🫁

Οξυγόνο

Παρασκευή και ανίχνευση, φυσικές ιδιότητες, οξείδια, οξείδωση και καύση, ο ρόλος του οξυγόνου στη ζωή

Τι κοινό έχουν ένας πύραυλος και τα κύτταρά σου;

Το 1969 το «Apollo 11» έφτασε στη Σελήνη χάρη στην καύση καυσίμων μέσα σε καθαρό οξυγόνο. Την ίδια στιγμή, σε κάθε κύτταρό σου, το οξυγόνο «καίει» αργά τη γλυκόζη για να σου δώσει ενέργεια — χωρίς φλόγα. Το ίδιο αέριο κινεί πυραύλους και κρατά ζωντανό εσένα.

Το χημικό στοιχείο οξυγόνο

Το οξυγόνο που αναπνέουμε αποτελείται από μόρια $O_2$ . Είναι το πιο διαδεδομένο στοιχείο του στερεού φλοιού της Γης (περίπου 47% w/w), όπου βρίσκεται ενωμένο με άλλα στοιχεία σε χημικές ενώσεις.

Παρασκευή

Με ηλεκτρόλυση του νερού.
Με διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου ( $H_2O_2$ , το οξυζενέ): προσθέτουμε λίγο πυρολουσίτη και το μείγμα αφρίζει από φυσαλίδες οξυγόνου.
Βιομηχανικά από τον αέρα: ο αέρας υγροποιείται με ψύξη και συμπίεση, το οξυγόνο διαχωρίζεται με απόσταξη και αποθηκεύεται υπό πίεση σε χαλύβδινες φιάλες (οβίδες).

$2H_2O_2(l) \rightarrow 2H_2O(l) + O_2(g)$

Ανίχνευση και φυσικές ιδιότητες

Ανίχνευση: ανάβουμε ένα λεπτό ξυλάκι (παρασχίδα), το σβήνουμε αφήνοντας την άκρη πυρωμένη και το βάζουμε στον σωλήνα: αναφλέγεται. Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για τις καύσεις.

Φυσικές ιδιότητες: αέριο άχρωμο και άοσμο· διαλύεται πολύ λίγο στο νερό — αρκετά όμως για να αναπνέουν τα ψάρια. Σημείο πήξεως $-219\ ^\circ\text{C}$ , σημείο ζέσεως $-183\ ^\circ\text{C}$ , πυκνότητα περίπου $1{,}3\ \text{g/L}$ .

Γρήγορος έλεγχος

Πώς αποδεικνύεις ότι ένα αέριο σε δοκιμαστικό σωλήνα είναι οξυγόνο;

Οξείδια, οξείδωση και καύση

Σχεδόν όλα τα στοιχεία αντιδρούν με το οξυγόνο και σχηματίζουν ενώσεις που λέγονται οξείδια. Οι αντιδράσεις αυτές ανήκουν στις οξειδώσεις:

Χάλκινο σύρμα στη φλόγα μαυρίζει — οξείδιο του χαλκού: $2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO$
Το θείο καίγεται με γαλάζια φλόγα — διοξείδιο του θείου: $S + O_2 \rightarrow SO_2$
Το σκούριασμα του σιδήρου: $4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3$

Οι οξειδώσεις που γίνονται με φλόγα και έκλυση θερμότητας λέγονται καύσεις. Οι καύσεις είναι εξώθερμες και τις χρησιμοποιούμε για παραγωγή ενέργειας.

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{θερμότητα}\qquad 2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO + \text{θερμότητα}$

$C + O_2 \rightarrow CO_2 + \text{θερμότητα}\qquad CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + \text{θερμότητα}$

Το οξυγόνο και η ζωή

Οι περισσότεροι οργανισμοί προσλαμβάνουν οξυγόνο για την κυτταρική αναπνοή: στα κύτταρα το οξυγόνο οξειδώνει τις ουσίες των τροφών (π.χ. τη γλυκόζη) και η ενέργεια που ελευθερώνεται χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη και τις δραστηριότητες του οργανισμού. Αυτές οι «βιολογικές καύσεις» γίνονται χωρίς φλόγα.

