Nguyên tố Ôxy

Nguyên tố Ôxy

nitơ ← ôxy → flo 8

[[ | ]]

↑

O

↓

S

Tổng quát

Tên, Ký hiệu, Số ôxy, O, 8

Phân loại chalcogen

Nhóm, Chu kỳ, Khối 16, 2, p

Khối lượng riêng, Độ cứng 1,429 kg/m³, ?

Bề ngoài khí không màu

Tính chất nguyên tử

Khối lượng nguyên tử 15,9994(3) đ.v.C

Bán kính nguyên tử (calc.) 60 (48) pm

Bán kính cộng hoá trị 73 pm

Bán kính van der Waals 152 pm

Cấu hình electron [He]2s22p4

e- trên mức năng lượng 2, 6

Trạng thái ôxi hóa (Ôxít) -2, -1 (ôxít trung hòa)

Cấu trúc tinh thể lập phương

Tính chất vật lý

Trạng thái vật chất Khí

Điểm nóng chảy 54,36 K (-361,82 °F)

Điểm sôi 90,20 K (-297,31 °F)

Trạng thái trật tự từ thuận từ

Thể tích phân tử ? ×10-6 m³/mol

Nhiệt bay hơi 6,82 kJ/mol

Nhiệt nóng chảy 0,444 kJ/mol

Áp suất hơi 100.000 Pa tại 90 K

Vận tốc âm thanh 330 m/s tại 300 K

Thông tin khác

Độ âm điện 3,44 (thang Pauling)

Nhiệt dung riêng 3672 J/(kg·K)

Độ dẫn điện ? /Ω·m

Độ dẫn nhiệt 0,02658 W/(m·K)

Năng lượng ion hóa 1. 1.313,9 kJ/mol

2. 3.388,3 kJ/mol

3. 5.300,5 kJ/mol

Chất đồng vị ổn định nhất

iso TN (khí quyển) t½ DM DE MeV DP

O16 99,762% Ổn định có 8 nơtron

O17 0,038% Ổn định có 9 nơtron

O18 0,205% Ổn định có 10 nơtron

Đơn vị SI và STP được dùng trừ khi có ghi chú.

Ôxy là nguyên tố hóa học có ký hiệu là O thuộc nhóm nguyên tố 16 và số nguyên

tử bằng 8 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố. Ôxy là nguyên tố phi kim hoạt

động mạnh nó có thể tạo thành hợp chất với hầu hết các nguyên tố khác. Ở điều

kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hai nguyên tử ôxy kết hợp với nhau tạo thành

phân tử ôxy không màu, không mùi, không vị có công thức O2. Ôxy phân tử (O2,

thường được gọi là ôxy tự do) trên Trái Đất là không ổn định về mặt nhiệt động

lực học. Sự xuất hiện trong thời kỳ đầu tiên của nó trên Trái Đất là do các hoạt

động quang hợp của vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn cổ và vi khuẩn). Sự phổ biến của

nó từ sau đó đến ngày nay là do hoạt động quang hợp của cây xanh. Ôxy là

nguyên tố phổ biến xếp hàng thứ 3 trong trong vũ trụ theo khối lượng sau hydro và heli[1] và là nguyên tố phổ biến nhất theo khối lượng trong vỏ Trái Đất.[2] Khí ôxy chiếm 20,9% về thể tích trong không khí.[3]

Khí ôxy thường được gọi là dưỡng khí, vì nó duy trì sự sống của cơ thể con người.

Tất cả các nhóm phân tử cấu trúc chính trong các cơ thể sống như các protein,

cacbohydrat, và mỡ chứa ôxy, cũng như trong các hợp chất vô cơ quan trọng cấu

tạo tạo nên các vỏ sò, răng và xương. Ôxy ở dạng O2 được tạo ra từ nước bởi vi

khuẩn lam, tảo và thực vật thông qua quá trình quang hợp và được sử dụng trong

quá trình hô hấp của các cơ thể sống bậc cao. Ôxy là chất độc đối với các sinh vật

kỵ khí bắt buộc, là các sinh vật thống trị trong thời buổi đầu trên Trái Đất cho đến khi O2 bắt đầu tích tụ trong khí quyển cách đây 2,5 triệu năm.[4] Một dạng khác

