Przeczytaj

Tlen jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 16, położonym w 2. okresie i 16. grupie układu okresowego pierwiastków. Jego podpowłokową konfigurację elektronową w stanie podstawowym można przedstawić w następujący sposób:

{}_{8}{O:} 1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{4}

R9ZAErQhU8Jss1

Ilustracja przedstawiająca konfigurację elektronową atomu tlenu w stanie podstawowym. Pierwsza klatka zawiera dwie strzałki, pierwszą skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, co odpowiada orbitalowi 1s2. Następna klatka posiada analogicznie rozmieszczone strzałki reprezentujące sparowane elektrony i jest przypisana orbitalowi 2s2. Ostatnie trzy połączone ze sobą klatki dla 2p4. W pierwszej z nich znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana do góry, zaś druga do dołu. W dwóch kolejnych klatkach znajduje się po jednej strzałce skierowanej do góry. Każda strzałka reprezentuje jeden elektron. — Konfiguracja elektronowa atomu tlenu w stanie podstawowym
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Budowa cząsteczki dwuatomowej tlenu

Tlen w przyrodzie praktycznie nie występuje w postaci atomowej, ale zazwyczaj w postaci cząsteczek dwuatomowych $O_{2}$ . Atomy tlenu, tworząc cząsteczkę $O_{2}$ , łączą się przy pomocy dwóch wiązań kowalencyjnych niespolaryzowanych. Dzięki temu każdy z atomów zyskuje oktet elektronowy – w cząsteczce tlenu każdy atom ma bowiem do dyspozycji, prócz swoich sześciu elektronów, dwa elektrony przekazane do wspólnych par przez drugi z atomów tlenu.

R1cWvoy5VfkIS1

Ilustracja przedstawiająca proces powstawania cząsteczki tlenu - „uwspólnienia” czterech elektronów w atomach tlenu. Po lewej stronie znajdują się dwa atomy tlenu. Każdy z nich posiada sześć elektronów zaznaczonych w postaci par kropek, po trzy pary na atom. Każdy atom udostępnia dwa elektrony sąsiedniemu. To znaczy elektrony zostają uwspólnione. W rezultacie między dwoma atomami tlenu znajdują się cztery elektrony – ukazane schematycznie w postaci czterech kropek. Ponadto każdy z atomów ma cztery własne elektrony – cztery kropki, które to tworzą wolne pary elektronowe. Wzór można przedstawić w postaci kreskowej. Na ostatnim rysunku po prawej stronie poszczególne elektrony pochodzące od obu atomów tlenu zbliżają się na tyle, że powstają wiązania. Każdy z atomów po uwspólnieniu elektronów, nadal posiada po dwie wolne pary elektronowe, każdą parę reprezentuje para kropek. Poniżej został przedstawiony wzór kreskowy składający się z dwóch połączonych wiązaniem podwójnym atomów węgla, dwie kreski reprezentujące wiązanie podwójne są usytuowane poziomo i równolegle względem siebie, a także znajdują się pomiędzy symbolami tlenu O, symbole znajdują się po lewej i po prawej stronie. Ponadto każdy z atomów tlenu posiada po dwie wolne pary elektronowe. Każdą parę stanowi kreska. — Proces „uwspólnienia” czterech elektronów w atomach tlenu
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku takiego „uwspólnienia”, połączenie przybiera postać wiązania podwójnego $O = O$ .

Strukturę cząsteczki $O_{2}$ możemy zapisać wzorem elektronowym Lewisa:

RRSwbkspf3t8I1

Ilustracja przedstawiająca kolejno wzór sumaryczny, Lewisa i model cząsteczki tlenu. Wzór sumaryczny to O2, wzór Lewisa, który stanowią dwa atomy tlenu O połączone wiązaniem podwójnym, a każdy z nich ma dodatkowo zaznaczone po dwie wolne pary elektronowe w postacie kresek. Ostatni model cząsteczki tlenu stanowią dwie przylegające do siebie, niebieskie kulki. — Wzór sumaryczny, wzór Lewisa oraz model cząsteczki tlenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Rozważmy tworzenie się cząsteczki tlenu w oparciu o teorię orbitali molekularnych (zakładamy, że oś jest osią łączącą jądra atomów).

