- Występowanie tlenu w przyrodzie
- Właściwości fizyczne tlenu
- Budowa i właściwości chemiczne tlenu
- Znaczenie biologiczne tlenu
- Zastosowania tlenu
Występowanie tlenu w przyrodzie
Tlen w stanie wolnym występuje w przyrodzie w postaci dwóch odmian alotropowych – ditlenu (zwykłego tlenu) zbudowanego z cząsteczek dwuatomowych (O₂) i tritlenu (ozonu) zbudowanego z cząsteczek trójatomowych (O₃). Tlen stanowi jeden z głównych składników powietrza atmosferycznego (20,946% obj.) z azotem (78,084% obj.), argonem (0,934% obj.), ditlenkiem węgla (0,041% obj.) oraz parą wodną (0-3%); ozon tworzy warstwę ozonową (ozonosferę) w stratosferze, chroniącą życie na Ziemi przed szkodliwym oddziaływaniem promieniowania ultrafioletowego (UV) emitowanego przez Słońce. Tlen w stanie związanym występujący w związkach nieorganicznych wchodzących w skład wody słodkiej i morskiej (np. siarczanów (VI), węglanów) wraz z tlenem atmosferycznym rozpuszczonym w wodzie jest głównym składnikiem hydrosfery (89% wagowych). Tlen tworzący związki nieorganiczne budujące skały i minerały skorupy ziemskiej (np. krzemiany, glinokrzemiany, tlenki) stanowi najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w litosferze (49,5% wagowych). Jest też istotnym składnikiem związków organicznych występujących w organizmach żywych (węglowodanów, białek, tłuszczów, kwasów nukleinowych). Tlen występujący naturalnie w przyrodzie jest mieszaniną trzech trwałych izotopów – tlenu-16 (¹⁶O) (99,759%), tlenu-17 (¹⁷O) (0,037%) oraz tlenu-18 (¹⁸O) (0,024%).Tlen został odkryty w latach 70-tych XVIII wieku niezależnie przez dwóch badaczy – Carla Wilhelma Scheelego (1772) oraz Josepha Priestleya (1774). Nazwa nowego pierwiastka (łac. oxygenium) jako składnika kwasów (gr. oxys – kwas + geinomai – rodzić) wprowadzona została przez Antoine’a Laurenta Lavoisiera w 1777 roku.
Tlen występuje w przyrodzie w postaci dwóch odmian alotropowych – ditlenu (zwykłego tlenu) zbudowanego z cząsteczek dwuatomowych (O₂) oraz tritlenu (ozonu) zbudowanego z cząsteczek trójatomowych (O₃). Źródło: shutterstock
Właściwości fizyczne tlenu
Tlen dwuatomowy (O₂) jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, pozbawionym smaku, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Rozpuszczalność ditlenu w wodzie zależy w głównej mierze od temperatury; gaz ten znacznie lepiej rozpuszcza się w wodzie chłodniejszej (14,6 mg/dm³ H₂O w temp. 0°C i ciśnieniu 101,1 kPa) niż w wodzie cieplejszej (9,1 mg/dm³ H₂O w temp. 20°C i ciśnieniu 101,1 kPa). Różnice w rozpuszczalności tlenu w wodzie wynikają również ze stopnia zasolenia wody (zawartości rozpuszczonych soli, m.in. chlorków). Rozpuszczalność tlenu w wodzie słodkiej o niskiej zawartości chlorków (np. wodzie rzecznej) o temperaturze 5°C przy ciśnieniu 101,1 kPa wynosi 12,8 mg/dm³ H₂O zaś rozpuszczalność tlenu w wodzie słonej o wysokiej zawartości chlorków (np. wodzie morskiej) w tych samych warunkach osiąga nieco mniejszą wartość wynoszącą 9,9 mg/dm³ H₂O.Gęstość tlenu w stanie gazowym wynosi 1,429 g/dm³ (0°C, 1013,25 hPa), jest więc cięższy od suchego powietrza atmosferycznego (1,293 g/dm³). Gęstość tlenu w stanie ciekłym (ciekłego tlenu) wynosi 1,141 g/cm³ (w temp. wrzenia). Tlen wrze w temperaturze –182,962°C; ulega topnieniu w temperaturze o wartości –218,79°C. Tlen osiąga punkt potrójny w temperaturze –218,79°C pod ciśnieniem 0,152 kPa; w podanych warunkach występuje w trzech stanach skupienia materii – stanie stałym, ciekłym i gazowym, znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej. Tlen w temperaturach niższych od temperatury wrzenia ulega skraplaniu w przezroczystą ciecz o jasnoniebieskim zabarwieniu – ciekły tlen (LOX, ang. liquid oxygen) natomiast schładzany do temperatury niższej niż temperatura topnienia zestala się w ciało stałe o jasnoniebieskiej barwie (SOX, ang. solid oxygen) występujące w sześciu odmianach alotropowych różniących się strukturą sieci krystalicznej – formach niskociśnieniowych (α, β, γ) i wysokociśnieniowych (δ, ε, ζ). Tlen wykazuje właściwości paramagnetyczne; magnesuje się w kierunku zgodnym z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego.