(thù hình) của ôxy là ôzôn (O3) tích tụ tạo thành lớp ôzon, khí này giúp bảo vệ

sinh quyển khỏi tia tử ngoại, nhưng nó sẽ là chất ô nhiễm nếu nó nằm gần mặt đất

ở dạng sương mù. Thậm chí ở quỹ đạo trái đất tầm thấp, nguyên tử ôxy cũng tồn tại và làm mòn các tàu không gian. [5]

Ôxy được Carl Wilhelm Scheele phát hiện ở Uppsala năm 1773 hoặc sớm hơn và

Joseph Priestley ở Wiltshire năm 1774 độc lập nhau, nhưng Priestley thường được

cho là phát hiện ra trước bởi vi ấn phẩm của ông được xuất bản trước. Tên gọi ôxy

(oxygen) được Antoine Lavoisier đặt năm 1777,[6] các thí nghiệm của ông với ôxy

đã giúp loại trừ thuyết phlogiston về sự cháy và ăn mòn phổ biến vào thời đó. Ôxy

được sản xuất trong công nghiệp bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng,

sử dụng zeolit để loại bỏ carbon dioxide và nitơ ra khỏi không khí, điện phân nước

và các cách khác. Ôxy được sử dụng trong sản xuất thép, nhựa và dệt; nhiên liệu

tên lửa; ôxy trị liệu; và hỗ trợ sự sống của con người trên tàu không gian, hay khi

lặn dưới biển.

Các đặc trưng quan trọng

Cấu trúc

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, ôxy là chất khí không màu, không mùi và không

vị có công thứ phân tử là O2, trong đó hai nguyên tử ôxy liên kết với nhau với cấu hình electron có 3 cặp electron tự do. Liên kết này có thể là liên kết đôi,[7] hoặc chúng kết hợp một liên kết có 2 electron và 2 liên kết có 3 electron.[8]

Ôxy 3 (không phải ôzôn, O3) là trạng thái năng lượng cơ bản của phân tử O2.[9]

Cấu hình electron của phân tử này có 2 electron không tạo cặp mà tách ra riêng lẻ chiếm 2 orbital phân tử để sẵn sàng tạo liên kết.[10] Các orbital này được xếp vào

nhóm phản liên kết (cấp liên kết nằm giữa liên kết 2 và 3), vì vậy liên kết ôxy 2

nguyên tử yếu hơn liên kết 3 của 2 nguyên tử nitơ, theo đó tất cả cà orbital nguyên tử liên kết đều được lấp đầy còn các orbital phản liên kết thì không đầy.[9]

Ở dạng ôxy 3, phân tử O2 là thuận từ— Chúng tạo thành nam châm trong trường

từ — do mô men từ Spin của cặp đôi electron không liên kết trong phân tử, và năng lượng trao đổi âm giữa các phân tử O2 lân cận.[11]

Singlet oxygen là tên gọi cho các phân tử O2 ở mức năng lượng cao, ở mức đó các

tất cả electron spin đều có cặp, có khuynh hướng linh động hơn đốoi với phân tử

hữu cơ thông thường. Trong tự nhiên, singlet ôxy thường được tạo thành từ nước

qua quá trình quang hợp sử dụng năng lượng mặt trời.[12] Nó cũng được tạo ra

trong tầng đối lưu bằng phản ứng quang phân ôzôn dưới ánh sáng bước sóng ngắn,[13] và từ hệ thống miễn dịch với vai trò là nguồn ôxy chủ động.[14] Các

carotinoit trong các sinh vật quan hợp (và cũng có thể trong các động vật) đóng

vai trò quan trọng trong việc hấp thu năng lượng từ singlet ôxy và chuyển hóa nó

thành trạng thái ổn định không bị kích thích trước khi nó có thể gây hại cho các tế bào.[15]

Ôxy là một thành phần quan trọng của không khí, được sản xuất bởi cây cối trong

quá trình quang hợp và là cần thiết để duy trì sự hô hấp của người và động vật. Từ

ôxy có nguồn gốc từ các chữ cổ Hy Lạp, οξυς oxus (oxys là axít) và γεινομαι

(geinomai là sinh ra). Tên "ôxy" được chọn vì tại thời điểm phát hiện ra nó vào

cuối thế kỷ 18 người ta cho rằng mọi axít đều chứa ôxy. Còn hiện nay thì người ta

đã biết rằng các axít không nhất thiết phải có ôxy trong thành phần.

