu. Jedna probówka z białym proszkiem jest umieszczona w łapie statywu, pod nią znajduje się zapalony palnik. Zatkana jest korkiem z rurka odprowadzającą, której drugi koniec umieszczony jest w drugiej probówce wypełnionej woda i odwróconej do góry dnem w krystalizatorze z wodą. Probówka również zamontowana jest w łapie statywu.

Jakie są laboratoryjne metody otrzymywania tlenu?

Tlen można otrzymać, przeprowadzając rozkład termiczny manganianu($\text{VII}$) potasu ${\text{KMnO}}_4$ lub chloranu($\text{V}$) potasu ${\text{KClO}}_3$, ale także przez rozkład tlenku rtęci($\text{II}$).

Kolejną metodą otrzymywania tlenu jest rozkład nadtlenku wodoru ${\text{H}}_2{\text{O}}_2$, który zachodzi w temperaturze pokojowej. Proces ten przyspiesza udział katalizatora, którym może być tlenek manganu($\text{II}$), lub suszone drożdże, a nawet kawałek ziemniaka.

Pierwiastki, takie jak: sód, wapń, magnez, glin oraz żelazo, spalają się w tlenie. Reakcje te przebiegają gwałtowniej niż w powietrzu, ponieważ to właśnie w nim występuje tylko $21\%$ objetościowych tlenu.

Jakie związki powstają w wyniku tych reakcji?

W przypadku wapnia, magnezu czy glinu, odpowiedź jest jednoznaczna – powstają tlenkitlenkitlenki tych metali, czyli $\text{CaO}$ i ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$:

W wyniku spalania magnezu w tlenie powstaje tlenek magnezu $\text{MgO}$. Reakcji tej towarzyszy pojawienie się oślepiającego białego światła.

Natomiast dla sodu i żelaza już nie. Żelazo może tworzyć tlenki na $\text{II}$ i $\text{III}$ stopniu utlenienia:

W wyniku reakcji żelaza z tlenem otrzymuje się mieszaninę tlenków, czyli tlenek żelaza($\text{II}$,$\text{III}$) – magnetyt:

A jak w reakcjach spalania zachowują się litowce? Lit, rozgrzany do temperatury $100°\text{C}$, reaguje z tlenem, w wyniku czego powstaje tlenek litu ${\text{Li}}_2\text{O}$:

Natomiast bardzo aktywny sód, w gwałtownej reakcji spalania, tworzy z tlenem nie tylko tlenek ${\text{Na}}_2\text{O}$, ale przede wszystkim nadtleneknadtlenkinadtlenek ${\text{Na}}_2{\text{O}}_2$, będący głównym produktem reakcji:

Potas, podobnie jak sód, w reakcji z tlenem tworzy tlenek ${\text{K}}_2\text{O}$ i nadtlenek ${\text{K}}_2{\text{O}}_2$. W obecności odpowiedniej ilości tlenu, potas tworzy także ponadtlenek ${\text{KO}}_2$:

Zarówno chrom,  jak i cynk są na powietrzu stabilnymi metalami. W wyniku reakcji z tlenem ulegają pasywacji.

Rozdrobniony chrom ma właściwości piroforyczne – ma zdolność samozapłonu w zetknięciu z tlenem powietrza.

Cynk, po ogrzaniu, reaguje z tlenem, dając biały tlenek cynku.

Miedź, ogrzewana do przedziłu temperatur $600$-$1000°\text{C}$, reaguje z tlenem z powietrza, czego efektem jest powstawanie czarnego proszku – tlenku miedzi($\text{II}$).

Wszystkie wymienione tlenki są związkami jonowymi.

Węgiel reaguje z tlenem w podwyższonej temperaturze. W zależności od dostępności tlenu, w wyniku reakcji spalania węgla w tlenie powstają różne tlenki.

W przypadku pełnej dostępności tlenu, produktem reakcji jest tlenek węgla($\text{IV}$):

W wyniku spalania węgla, przy niepełnym dostępie tlenu, powstaje toksyczny w działaniu tlenek węgla($\text{II}$) (czad):

Fosfor czerwony energicznie spala się w tlenie, a produktem tej reakcji jest biały, stały tlenek fosforu($\text{V}$).

