Tlen jest niemetalem, który znajduje się w $16.$ grupie układu okresowego jako pierwszy przedstawiciel grupy tlenowców. W warunkach standardowych (wg. IUPACIUPAC (z ang. International Union of Pure and Applied Chemistry)IUPAC $\mathrm{273,15} \text{K}$, $\mathrm{1013,25} \text{hPa}$) jest bezwonnym i bezbarwnym gazem. Stanowi zwykle ok. $21\%$ objętości powietrza i jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania większości organizmów żywych. Ponadto ma bardzo niską temperaturę topnienia i wrzenia – wynoszą one odpowiednio: $\mathrm{54,37} \text{K}$ i $\mathrm{273,15} \text{K}$ ($-\mathrm{218,78}°\text{C}$ i $-\mathrm{182,96}°\text{C}$). To właśnie ze względu na niską temperaturę wrzenia, przez wiele lat tak problematyczne było skroplenie tlenu.

Tlen występuje w trzech odmianach alotropowych i jest to jedyny przykład alotropiialotropiaalotropii w stanie gazowym.

• Ditlen ${\text{O}}_2$ – cząsteczka dwuatomowa. Ditlen jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, którego gęstość jest większa od gęstości powietrza.

• Ozon ${\text{O}}_3$ – trójatomowa cząsteczka. W stanie gazowym jest bezbarwny lub ma niebieskawą barwę oraz zapach przypominający woń powietrza po burzy. Jest on bardzo silnym utleniaczem i bardzo reaktywnym alotropem tlenu.

• Tetratlen ${\text{O}}_4$ – czteroatomowa cząsteczka. Tetratlen jest bardzo nietrwałą cząsteczką – rozpada się, tworząc dwie cząsteczki dwuatomowego tlenu (${\text{O}}_2$). Dowód na istnienie tetratlenu zdobyto dopiero poprzez zastosowanie wysokiego ciśnienia rzędu $\mathrm{1013,25} \text{hPa}$ na ${\text{O}}_2$. Wówczas ditlen ma tendencję do występowania w postaci czteroatomowych cząsteczek. Tetratlen ma jasnoczerwoną barwę.

Poniżej przedstawiono diagram fazowy tlenu – wykres przedstawiający warunki (ciśnienie i temperaturę), w których badana substancja występuje w danym stanie skupienia. Obrazuje także, że temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia.

Rc7xCWcT9BxuY

Ilustracja przedstawia diagram fazowy tlenu. Na osi poziomej opisano temperaturę wyrażoną w stopniach Celsjusza, na osi pionowej ciśnienie w atmosferach. Wykres fazowy ma kształt przekrzywionej litery <math aria‑label="igrek">Y. Ma początek na osi <math aria‑label="igrek">Y przy ciśnieniu równym około $\mathrm{0,00075}$ atmosfery. Dalej funkcja rośnie, aż do punktu potrójnego przy ciśnieniu 0,0015 atmosfery i temperaturze wynoszącej minus dwieście dziewiętnaście stopni Celsjusza. Jest to punkt, w którym tlen może występować we wszystkich trzech stanach skupienia. Od punktu potrójnego następuje rozwidlenie, a zatem odchodzą dwie krzywe. Pierwszą z nich reprezentuje funkcja ostro rosnąca. Punkty należące do wykresu, to jest leżące na krzywej odpowiadają warunkom (ciśnieniu i temperaturze), w których możliwe jest współistnienie fazy stałej i ciekłej. Punkty leżące po lewej stronie od krzywej odpowiadają warunkom, w których tlen występuje jako ciało stałe. Druga krzywa również reprezentuje funkcję rosnącą jednak łagodniej niż w przypadku pierwszej. Na krzywej znajdują się punkty wyznaczające warunki, w których możliwe jest współistnienie fazy ciekłej i fazy gazowej. Po prawej stronie od drugiej krzywej znajdują się punkty odpowiadające warunkom dla stanu gazowego, zaś pomiędzy pierwszą a drugą krzywą znajdują się warunki (ciśnienie i temperatura) odpowiadające występowaniu fazy ciekłej. Oprócz tego, na pierwszej krzywej zaznaczono punkt odpowiadający temperaturze minus dwustu osiemnastu stopni Celsjusza oraz ciśnieniu wynoszącym jedną atmosferę. Zaznaczono także punkt leżący na drugiej krzywej. Znajduje się również przy ciśnieniu wynoszącym jedną atmosferę oraz temperaturze równej minus sto osiemdziesiąt trzy stopnie Celsjusza.

PK to tzw. punkt krytyczny – punkt końcowy krzywej współistnienia cieczy i pary. PT to punkt potrójny, opisuje warunki, w których substancja współistnieje w trzech stanach skupienia (stałym, ciekłym i gazowym).

$5$ kwietnia $1883$ roku dwójka polskich uczonych – Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski – jako pierwsi na świecie skraplają tlen. Wykorzystali do tego metodę kaskadową.  Polega ona na wykorzystaniu wrzących, pod zmniejszonym ciśnieniem, gazów, które obniżają temperaturę układu, pozwalając przy tym na skroplenie kolejnych substancji w niższych temperaturach.

Olszewski i Wróblewski skonstruowali odpowiednią aparaturę, która pozwoliła na skroplenie tlenu.

Gazowy tlen, wypuszczany ze stalowej butli (f) pod wysokim ciśnieniem $p_1$ trafia do grubościennej rurki (e). Tam kosztem swojej energii wewnętrznej, rozpręża się, obniżając swoją temperaturę. Kolejnym etapem jest tłoczenie tlenu w dół pod dużym ciśnieniem, w efekcie czego rozpręża się on ponownie do ciśnienia $p_2$ ($p_1>p_2$). Oziębiony gaz zaczyna się skraplać w rurce.

Taka przemiana nazywana jest rozprężaniem adiabatycznymprzemiana adiabatycznaadiabatycznym. Korzystając z niej, Olszewskiemu i Wróblewskiemu jako pierwszym na świecie udało się skroplić tlen. Kilka dni później skroplili kolejny składnik powietrza – azot.

W dzisiejszych czasach ciekły tlen pozyskiwany jest z powietrza, którego jest w nim około $21\%$. Proces ten odbywa się w specjalnych kolumnach.

1. W pierwszym etapie powietrze jest filtrowane z kurzu oraz innych stałych zanieczyszczeń. Ponadto z powietrza usuwane są inne niepożądane składniki występujące w nim w niewielkich ilościach, takie jak węglowodory czy tlenki azotu.

2. Następnie powietrze jest sprężane. W tym etapie woda, obecna w powietrzu jako para wodna, jest skraplana w odpowiednich chłodnicach.

3. Dalej sprężone powietrze jest przepuszczane przez sita molekularne, które wychwytują pozostałości pary wodnej oraz tlenku węgla($\text{IV}$).

4. Oczyszczone powietrze zaczyna się skraplać na dno kolumny. Powstała mieszanina charakteryzuje się dużą zawartością ciekłego tlenu (około $\mathrm{99,8}\%$). Innymi składnikami mieszaniny jest argon oraz azot. U szczytu kolumny znajduje się mieszanina gazów – głównie azotu, ale także argonu. Mieszanina ta jest następnie destylowana do czystego azotu.

5. Otrzymane w ten sposób gazy są odpowiednio przechowywane i, w zależności od przeznaczenia, pakowane do butli lub pompowane do cysterny izolowanej termicznie.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna, cz. 1, Warszawa 1986.