RNVVI0nkYnogj1

Ilustracja przedstawiająca schemat diagramu energetycznego dla cząsteczki tlenu O2 o liczbie atomowej osiem. W lewej części znajduje się strzałka opisana "energia". Po prawej stronie orbitale atomowe atomu O i po lewej stronie orbitale atomu O. Na środku cząsteczka O2 oraz orbitale molekularne powstałe w wyniku nałożenia orbitali atomowych. Od dołu po prawej stronie i po lewej znajdują się poziome odcinki odpowiadające energii orbitali atomowych 2 s, od nich poprowadzone przerywane linie do środka schematu po skosie do góry i po skosie na dół łączące się z krańcami dwóch poziomych odcinków jednego na górze i drugiego na dole. Dolny odcinek odpowiada energii orbitalu molekularnego wiążącego sigma 2 s 2 s, zaś drugi energii orbitalu molekularnego antywiążącego sigma z gwiazdką 2 s 2 s. Powyżej znajdują się po prawej i po lewej stronie po trzy odcinki odpowiadające poziomom energetycznym orbitali 2 p prawego i lewego atomu tlenu na diagramie. Od nich poprowadzone są po skosie do góry pod dwie linie z prawej i po dwie z lewej oraz do dołu po dwie z prawej i po dwie z lewej strony. Linie poprowadzone po skosie znajdujące się najniżej łączą się z końcami odcinka znajdującego się na środku diagramu, nad energią odpowiadającą energii orbitalu sigma z gwiazdką. Odcinek ten odpowiada z kolei energii orbitalu molekularnego wiążącego sigma 2 p iks 2 p iks. Nieco powyżej linie poprowadzone po skosie w dół od orbitali atomowych p łączą się z dwoma odcinkami na środku diagramu, które to odpowiadają energii orbitali molekularny wiążących pi 2 p igrek dwa p igrek po lewej stronie oraz oraz pi 2 p zet dwa p zet (obu o tej samej energii). Powyżej poprowadzone po skosie do góry od orbitali atomowych 2p linie łączą się z krańcami dwóch odcinków znajdujących się na środku diagramu i odpowiadających energii orbitali molekularnych antywiążących pi z gwiazdką 2 p igrek 2 p igrek oraz pi z gwiazdką 2 p zet 2 p zet. Najwyższą energię posiada orbital antywiążący sigma z gwiazdką 2 p iks 2 p iks, któremu to odpowiada odcinek znajdujący się najwyżej. — Diagram energetyczny przedstawia zestaw wyjściowych orbitali atomowych oraz powstały zbiór orbitali molekularnych, w wyniku nałożenia się walencyjnych orbitali atomowych.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Powstawanie orbitali cząsteczkowych w cząsteczce tlenu jest wynikiem nakładania się orbitali atomowych. Wyższe położenie orbitali oznacza wyższy poziom energii elektronów, które te orbitale zajmują. Aby rozważyć diagram poziomów energii orbitali molekularnych dla cząsteczki $O_{2}$ , należy na diagramie energetycznym umieścić $12$ elektronów walencyjnych (po sześć od każdego atomu $O$ ). Orbitale wypełniamy zgodnie ze znanymi nam zasadami – regułą Hunda i zasadą Pauliego. Wypełniamy diagram, zaczynając od orbitalu o najniższej energii. Do wypełnienia orbitali $σ 2_{s} - 2_{s}$ i $σ^{*} 2_{s} - 2_{s}$ potrzebne są dwa elektrony na każdy z orbitali, dwa kolejne elektrony są potrzebne do wypełnienia orbitalu $σ 2_{px} - 2_{px}$ , a do wypełnienia zdegenerowanych orbitali $π 2_{pz} - 2_{pz}$ i $π 2_{py} - 2_{py}$ są potrzebne łącznie cztery elektrony. Zgodnie z pierwszą zasadą Hunda, ostatnie dwa muszą być rozmieszczone na oddzielnych orbitalach $π^{}$ z równoległymi spinami, co daje wielokrotność trzech (stan tripletowy) z dwoma niesparowanymi elektronami. Z diagramu można obliczyć rząd wiązania (RW):

RW = \frac{(liczba e^{-} na orbitalach molekularnych wiążących - liczba e^{-} na orbitalach molekularnych antywiążących)}{2}

RW = \frac{8 - 4}{2} = 2

Z diagramu wynika, że cząsteczka tlenu w stanie podstawowym zawiera dwa niesparowane elektrony, tzn. że wzór elektronowy cząsteczki tlenu nie zawiera wiązania podwójnego tylko pojedyncze, które ponadto posiada dwa niesparowane elektrony. W związku z tym model elektronowy cząsteczki powinien wyglądać inaczej:

R1DA7c2dNa1aI

Ilustracja przedstawiająca model elektronowy cząsteczki tlenu trypletowego. Dwa atomy tlenu O łączy wiązanie podwójne reprezentowane przez dwie równoległe kreski usytuowane poziomo pomiędzy symbolami pierwiastka O. Dodatkowo na każdym atomie zlokalizowane są po dwie wolne pary elektronowe, każda z nich reprezentowana przez kreskę, a także po jednym niesparowanym elektronie symbolizowanym przez pojedynczą kropkę. — Model elektronowy cząsteczki tlenu trypletowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Istnienie (dwurodnikowejrodnikdwurodnikowej) cząsteczki tlenu tzw. formy trypletowej $(^{3} O_{2})$ , posiadającej dwa niesparowane elektrony, potwierdzono eksperymentalnie. To właśnie teoria orbitali molekularnych pozwoliła wytłumaczyć ten fakt.

Tlen, który ma dwa niesparowane elektrony (trypletowy), mógłby wejść w reakcję tylko z cząsteczką mającą również dwa niesparowane elektrony. Jednak większość cząsteczek posiada niestety elektrony sparowane, co ogranicza reaktywność tlenu. Znacznie bardziej reaktywna jest forma tlenu singletowego $(^{1} O_{2})$ , która powstaje w wyniku wzbudzenia cząsteczek i przegrupowaniu się elektronów, tak by zostały one sparowane.

RC01YMOyfBRZY

Ilustracja przedstawiająca model elektronowy cząsteczki tlenu singletowego. Dwa atomy tlenu O łączy wiązanie podwójne reprezentowane przez dwie równoległe kreski usytuowane poziomo pomiędzy symbolami pierwiastka. Dodatkowo na każdym atomie zlokalizowane są po dwie wolne pary elektronowe, każda z nich reprezentowana przez kreskę. — Model elektronowy cząsteczki tlenu singletowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Tlen tworzy związki chemiczne z większością pierwiastków, a ich rodzaj zależy od właściwości pierwiastka, który wiąże się z tlenem.

Ćwiczenie 1

Zastanów się i podaj przykłady dowolnego związku jonowego i kowalencyjnego tlenu.

R10SN5EELj46W

Przykład poprawnej odpowiedzi:

Związki tlenu:

związki jonowe tlenu:

tlenek wapnia, tlenek baru.

związki kowalencyjne tlenu:

tlenek krzemu( $IV$ ) (krzemionka), woda (tlenek wodoru).

bg‑azure

Związki jonowe tlenu

R1d1bxftvdT3U

Zdjęcie przedstawia biały proszek znajdujący się na szkiełku zegarkowym. Konsystencją przypomina mąkę. — Tlenek wapnia
Źródło: Leiem, dostępny w internecie: en.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

R12Rh1XpmHSPf

Zdjęcie przedstawia biały, sypki proszek znajdujący się na szkiełku zegarkowym. — Tlenek baru
Źródło: Leiem, dostępny w internecie: en.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

bg‑azure

Związki kowalencyjne tlenu

RSv9jb8NU2Rrl

Zdjęcie przedstawia pustynię. Piasek ma barwę pomarańczową, na wydmach znajdują się ślady ludzi i zwierząt. — Tlenek krzemu(<math aria‑label="cztery">IV) (krzemionka)
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

R13gdFU85HW2d

Zdjęcie przedstawia powierzchnię wody, od której odbija się kropla. — Woda (tlenek wodoru)
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Słownik

tlenki

związki tlenu z innymi pierwiastkami, w których tlen występuje na $- II$ stopniu utlenienia

rodnik

atom, cząsteczka lub fragment cząsteczki z co najmniej jednym niesparowanym elektronem, oznaczonym przy wzorze rodnika „ $∙$ ”

utlenianie

proces oddawania elektronów, związany z podwyższaniem stopnia utlenienia reduktora

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna, Warszawa 2004, s. 943‑951.

Bartosz G., Druga twarz tlenu, Warszawa 1995, s. 17‑25.

Czerwińska A., Jelińska‑Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., Chemia 1, Warszawa 2002, s. 208‑240.

Litwin M., Styka‑Wlazła Sz., Szymońska J., Chemia ogólna i nieorganiczna. Część 1. Podręcznik dla liceum, Warszawa 2004, s. 51‑63.

Wprowadzenie

Animacja

Budowa cząsteczki dwuatomowej tlenu

Związki jonowe tlenu

Związki kowalencyjne tlenu

Słownik

Bibliografia