Οξυγόνο

Πρώιμα πειράματα

Ένα από τα πρώτα γνωστά πειράματα σχετικά με το πώς η καύση χρειάζεται αέρα πραγματοποιήθηκε από τον Έλληνα Φίλο του Βυζαντίου τον 2ο αιώνα π.Χ. Έγραψε στο έργο του Pneumatica ότι γυρίζοντας ένα δοχείο ανάποδα πάνω από ένα αναμμένο κερί και βάζοντας νερό γύρω από αυτό το δοχείο, σήμαινε ότι λίγο νερό έμπαινε μέσα στο δοχείο. Ο Φίλων πίστευε ότι αυτό συνέβαινε επειδή ο αέρας μετατρεπόταν στο κλασικό στοιχείο της φωτιάς. Αυτό ήταν λάθος. Πολύ καιρό μετά, ο Λεονάρντο ντα Βίντσι επεξεργάστηκε σωστά ότι ο αέρας καταναλώνεται όταν συμβαίνει η καύση, η οποία αναγκάζει το νερό να μπει μέσα στο δοχείο.

Στα τέλη του 17ου αιώνα, ο Robert Boyle διαπίστωσε ότι ο αέρας είναι απαραίτητος για την καύση. Ο Άγγλος χημικός John Mayow πρόσθεσε σε αυτό δείχνοντας ότι η φωτιά χρειαζόταν μόνο ένα μέρος του αέρα. Αυτό το ονομάζουμε τώρα οξυγόνο (με τη μορφή διοξυγόνου). Σε ένα από τα πειράματά του, διαπίστωσε ότι βάζοντας ένα κερί σε ένα κλειστό δοχείο έκανε το νερό να ανέβει και να αντικαταστήσει το ένα τέταρτο του όγκου του αέρα στο δοχείο, πριν σβήσει. Το ίδιο συνέβη και όταν τοποθετήθηκε μέσα στο κουτί ένα ποντίκι. Από αυτό, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το οξυγόνο χρησιμοποιείται για την αναπνοή και την καύση.

Θεωρία του φλογίστρου

Ο Robert Hooke, ο Ole Borch, ο Mikhail Lomonosov και ο Pierre Bayen έκαναν πειράματα με οξυγόνο τον 17ο και 18ο αιώνα. Κανείς τους δεν πίστευε ότι ήταν χημικό στοιχείο. Αυτό πιθανώς οφειλόταν στην ιδέα της θεωρίας του φλογίστρου. Αυτό ήταν που οι περισσότεροι πίστευαν ότι προκαλούσε την καύση και τη διάβρωση.

J. J. Becher το επινόησε το έτος 1667 και ο Georg Ernst Stahl το συμπλήρωσε το 1731. Η θεωρία του φλογίστρου ανέφερε ότι όλα τα καύσιμα υλικά αποτελούνται από δύο μέρη. Το ένα μέρος, που ονομάζεται φλογέστανο, εκλύεται όταν καίγεται η ουσία που το περιέχει.

Τα πολύ εύφλεκτα υλικά που αφήνουν μόνο μια μικρή ποσότητα υπολειμμάτων, όπως το ξύλο ή ο άνθρακας, θεωρήθηκαν ότι αποτελούνται από φλόγιστο. Τα πράγματα που διαβρώνονται, όπως ο σίδηρος, θεωρήθηκε ότι περιέχουν μόνο μια μικρή ποσότητα. Ο αέρας δεν αποτελούσε μέρος αυτής της θεωρίας.

Ανακάλυψη

Ο Πολωνός αλχημιστής, φιλόσοφος και γιατρός Μιχαήλ Σεντιβόγιος μίλησε για μια ουσία στον αέρα, την οποία αποκάλεσε "τροφή της ζωής", και αυτή η ουσία είναι το οξυγόνο. Ο Sendivogius διαπίστωσε, μεταξύ των ετών 1598 και 1604, ότι η ουσία αυτή είναι η ίδια με αυτή που παράγεται κατά τη θερμική αποσύνθεση του νιτρικού καλίου. Ορισμένοι πιστεύουν ότι αυτή ήταν η ανακάλυψη του οξυγόνου, ενώ άλλοι διαφωνούν.

Συχνά λέγεται επίσης ότι το οξυγόνο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Σουηδό φαρμακοποιό Carl Wilhelm Scheele. Παρασκεύασε οξυγόνο θερμαίνοντας οξείδιο του υδραργύρου και μερικά νιτρικά άλατα το 1771. Ο Scheele ονόμασε το αέριο που έφτιαξε "αέρα φωτιάς", επειδή ήταν το μόνο γνωστό αέριο που επέτρεπε την καύση. Δημοσίευσε την ανακάλυψή του το 1777.

