Jak zapewne pamiętasz ze szkoły podstawowej, tlen cząsteczkowy (${\text{O}}_2$) stanowi około $21\%$ objętościowych atmosfery Ziemi. Sam tlen jest też najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej.

Przyjrzyj się układowi okresowemu. Jakie informacje o tlenie i jego atomach możesz wywnioskować na podstawie jego położenia w tym układzie?

Tlen jest niemetalem. Liczba atomowa atomu tlenu wynosi $8$, co oznacza, że atom tego pierwiastka posiada $8$ protonów w jądrze atomowym oraz $8$ elektronów na powłokach elektronowych. Ponieważ tlen leży w $2.$ okresie układu okresowego, to w stanie podstawowym elektrony w atomie tlenu poruszają się w obrębie dwóch powłok elektronowych, oznaczanych symbolami K i L. Ponieważ pierwiastek ten jest ulokowany w $16.$ grupie układu okresowego, to powłoka K jest zapełniona $6$ elektronami, nazywanymi elektronami walencyjnymi.

Stan skupienia

Oczywiste jest, że w warunkach normalnych ${\text{O}}_2$ jest bezbarwnym, bezwonnym gazem. Dowód możemy znaleźć dosłownie w powietrzu – jest ono bezbarwne, a gdyby wchodzący w skład tej mieszaniny gazowy tlen posiadał jakąś barwę, zapewne bylibyśmy w stanie ją zauważyć. Zadajmy sobie teraz istotne pytanie:

Skoro tlen jest gazem, czy istnieją warunki, w których jest cieczą lub ciałem stałym?

Polecenie 1

Poniżej przedstawiono diagram fazowy tlenu – wykres przedstawiający warunki (ciśnienie i temperaturę), w których badana substancja występuje w danym stanie skupienia. 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). Na podstawie wykresu odczytaj temperatury wrzenia i krzepnięcia tlenu w warunkach ciśnienia normalnego ($1 \text{atm}$).

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 igrek. Ma początek na osi igrek przy ciśnieniu równym około zero przecinek zero zero zero siedem pięć 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.

Tlen cząsteczkowy może istnieć we wszystkich trzech stanach skupienia. Aby przeprowadzić gazowy tlen w inny stan skupienia, należy zapewnić odpowiednie warunki. Temperatura wrzenia tlenu pod ciśnieniem $1 \text{atm}$ wynosi około $-183°\text{C}$, a krzepnięcia $-218°\text{C}$.

Co ciekawe, ciekły tlen po raz pierwszy otrzymali profesorowie Uniwersytetu Jagiellońskiego, Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski, w $1883$ roku.

Cechą charakterystyczną tlenu, jak i pozostałych tlenowców, jest zdolność do występowania w różnych postaciach molekularnych (odmianach alotropowych). Tlen w postaci gazowej może występować jako cząsteczki dwuatomowe ${\text{O}}_2$ lub jako ozon ${\text{O}}_3$. W latach dziewięćdziesiątych dokonano odkrycia czteroatomowego tlenu ${\text{O}}_4$, zwanego czerwonym tlenem.

Ciekawostka

Kolory tlenu i chemia błyskawicy

Ciekły i stały tlen są bladoniebieskie. Jednak w ekstremalnie niskich temperaturach i odpowiednich warunkach ciśnienia, można otrzymać czysty tlen w kolorze różowym, pomarańczowym, czy nawet czerwonym do czarnego. Wzbudzone atomy tlenu odpowiadają za zielone i czerwone zorze polarne.

Błyskawice mogą rozrywać dwuatomowe cząsteczki tlenu na pojedyncze, wysoce reaktywne atomy. Te wchodzą w reakcje z innymi cząsteczkami ${\text{O}}_2$, tworząc cząsteczki ozonu (${\text{O}}_3$), który odpowiada za „zapach deszczu”. Błyskawice jonizują powietrze wokół siebie. Niebieskofioletowy kolor piorunów to konsekwencja emisji światła ze wzbudzonych atomów tlenu i azotu.

ReGEe5VKlzL87

Zdjęcie przedstawia błyskawicę na tle nocnego nieba.

Rozpuszczalność tlenu w wodzie

Tlen jest słabo rozpuszczalny w wodzie, ale rozpuszcza się w niej lepiej od azotu. Dodatkowo, jego rozpuszczalność zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Przypomnij sobie, co wpływa na rozpuszczalność substancji i odpowiedź na pytanie: Czy tlen lepiej rozpuszcza się w wodzie słodkiej, czy słonej (zakładając tę samą temperaturę)?