Το οξυγόνο που καταναλώνεται αναπληρώνεται από τη φωτοσύνθεση των φυτών, έτσι η περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο μένει σταθερή.

Μέθοδος: γράφω την εξίσωση μιας καύσης

Αντιδρώντα: το καύσιμο και το οξυγόνο $O_2$ .
Προϊόντα: το οξείδιο κάθε στοιχείου του καυσίμου — ο άνθρακας δίνει $CO_2$ , το υδρογόνο $H_2O$ , το θείο $SO_2$ , τα μέταλλα το οξείδιό τους.
Ισοστάθμισε πρώτα τα άλλα στοιχεία και τελευταίο το οξυγόνο.
Πρόσθεσε «+ θερμότητα» — κάθε καύση είναι εξώθερμη.

Παράδειγμα — συμπλήρωσε τις εξισώσεις:

$C + O_2 \rightarrow \ ?$ → $C + O_2 \rightarrow CO_2$
$S + \ ? \rightarrow SO_2$ → $S + O_2 \rightarrow SO_2$
$?\,Mg + \ ? \rightarrow \ ?\,MgO$ → $2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$ (Mg: 2 = 2, O: 2 = 2 ✓)

Παράδειγμα — διατήρηση μάζας στην παρασκευή οξυγόνου: Διασπώνται πλήρως $68\ \text{g}$ υπεροξειδίου του υδρογόνου και σχηματίζονται $36\ \text{g}$ νερό. Πόσο οξυγόνο παράχθηκε;

Λύση: $m_{\text{αντιδρώντων}} = m_{\text{προϊόντων}}$ : $68 = 36 + m_{O_2}$ , άρα $m_{O_2} = 32\ \text{g}$ .

Απάντηση: $32\ \text{g}$ οξυγόνο. Ο πυρολουσίτης απλώς επιταχύνει τη διάσπαση — δεν μπαίνει στον λογαριασμό.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Το φυσικό αέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο ( $CH_4$ ). Στο εργαστήριο το οξυγόνο παράγεται από οξυζενέ και πυρολουσίτη.

Ζητούμενα: (α) Η εξίσωση της καύσης του μεθανίου. (β) Είναι οξείδωση; Είναι καύση; (γ) Περιγραφή του πειράματος παραγωγής και ανίχνευσης οξυγόνου.

Λύση:

(α) $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + \text{θερμότητα}$ (C 1 = 1, H 4 = 4, O 4 = 4 ✓).

(β) Οξείδωση, γιατί το μεθάνιο αντιδρά με οξυγόνο· και καύση, γιατί γίνεται με φλόγα και έκλυση θερμότητας (εξώθερμη).

(γ) Σε δοκιμαστικό σωλήνα βάζουμε $2$ – $3\ \text{mL}$ οξυζενέ και λίγο πυρολουσίτη: αφρίζει. Βάζουμε μισοσβησμένη παρασχίδα: αναφλέγεται → το αέριο είναι οξυγόνο.

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Ποια είναι η διαφορά ανάμεσα στην οξείδωση και την καύση;

Γρήγορος έλεγχος

Η κυτταρική αναπνοή χαρακτηρίζεται «βιολογική καύση». Σε τι διαφέρει από την καύση ενός κεριού;

Κόλπο μνήμης

Το όνομα τα λέει όλα: οξυ-γόνο = «αυτό που γεννά οξύ» — το ονόμασε ο Λαβουαζιέ, που το μελέτησε συστηματικά. Και οι δύο «δοκιμές φλόγας»: Οξυγόνο → Ορμάει η φλόγα (αναφλέγεται)· υδρογόνο → «μπαμ» (κρότος).

Ήξερες ότι;

Το υγρό οξυγόνο δεν είναι άχρωμο αλλά ανοιχτό γαλάζιο — και, αν το ρίξεις ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού μαγνήτη, μένει κολλημένο εκεί, γιατί έλκεται από τον μαγνήτη. Την ανακάλυψη του οξυγόνου τη διεκδικούν ο Σουηδός Σέελε και ο Βρετανός Πρίστλεϊ, τη δεκαετία του 1770.