Ôxy lỏng và ôxy rắn có màu xanh nhạt và cả hai đều là chất thuận từ. Ôxy lỏng

thông thường được chưng cất từng phần từ không khí hóa lỏng. Cả ôzôn lỏng và

ôzôn rắn (O3) có màu xanh thẫm.

Một thù hình khác của ôxy, O4, mới được phát hiện gần đây là chất rắn có màu đỏ

thẫm được tạo thành bằng cách ép O2 dưới áp lực 20 GPa. Các thuộc tính của nó

đang được nghiên cứu để sử dụng làm nguyên liệu cho tên lửa và các ứng dụng

tương tự khác, vì nó là một chất ôxi hóa mạnh hơn nhiều so với O2 hay O3.

Lý tính

Oxy hòa tan trong nước nhiều hơn so với nitơ; nước chứa chứa khoảng một phân

tử O2 cho mỗi 2 phân tử N2, so với tỉ số trong không khí là 1:4. Độ hòa tan của

ôxy trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, và ở 0 °C thì lượng hòa tan tăng gấp đôi (14,6 mg·L−1) so với ở 20 °C (7,6 mg·L−1).[16][17] Ở nhiệt động không khí 25 °C và

1 atm, nước ngọt chứa khoảng 6,04 mililit (mL) ôxy trong một lít, trong khi đó,

nước biển chứa khoảng 4,95 mL/L.[18] Ở 5 °C, độ hòa tan tăng đến 9,0 mL/L (tăng

50% so với ở 25 °C) trong nước ngọt và 7,2 mL/L (tăng hơn 45%) đối với nước

biển.

Oxy ngưng tụ ở 90,20 K (−182.95 °C, −297.31 °F), và đóng băng ở 54,36 K (−218.79 °C, −361.82 °F).[19] Cả hai dạng lỏng và rắn O2 là những chất trong suốt

với màu xanh da trời nhạt do gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng đỏ (ngược lại với màu

xanh da trời là do sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng xanh). O2 tinh khiết cao thường được chưng cất phân đoạn từ không khí lỏng;[20] Ôxy lỏng cũng có thể được sản

xuất từ sự ngưng tụ không khí bằng cách sử dụng chất làm lạnh là nitơ lỏng. Nó là một chất dễ phản ứng và phải được cất giữ cách xa các vật liệu dễ cháy.[21]

Ứng dụng

Ôxy được sử dụng làm chất ôxy hóa, chỉ có flo có thế điện âm cao hơn nó. Ôxy

lỏng được sử dụng làm chất ôxy hóa trong tên lửa đẩy. Ôxy là chất duy trì sự hô

hấp, vì thế việc cung cấp bổ sung ôxy được thấy rộng rãi trong y tế. Những người

leo núi hoặc đi trên máy bay đôi khi cũng được cung cấp bổ sung ôxy. Ôxy được

sử dụng trong công nghệ hàn cũng như trong sản xuất thép và rượu mêtanon.

Ôxy, như là một chất kích thích nhẹ, có lịch sử trong việc sử dụng trong giải trí mà

hiện nay vẫn còn sử dụng. Các cột chứa ôxy có thể nhìn thấy trong các buổi lễ hội

ngày nay. Trong thế kỷ 19, ôxy thường được trộn với nitơ ôxít để làm các chất

giảm đau.

Lịch sử

Ôxy được phát hiện bởi dược sĩ người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele năm

1771, nhưng phát hiện này không được công nhận ngay, và phát hiện độc lập khác

của Joseph Priestley vào ngày 1 tháng 8 năm 1774 được biết đến nhiều hơn. Nó

được Antoine Laurent Lavoisier đặt tên năm 1774.

Tên hệ thống nguyên tố của ôxy là octium.

Sự phổ biến

Ôxy là nguyên tố phổ biến nhất ở vỏ Trái Đất. Người ta ước tính nó chiếm 46.7%

khối lượng của vỏ Trái Đất. Ôxy chiếm khoảng 87% khối lượng các đại dương (là

H2O, hay nước) và 20% theo thể tích bầu khí quyển Trái Đất (là O2, ôxy phân tử,

hay O3, ôzôn). Các hợp chất của ôxy, chủ yếu là ôxít của các kim loại, silicat

2−), tìm thấy trong đất và đá. Nước đóng băng là chất rắn

(SiO4

4−) và cacbonat (CO3

phổ biến trên các hành tinh khác cũng như sao chổi. Chỏm băng của sao Hỏa là

cacbon điôxít đóng băng. Hợp chất của ôxy tìm thấy trong khắp vũ trụ và quang

phổ của ôxy được tìm thấy ở các ngôi sao.