Tlen jest nieco lepiej rozpuszczalny w wodzie słodkiej niż słonej – na rozpuszczalność wpływa także zawartość innych substancji w wodzie. Ryby oddychają tlenem rozpuszczonym w wodzie. Podczas ruchu ryby, woda przepływa przez skrzela, co umożliwia rozpuszczonemu w niej tlenowi przedostawanie się do krwioobiegu zwierzęcia. Zwierzęta lądowe posiadają inne narządy do wymiany gazowej, które nie są przystosowane do pobierania rozpuszczonego w wodzie tlenu.

Inne wielkości fizyczne tlenu

Wielkości fizyczne ułatwiające przedstawienie zmian właściwości chemicznych pierwiastka w zależności od położenia w układzie okresowym to:

• Promień atomowy – promień atomu tlenu wynosi ok. $60 \text{ppm}$; promień anionu tlenkowego ${\text{O}}^{2-}$ jest większy niż promień atomu tlenu $\text{O}$ (anion tlenkowy, przy takiej samej liczbie protonów, posiada większą liczbę elektronów niż atom tlenu).

• Energia jonizacji – ilość energii, jaką należy dostarczyć, aby oderwać elektron od obojętnego atomu. Kolejne energie jonizacji są coraz większe, pierwsza jest najmniejsza, ponieważ najłatwiej jest oderwać pierwszy elektron. Pierwsza energia jonizacji atomu tlenu wynosi $\mathrm{1313,9} \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$, a druga $\mathrm{3388,3} \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$.

• Powinowactwo elektronowe – ilość energii, jaka się wydzieli podczas przyłączania elektronu do obojętnego atomu. Im większa jest wartość powinowactwa, tym łatwiej atom przyłącza elektrony. Wartość powinowactwa elektronowego atomu tlenu wynosi $141 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$.

• Elektroujemność – wielkość wprowadzona przez Paulinga. Jest to zdolność atomu do przyciągania ku sobie elektronów (własnych i obcych). Pierwiastki o największej elektroujemności znajdują się w prawym górnym rogu (pomijając gazy szlachetne) układu okresowego pierwiastków i mają charakter niemetali. Według względnej skali elektroujemności Paulinga, elektroujemność tlenu wynosi $\mathrm{3,4}$.

  1

  11

  Laboratorium 1

  Przeprowadź w wirtualnym laboratorium chemicznym doświadczenie na temat otrzymywania tlenu i badania jego właściwości fizycznych. Zapisz swoje obserwacje i wyniki oraz sformułuj wnioski. Spróbuj wykonać doświadczenie samodzielnie. Jeśli jednak będziesz mieć problemy, możesz skorzystać z instrukcji, która znajduje się pod znakiem zapytania w lewym górnym rogu ekranu wirtualnego laboratorium.

  R2ImYBAdBVv4z

  Analiza doświadczenia: Tytuł doświaczenia Problem badawczy: Treść problemu badawczego Hipoteza: Treść hipotezy. Obserwacje: (Uzupełnij) Wyniki: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij) Równanie reakcji chemicznej: Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

  R751X5SxdwuB2

  

  Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DB3UCVKSJ

  Wskazówki i klucze odpowiedzi

  Pokaż podpowiedź

  Obserwacje: Co zostało zaobserwowane podczas doświadczenia?

  Wyniki: Napisz, jaki jest ostateczny wynik doświadczenia.

  Wnioski: Czy hipoteza została potwierdzona?

  Pokaż odpowiedź

  Sprawdź, czy Twoje obserwacje, wyniki i wnioski są podobne do poniższych.

  Obserwacje:
  W wyniku ogrzewania pierwszej probówki z manganianem($\text{VII}$) potasu wydziela się bezbarwny gaz, który wypiera wodę z probówki drugiej. Balonik napompowany uzyskanym gazem opada.

  Wyniki:
  W wyniku termicznego rozkładu manganianu($\text{VII}$) potasu powstaje tlen.
  $2 {\text{KMnO}}_4\stackrel{\text{T}}{\to }{\text{K}}_2{\text{MnO}}_4+{\text{MnO}}_2+{\text{O}}_2$

  Wnioski:

  W warunkach standardowych tlen występuje w postaci bezbarwnego gazu. To, że gaz ten wypiera wodę z probówki, świadczy o tym, że jest w niej bardzo słabo rozpuszczalny. Opadanie balonika napełnionego tlenem świadczy o tym, że gaz ten ma gęstość większą od gęstości powietrza. Hipoteza została potwierdzona.