Ciekły tlen jest przezroczystą cieczą o jasnoniebieskim zabarwieniu. Źródło: shutterstock
Budowa i właściwości chemiczne tlenu
Tlen (O, łac. oxygenium) jest pierwiastkiem chemicznym nie wykazującym właściwości metalicznych (niemetalem) o liczbie atomowej 8 i masie atomowej wartości 15,9994 u. Tlen wraz z siarką (S), selenem (Se), tellurem (Te) i promieniotwórczym polonem (Po) należy do 16 grupy układu okresowego pierwiastków chemicznych, określanej mianem tlenowców, siarkowców, pierwiastków rudotwórczych bądź chalkogenów. Tlen zwykły (ditlen) występuje w postaci cząsteczki dwuatomowej (O₂), w której dwa atomy tego pierwiastka związane ze sobą za pośrednictwem podwójnego wiązania kowalencyjnego (O=O). Atom tlenu w stanie podstawowym ma osiem elektronów rozmieszczonych na dwóch powłokach elektronowych – dwa elektrony na pierwszej powłoce i sześć elektronów na drugiej, zewnętrznej powłoce elektronowej (sześć elektronów walencyjnych). Konfiguracja elektronowa atomu azotu ma postać 1s²2s²2p⁴. Atom tlenu tworząc związki chemiczne z atomami innych pierwiastków uzyskuje trwałą konfigurację elektronową (tzw. konfigurację metalu szlachetnego), czyli całkowite zapełnienie obu powłok elektronowych poprzez przyjęcie maksymalnie dwóch elektronów (–II stopień utlenienia); pierwiastek ten może również występować na –I stopniu utlenienia (w nadtlenkach) oraz na II stopniu utlenienia (w difluorku tlenu, OF₂). Tlen cechuje się wysoką elektroujemnością, czyli zdolnością atomów do przyciągania elektronów (3,44 w skali Paulinga); w większości związków występuje więc na ujemnym stopniu utlenienia.Tlen (O₂) w normalnej temperaturze wykazuje stosunkowo niską reaktywność chemiczną (pasywność), co spowodowane jest dużą stabilnością jego cząsteczki wynikającą z obecności trwałego podwójnego wiązania kowalencyjnego między atomami. Ditlen w podwyższonej temperaturze reaguje z większością pierwiastków chemicznych (z wyjątkiem fluoru i platyny) oraz licznymi związkami chemicznymi (nieorganicznymi i organicznymi) tworząc odpowiednie tlenki bądź nadtlenki. Reakcje z udziałem tlenu (tzw. reakcje utleniania) zachodzą z bardzo zróżnicowaną szybkością. Utlenianie powolne cechuje się cechuje się wolnym przebiegiem reakcji, np. rdzewienie żelaza polega na stopniowym pokrywaniu się żelaza i jego stopów warstwą tlenków i wodorotlenków żelaza (głównie tlenku żelaza (III), Fe₂O₃) w wyniku ich kontaktu z wilgotnym powietrzem atmosferycznym:
4 Fe+3 O₂+2 H₂O→2 Fe₂O₃∙H₂O
Rdzewienie. Źródło: shutterstock
S+O₂→SO₂
2 H₂S+3 O₂→2 H₂O+2 SO₂
2 H₂S+3 O₂→2 H₂O+2 SO₂
Tlen dwuatomowy (O₂) otrzymywany jest w warunkach laboratoryjnych w wyniku prażenia (rozkładu termicznego) tlenków (np. tlenku rtęci (II), HgO), nadtlenków (np. nadtlenku baru, BaO₂) oraz soli bogatych w tlen (np. chloranu (V) potasu, KClO₃; azotanu (V) potasu, KNO₃; manganianu (VII) potasu, KMnO₄):
2 HgO→2 Hg+O₂
2 BaO₂→2 BaO+O₂
2 KClO₃→2 KCl+3 O₂
2 KNO₃→2 KNO₂+O₂
2 KMnO₄→K₂MnO₄+MnO₂+O₂
2 BaO₂→2 BaO+O₂
2 KClO₃→2 KCl+3 O₂
2 KNO₃→2 KNO₂+O₂
2 KMnO₄→K₂MnO₄+MnO₂+O₂
Ditlen otrzymywany jest również przez rozkład wodnego roztworu nadtlenku wodoru (H₂O₂) w obecności katalizatora, np. braunsztynu (rudy manganu zawierającej tlenek manganu (IV), MnO₂):
2 H₂O₂→2 H₂O+O₂,
elektrolizę wodnych roztworów zasad lub siarczanów (VI) na anodach platynowych:
4 OH⁻-4e→2 H₂O+O₂,
bądź reakcję nadtlenków litowców (np. nadtlenku sodu, Na₂O₂) z ditlenkiem węgla (CO₂):
2 Na₂O₂+2 CO₂→2 Na₂CO₃+O₂.
Tlen dwuatomowy otrzymywany jest na skalę przemysłową z wykorzystaniem metody Lindego, polegającej na frakcjonowanej kondensacji i destylacji skroplonego powietrza.