Do spalenia krzemu w tlenie wymagana jest temperatura $400°\text{C}$. W wyniku tej reakcji powstaje tlenek krzemu($\text{IV}$).

Siarka spala się w tlenie intensywnym, niebieskim płomieniem, w efekcie czego powstaje bezbarwny, duszący gaz – tlenek siarki($\text{IV}$). Aby uzyskać tlenek siarki na najwyższym $\text{VI}$ stopniu utlenienia, konieczne jest przeprowadzenie reakcji spalania z udziałem katalizatorakatalizatorkatalizatora.

Równanie reakcji utlenienia ${\text{SO}}_2$ do ${\text{SO}}_3$:

Azot jest pierwiastkiem mało aktywnym i bardzo trudno łączy się z tlenem. Ostatecznie tworzy z nim kilka połączeń na stopniach utleniania od $\text{I}$ do $\text{V}$: ${\text{N}}_2\text{O}$, $\text{NO}$, ${\text{N}}_2{\text{O}}_3$, ${\text{NO}}_2$, ${\text{N}}_2{\text{O}}_5$. W normalnych warunkach azot pozostaje gazem niepalnym, a do jego spalenia konieczne jest użycie katalizatora i specjalnych warunków reakcji.

W przeciwieństwie do opisanych wcześniej przykładów, związki fluoru z tlenem nazywamy fluorkami. Tlen występuje w nich na dodatnich stopniach utlenienia. Proces ten jest gwałtowny, a jego produktem jest difluorek ditlenu. Aby w kontrolowany sposób przeprowadzić te reakcje, stosuje się dwie metody.

1. Ciekły tlen, który wprowadza się do reaktora z ciekłym fluorem w $-196°\text{C}$. Następnie układ reakcyjny naświetla się promieniowaniem elektromagnetycznym o energii $3 \text{MeV}$ (megaelektronowoltów). Reakcja ta biegnie zgodnie z równaniem:

2. drugą wykorzystywaną metodą jest otrzymywanie difluorku ditlenu z gazowych substratów – mieszaninę gazów, pod obniżonym ciśnieniem ($17 \text{mmHg}$, $\mathrm{0,02}$ atmosfery), traktuje się wyładowaniami elektrycznymi. Reakcja ta biegnie zgodnie z równaniem:

Mimo, że znanych jest wiele związków chloru z tlenem, nie powstają one w wyniku bezpośredniego spalania chloru w tlenie.

Tlen tworzy związki z prawie wszystkimi pierwiastkami. Wyjątek stanowią gazy szlachetne – pierwiastki należące do $18.$ grupy układu okresowego, które nie spalają się w tlenie. Wynika to z faktu, iż są one bierne chemicznie.

Wodór reaguje gwałtownie z tlenem, a produktem reakcji jest woda:

Tlen z większością pierwiastków tworzy tlenki. Wiele z nich może powstawać w reakcji spalania w tlenie. Metale tworzą z tlenem zazwyczaj związki jonowe, które są ciałami stałymi, natomiast niemetale w reakcji z tlenem tworzą związki kowalencyjne, występujące we wszystkich trzech stanach skupienia.

Ciekawostka

Przemysłową metodę otrzymywania tlenku azotu($\text{II}$), w reakcji syntezy bezpośredniej w łuku elektrycznym, opracował w $1903$ roku polski chemik – Ignacy Mościcki.

REmDu5BAweOTH

Zdjęcie przedstawia biały budynek z czerwonym dachem znajdujący się przy asfaltowej drodze. Przed nim rośnie drzewo.

REGbTZYdMJxGw

Zdjęcie przedstawia Ignacego Mościckiego - starszego mężczyznę z wąsem w czarnym garniturze z białą koszulą.

R1LyZpxMWfJLu

Zdjęcie przedstawia Ignacego Mościckiego, jadącego na koniu w trakcie uroczystości. Przed nim stoją mężczyźni w mundurach ze sztandarami, siedzący na koniach.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna, Warszawa 2004.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1987.

Czerwińska A., Jelińska‑Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., , Chemia 1. Podręcznik, Warszawa 2002, s. 210‑240.

Hasssa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski., Chemia 2, Warszawa 2003.