  W laboratorium chemicznym przeprowadzono doświadczenie na temat otrzymywania tlenu i badania jego właściwości.

  Analiza doświadczenia: Sprawdzanie właściwości tlenu cząsteczkowego.

  Problem badawczy: Jakie właściwości posiada tlen cząsteczkowy?

  Hipoteza: Tlen cząsteczkowy w warunkach standardowych jest bezbarwnym gazem, który podtrzymuje proces spalania.

  Odczynniki: manganian($\text{VII}$) potasu, woda destylowana

  Sprzęt laboratoryjny:

  • palnik – rodzaj sprzętu z regulacją płomienia, umożliwiający podgrzewanie substancji chemicznych;

  • krystalizator – płaskie naczynie laboratoryjne, które służy do procesu krystalizacji;

  • probówki – podłużne naczynia szklane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;

  • łyżka laboratoryjna – długi trzonek wykonany ze szkła, porcelany lub metalu zakończony z jednej strony łyżeczką; służy do nabierania sypkich substancji chemicznych;

  • zlewka – naczynie szklane o kształcie cylindrycznym, stosowane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;

  • statyw na probówki – prostokątny sprzęt laboratoryjny z rzędami otworów, w których umieszczane są probówki;

  • korek z rurką odprowadzającą – niewielki element, służący do szczelnego zamykania probówek wyposażony w rurkę odprowadzającą;

  • łuczywko – długie drewienko.

  Instrukcja wykonania doświadczenia:

  1. Do probówki umieszczonej na statywie wsypano $\mathrm{0,5} \text{g}$ manganianu($\text{VII}$) potasu.

  2. Krystalizator wypełniono wodą destylowaną, a do środka włożono do góry dnem kolejną probówkę z wprowadzonym do niej gumowym wężem i pozwolono jej napełnić się wodą.

  3. Drugi koniec węża przymocowano do korka pierwszej probówki.

  4. Zapalono palnik i ogrzewano zawartość probówki.

  5. Po zebraniu gazu wyjęto wypełnioną gazem probówkę, zamknięto ją korkiem i umieszczono w statywie.

  6. Zapalono łuczywko.

  7. Otworzono probówkę i wprowadzono łuczywko do środka.

  Obserwacje:
  W wyniku ogrzewania pierwszej probówki z manganianem($\text{VII}$) potasu wydziela się bezbarwny gaz, który wypiera wodę z probówki drugiej. Balonik napompowany uzyskanym gazem opada.

  Wyniki:
  W wyniku termicznego rozkładu manganianu($\text{VII}$) potasu powstaje tlen.

  Wnioski:

  Tlen cząsteczkowy w warunkach standardowych jest bezbarwnym, słabo rozpuszczalnym w wodzie gazem, o gęstości większej od gęstości powietrza. Hipoteza została potwierdzona.

  RECnXV4JjyShO

  Ćwiczenie 1

  Wybierz równanie reakcji otrzymywania tlenku z manganianu(siedem) potasu. Możliwe odpowiedzi: 1. dwa K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, strzałka w prawo, K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, plus, M n O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, 2. K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, strzałka w prawo, dwa K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, plus, M n O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, 3. dwa K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, strzałka w prawo, K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, plus, M n O, plus, O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego

Jakie są charakterystyczne cechy tlenu?

Tlen jest pierwiastkiem położonym w drugim okresie i $16.$ grupie układu okresowego pierwiastków. Elektroujemność tlenu w skali Paulinga wynosi $\mathrm{3,4}$.

Tlen jest atomem o dużej elektroujemności – przewyższa jego wartość jedynie elektroujemność fluoru, dlatego będzie on dążył do przechwycenia dwóch elektronów i utworzenia jonu ${\text{O}}^{2-}$, który ma trwałą i stabilną konfigurację atomu helowca – neonu.

Tlen tworzy tlenki z większością pierwiastków oraz wchodzi w reakcje z wieloma związkami. Przyjmuje w nich najczęściej stopień utlenienia $-\text{II}$. Natomiast w związkach z fluorem – fluorkach – tlen występuje na stopniu utlenienia $+\text{I}$ we fluorku tlenu($\text{I}$) ${\text{O}}_2{\text{F}}_2$ i $+\text{II}$ we fluorku tlenu($\text{II}$) ${\text{OF}}_2$.