Znaczenie biologiczne tlenu
Tlen dwuatomowy (O₂) jest jednym z najważniejszych pierwiastków biogennych (biogenów, makroelementów) niezbędnym do życia i funkcjonowania większości organizmów żywych uzyskujących energię w procesie oddychania tlenowego (tlenowców, aerobiontów, aerobów, oksybiontów). Wyjątkiem są organizmy żyjące w warunkach beztlenowych bądź zasiedlające środowiska o niskiej zawartości tlenu (beztlenowce, anaerobionty, anaeroby, anoksybionty). Beztlenowce, do których należą niektóre bakterie i archeowce, protisty, grzyby i pasożytnicze bezkręgowce, pozyskują energię w procesie fermentacji bądź oddychania beztlenowego. Tlen wchodzi w skład licznych związków nieorganicznych i organicznych budujących żywe organizmy, jak woda (podstawowy składnik środowiska wewnętrznego organizmu; obecny w komórkach, tkankach, narządach, sokach roślinnych i płynach ustrojowych zwierząt – krwi kręgowców, hemolimfie bezkręgowców); węglowodany (np. glukoza – podstawowy substrat energetyczny), białka (np. białka strukturalne, transportowe, enzymatyczne, receptorowe), tłuszcze (np. fosfolipidy i glikolipidy tworzące błony komórkowe) oraz kwasy nukleinowe (DNA stanowiący nośnik informacji genetycznej i RNA odpowiedzialny za syntezę białek).
Oddychanie tlenowe. Źródło: shutterstock
C₆H₁₂O₆+6 O₂→6 CO₂+6 H₂O
Uboczne produkty procesu utleniania glukozy, czyli ditlenek węgla (CO₂) oraz woda (H₂O), uwalniane są do atmosfery, skąd pobierane są przez organizmy fotoautotroficzne (np. glony, rośliny) i wykorzystywane do syntezy glukozy przy udziale energii świetlnej (fotosyntezy):
6 CO₂+6 H₂O+hν (energia świetlna)→ C₆H₁₂O₆+6 O₂
Wytwarzany w procesie fotosyntezy wolny tlen uwalniany jest do atmosfery bądź dyfunduje do wody skąd w formie gazowej bądź rozpuszczonej w wodzie pobierany jest przez tlenowce i wykorzystywany w procesie oddychania komórkowego. Obieg tlenu w przyrodzie połączony jest również, za pośrednictwem tlenków i bogatych w tlen soli, z cyklami biogeochemicznymi innych pierwiastków i związków chemicznych (np. węgla, azotu, siarki, fosforu i wody).
Zastosowania tlenu
Tlen wykorzystywany jest przez człowieka w wielu chemicznych i przemysłowych procesach technologicznych, m.in. syntezie kwasów nieorganicznych (np. kwasu azotowego (V), HNO₃ i kwasu siarkowego (VI), H₂SO₄), produkcji tworzyw sztucznych i tekstyliów; w przemyśle hutniczym stosowany jest do świeżenia (konwertorownia) metali i ich stopów (np. miedzi, ołowiu, stali), czyli usuwania z ich powierzchni niepożądanych domieszek z wykorzystaniem reakcji utleniania. Procesy spalania paliw (reakcje gwałtownego utleniania z wydzieleniem dużych ilości ciepła) stanowią źródło energii cieplnej wykorzystywanej do ogrzewania budynków i pomieszczeń, w transporcie i licznych procesach przemysłowych. Utleniające właściwości tlenu wykorzystywane są do wytworzenia wysokiej temperatury w urządzeniach technicznych służących do spawania i cięcia metali (np. palnikach acetylenowo-tlenowych oraz palnikach wodorowo-tlenowych). Ciekły tlen (połączony z ciekłym wodorem lub naftą) jest utleniaczem paliwa rakietowego. Tlen stanowi także składnik mieszanek oddechowych do napełniania butli używanych podczas nurkowania i wspinaczki wysokogórskiej. Tlen ma również duże znaczenie w medycynie. Maski tlenowe stosowane są przy udzielaniu pierwszej pomocy, tlenoterapii i leczeniu chorób układu oddechowego (np. przewlekłej obturacyjnej choroby płuc). Komory hiperbaryczne (wypełnione tlenem pod wysokim ciśnieniem) mają zastosowanie m.in. w terapii trudno gojących się ran i owrzodzeń.
Maski tlenowe są niezbędne podczas udzielania pierwszej pomocy. Źródło: shutterstock
Bibliografia
- Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020. ;
- Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann; “Chemistry of the Elements (2nd ed.)”; Oxford 1997;
- Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry. Introducing inorganic, organic and physical chemistry ”; Oxford University Press, 2017.;
- Grażyna Łabno; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny, ”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. XI”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 2000.;
- Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii, K.-H. ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
- K.M. Pazdro ; “Podstawy chemii dla kandydatów na wyższe uczelnie ”; Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1991.;
- promil