Πρόκληση

Για να υπάρξει φωτιά χρειάζονται καύσιμο, οξυγόνο και υψηλή θερμοκρασία. Εξήγησε πώς σβήνει τη φωτιά καθένας από τους παρακάτω τρόπους και ποιοι στηρίζονται στην απομάκρυνση του οξυγόνου: (α) σκεπάζεις με πυρίμαχη κουβέρτα ένα τηγάνι που πήρε φωτιά, (β) ρίχνεις άμμο σε μια φωτιά στην κατασκήνωση, (γ) οι πυροσβέστες ρίχνουν νερό σε ένα φλεγόμενο ξύλο, (δ) πυροσβεστήρας διοξειδίου του άνθρακα. Γιατί δεν ρίχνουμε νερό στο καυτό λάδι;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Η κουβέρτα κόβει την επαφή με τον αέρα → απομάκρυνση οξυγόνου.

(β) Η άμμος σκεπάζει το καύσιμο → απομάκρυνση οξυγόνου.

(γ) Το νερό κυρίως ψύχει το ξύλο κάτω από τη θερμοκρασία που χρειάζεται για να καίγεται.

(δ) Το $CO_2$ δεν καίγεται και είναι βαρύτερο από τον αέρα: «σκεπάζει» τη φωτιά → απομάκρυνση οξυγόνου.

Στο καυτό λάδι το νερό βράζει ακαριαία, γίνεται ατμός και εκτινάσσει σταγόνες φλεγόμενου λαδιού — η φωτιά απλώνεται. Γι' αυτό σκεπάζουμε το τηγάνι.

Απάντηση: (α), (β), (δ) απομακρύνουν το οξυγόνο· (γ) ψύχει.

Συνηθισμένα λάθη

Γράφεις το οξυγόνο ως $O$ στις εξισώσεις. Είναι πάντα $O_2$ .
Μπερδεύεις τις δοκιμές: παρασχίδα που αναφλέγεται → οξυγόνο· κρότος → υδρογόνο· θολό ασβεστόνερο → $CO_2$ .
«Το οξυγόνο καίγεται». Το οξυγόνο συντηρεί την καύση· καίγεται το καύσιμο.
«Ο πυρολουσίτης είναι αντιδρών». Απλώς επιταχύνει τη διάσπαση του $H_2O_2$ .

Σύνοψη — τι κρατάμε

Οξυγόνο: μόρια $O_2$ , το πιο διαδεδομένο στοιχείο του φλοιού της Γης (47% w/w).
Παρασκευή: ηλεκτρόλυση νερού, $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$ (με πυρολουσίτη), βιομηχανικά από υγρό αέρα.
Ανίχνευση: μισοσβησμένη παρασχίδα αναφλέγεται. Άχρωμο, άοσμο, λίγο διαλυτό στο νερό.
Αντιδράσεις με οξυγόνο → οξείδια (οξειδώσεις)· με φλόγα και θερμότητα → καύσεις (εξώθερμες).
Κυτταρική αναπνοή: οξείδωση της γλυκόζης χωρίς φλόγα· η φωτοσύνθεση αναπληρώνει το οξυγόνο.

Το χημικό στοιχείο οξυγόνο

Το οξυγόνο που αναπνέουμε αποτελείται από μόρια

O_2

. Είναι το πιο διαδεδομένο στοιχείο του στερεού φλοιού της Γης (περίπου 47% w/w), όπου βρίσκεται ενωμένο με άλλα στοιχεία σε χημικές ενώσεις.

Παρασκευή

Με ηλεκτρόλυση του νερού.

Με διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου (

H_2O_2

, το οξυζενέ): προσθέτουμε λίγο πυρολουσίτη και το μείγμα αφρίζει από φυσαλίδες οξυγόνου.

Βιομηχανικά από τον αέρα: ο αέρας υγροποιείται με ψύξη και συμπίεση, το οξυγόνο διαχωρίζεται με απόσταξη και αποθηκεύεται υπό πίεση σε χαλύβδινες φιάλες (οβίδες).

Οξείδια, οξείδωση και καύση

Χάλκινο σύρμα στη φλόγα μαυρίζει — οξείδιο του χαλκού:

2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO

Το θείο καίγεται με γαλάζια φλόγα — διοξείδιο του θείου:

S + O_2 \rightarrow SO_2

Το σκούριασμα του σιδήρου:

4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3