Z większością pierwiastków reaguje bezpośrednio. Gwałtowny proces utlenienia – spalanie – rozpoczyna się najczęściej po ogrzaniu reagentów do temperatury zwanej temperaturą zapłonu, a sam proces jest egzoenergetyczny.

Tlen jest reaktywny chemicznie. Z litowcami, niektórymi berylowcami i fosforem białym reaguje w temperaturze pokojowej. W przypadku litowców, tylko lit reaguje z tlenem z wytworzeniem tlenku. W reakcji tlenu z sodem powstają nadtlenki, a dalsze litowce tworzą ponadtlenki. Dla przykładu:

• z sodem:

$2 \text{Na}+{\text{O}}_2\to {\text{Na}}_2{\text{O}}_2$

• z wapniem:

$2 \text{Ca}+{\text{O}}_2\to 2 \text{CaO}$

• z fosforem:

${\text{P}}_4+5 {\text{O}}_2\to {\text{P}}_4{\text{O}}_{10}$

• z siarką:

$\text{S}+{\text{O}}_2\to {\text{SO}}_2$

• z wodorem:

$2 {\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2 {\text{H}}_2\text{O}$

Po ogrzaniu, tlen reaguje niemal ze wszystkimi pierwiastkami. Wyjątek stanowią platyna i fluor. Reaguje również z wieloma związkami nieorganicznymi, jak i organicznymi.

• z tlenkiem siarki($\text{IV}$): $2 {\text{SO}}_2+{\text{O}}_2\stackrel{\text{katalizator}}{\to }2 {\text{SO}}_3$

Metale tworzą z tlenem zazwyczaj związki jonowe, które są ciałami stałymi. Niemetale tworzą z tlenem związki kowalencyjne, występujące we wszystkich trzech stanach skupienia.

Ozon

Ozon ${\text{O}}_3$, w porównaniu z tlenem dwuatomowym, wykazuje zwiększoną aktywność chemiczną. Powstaje z tlenu dwuatomowego pod wpływem odpowiedniej dawki energii (na przykład z tlenu z powietrza podczas wyładowań atmosferycznych):

$3 {\text{O}}_{2\left(\text{g}\right)}\to 2 {\text{O}}_{3\left(\text{g}\right)}$

Ozon jest silnym utleniaczem. Utlenia np. srebro, które pokrywa się czarnym nalotem tlenku, oraz wydziela jod z roztworu jodku potasu ($\text{KI}$).

$12 \text{Ag}+4 {\text{O}}_3\to 6 {\text{Ag}}_2\text{O}+3 {\text{O}}_2$

$6 \text{KI}+{\text{O}}_3\to 3 {\text{I}}_2+3 {\text{K}}_2\text{O}$

Dla zainteresowanych

Model cząsteczki i struktury rezonansowe ozonu (tritlenu).

RDJJZFKpfEYP4

Na ilustracji znajdują się trzy połączone ze sobą czerwone kulki. Nad grubymi dwoma wiązaniami pojedynczymi znajdują się przerywane linie.

R1OhvWyxeGazO

Ilustracja przedstawia strukturę rezonansową ozonu. Atom tlenu o ładunku dodatnim i jednej wolnej parze elektronowej łączy się z atomem tlenu poprzez wiązanie podwójne (ten atom tlenu ma dwie wolne pary elektronowe – dwie kreski na obrazku) oraz z kolejnym atomem tlenu poprzez wiązanie pojedyncze (atom ten ma ładunek ujemny i trzy wolne pary elektronowe).

Tetratlen

Kolejną odmianą alotropową tlenu jest odkryty w $2001$ roku tetratlen. Jego cząsteczki są bardzo nietrwałe i rozpadają się, tworząc dwie cząsteczki dwuatomowego tlenu $\left({\text{O}}_2\right)$. Dowód na istnienie tetratlenu zdobyto dopiero poprzez zastosowanie wysokiego ciśnienia rzędu $20 \text{GPa}$ (na ${\text{O}}_2$) – wówczas ditlen ma tendencję do występowania w postaci czteroatomowych cząsteczek.

Tetratlen posiada silniejsze właściwości utleniające niż ditlen czy ozon. Z tego względu jest badany pod kątem zastosowania jako utleniacz w paliwach rakietowych.