Hợp chất

Vì thế điện âm cao của nó, ôxy tạo thành các liên kết hóa học với phần lớn các

nguyên tố khác (đây chính là nguồn gốc của định nghĩa nguyên thủy của từ ôxy

hóa). Các nguyên tố duy nhất có thể tránh không bị ôxy hóa chỉ là một số khí trơ.

Nổi tiếng nhất trong số các ôxít tất nhiên là hiđrô ôxít, hay nước (H2O). Các chất

khác cũng được nhắc đến nhiều là hợp chất của cacbon và ôxy, như cacbon điôxít

(CO2), các chất như rượu (R-OH), alđêhít (R-CHO), và axít cacboxylic (R-

2−),

COOH). Các gốc ôxy hóa như clorat (ClO3

−), peclorat (ClO4

−), crômat (CrO4

−) là những chất ôxy hóa

đicrômat (Cr2O7

2−), pemanganat (MnO4

−), và nitơrat (NO3

rất mạnh. Rất nhiều kim loại như sắt chẳng hạn liên kết với các nguyên tử ôxy, tạo

thành ôxít sắt (III) (Fe2O3). Ôzôn (O3) được tạo thành trong quá trình phóng tĩnh

điện với sự có mặt của ôxy phân tử. Ôxy phân tử đôi (O2)2 hiện nay đã biết và tìm

thấy như là một phần nhỏ trong ôxy lỏng. Các êpôxít là các ête trong đó nguyên tử

ôxy là một phần của vòng gồm ba nguyên tử.

Đồng vị

Ôxy có ba đồng vị ổn định và mười đồng vị phóng xạ đã biết. Tất cả các đồng vị

phóng xạ có chu kỳ bán rã ít hơn 3 phút.

Phòng ngừa

Ôxy có thể là một chất độc khi nó có áp suất thành phần được nâng cao. Để dễ

hiểu có thể giải thích nôm na là thông thường ôxy chiếm khoảng 21% thể tích của

không khí. Nếu có thể tăng lượng ôxy này lên thành 50% thì không khí khi đó sẽ

không tốt cho sự hô hấp.

Một vài dẫn xuất của ôxy, như ôzôn (O3), hiđrô perôxít H2O2 (nước ôxy già), các

gốc hiđrôxyl và superôxít, cũng là những chất độc mạnh. Cơ thể động vật nói

chung và con người nói riêng có cơ chế để tự bảo vệ chống lại các chất độc này.

Ví dụ, glutathion có nguồn gốc tự nhiên có thể phản ứng như một chất chống ôxy

hóa, cũng giống như bilirubin là chất tách ra được từ hemoglobin. Các nguồn có

chứa nhiều ôxy xúc tiến sự cháy nhanh và vì vậy là vật nguy hiểm về cháy nổ với

sự có mặt của các nhiên liệu. Điều này cũng đúng với các hợp chất của ôxy như

clorat, peclorat, đicrômat, v.v. Các hợp chất với khả năng ôxy hóa cao thông

thường có thể gây ra bỏng hóa học.

Đám cháy, đã giết chết phi hành đoàn của tàu Apollo 1 trong khi phóng thử, đã lan

quá nhanh vì áp suất của ôxy nguyên chất được sử dụng khi đó là bằng áp suất khí

quyển bình thường thay vì chỉ là một phần ba lẽ ra được sử dụng cho phóng thật.

(Xem thêm áp suất thành phần.)

Điều chế

6CO2 + 6H2O -(ánh sáng)-> C6H12O6 +6O2

2KMnO4 ->K2MnO4 + MnO2 + O2

2KClO3 ( xúc tác MnO2)-> 2KCl + 3O2

2H2O2 ( xúc tác MnO2 ) 2H2O + O2

2H2O -(điện phân )-> 2H2 + O2

Ag2O + H2O2 -> 2Ag + H2O + O2

2KI + O3 + H2O -> I2 + 2KOH + O2

5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O