Την 1η Αυγούστου 1774, ένα πείραμα που διεξήχθη από τον Βρετανό κληρικό Joseph Priestley εστίασε το ηλιακό φως στο οξείδιο του υδραργύρου σε έναν γυάλινο σωλήνα. Έτσι δημιουργήθηκε ένα αέριο το οποίο ονόμασε "αποφυλλισμένο αέρα". Διαπίστωσε επίσης ότι τα κεριά έκαιγαν πιο φωτεινά στο αέριο και τα ποντίκια ζούσαν περισσότερο αναπνέοντάς το. Όταν εισέπνευσε το αέριο, είπε (απλουστευμένα): "Ένιωσα ότι ήταν σαν κανονικός αέρας, αλλά οι πνεύμονές μου αισθάνθηκαν ελαφρύτεροι και ευκολότεροι μετά". Τα ευρήματά του δημοσιεύτηκαν το 1775. Επειδή τα ευρήματά του δημοσιεύτηκαν πρώτα, συνήθως λέγεται ότι είναι ο ανακάλυπτης του οξυγόνου.

Ο Γάλλος χημικός Antoine Lavoisier δήλωσε αργότερα ότι είχε ανακαλύψει και αυτός την ουσία. Ο Priestly τον επισκέφθηκε το 1774 και του μίλησε για το πείραμά του. Ο Scheele έστειλε επίσης μια επιστολή στον Lavoisier εκείνο το έτος που μιλούσε για την ανακάλυψή του.

Η συμβολή του Lavoisier

Ο Λαβουαζιέ πραγματοποίησε τα πρώτα βασικά πειράματα για την οξείδωση και έδωσε την πρώτη σωστή εξήγηση για τον τρόπο λειτουργίας της καύσης. Χρησιμοποίησε αυτά και άλλα πειράματα για να αποδείξει ότι η θεωρία του φλογίστρου ήταν λανθασμένη. Προσπάθησε επίσης να αποδείξει ότι η ουσία που ανακάλυψαν οι Priestley και Scheele ήταν ένα χημικό στοιχείο.

Σε ένα πείραμα, ο Λαβουαζιέ διαπίστωσε ότι δεν υπήρχε αύξηση της μάζας όταν ο κασσίτερος και ο αέρας θερμαίνονταν σε ένα κλειστό δοχείο. Διαπίστωσε επίσης ότι ο αέρας εισέβαλε όταν το δοχείο άνοιξε. Μετά από αυτό, διαπίστωσε ότι η μάζα του κασσίτερου είχε αυξηθεί κατά την ίδια ποσότητα με τον αέρα που εισέβαλε. Δημοσίευσε τα ευρήματά του το 1777. Έγραψε ότι ο αέρας αποτελείται από δύο αέρια. Το ένα το ονόμασε "ζωτικό αέρα" (οξυγόνο), το οποίο είναι απαραίτητο για την καύση και την αναπνοή. Το άλλο το ονόμασε "αζώτο" (άζωτο), που σημαίνει "άψυχο" στην ελληνική γλώσσα. Αυτή είναι ακόμη η ονομασία του αζώτου σε ορισμένες γλώσσες, συμπεριλαμβανομένων των γαλλικών.

Ο Λαβουαζιέ μετονόμασε τον "ζωτικό αέρα" σε "οξυγόνο", που σημαίνει "παραγωγός από οξέα" στα ελληνικά. Το ονόμασε έτσι επειδή πίστευε ότι το οξυγόνο περιέχεται σε όλα τα οξέα, πράγμα που ήταν λάθος. Πολλοί χημικοί συνειδητοποίησαν ότι ο Λαβουαζιέ έκανε λάθος στην ονομασία του, αλλά η ονομασία ήταν πολύ διαδεδομένη μέχρι τότε για να αλλάξει.

Το "Οξυγόνο" έγινε η ονομασία στην αγγλική γλώσσα, παρόλο που οι Άγγλοι επιστήμονες ήταν αντίθετοι.

Μεταγενέστερη ιστορία

Η θεωρία του John Dalton για τα άτομα έλεγε ότι όλα τα στοιχεία είχαν ένα άτομο και ότι τα άτομα στις ενώσεις ήταν συνήθως μόνα τους. Για παράδειγμα, πίστευε λανθασμένα ότι το νερό (_H2O) είχε τον τύπο μόνο HO. Το 1805, ο Joseph Louis Gay-Lussac και ο Alexander von Humboldt έδειξαν ότι το νερό αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Το 1811, ο Αμεντέο Αβογκάντρο υπολόγισε σωστά από τι αποτελείται το νερό με βάση το νόμο του Αβογκάντρο.

Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ο αέρας μπορούσε να μετατραπεί σε υγρό και οι ενώσεις του να απομονωθούν με τη συμπίεση και την ψύξη του. Ο Ελβετός χημικός και φυσικός Raoul Pictet ανακάλυψε το υγρό οξυγόνο εξατμίζοντας διοξείδιο του θείου για να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε υγρό. Στη συνέχεια, αυτό εξατμίστηκε επίσης για να ψυχθεί το αέριο οξυγόνο, προκειμένου να μετατραπεί σε υγρό. Έστειλε τηλεγράφημα στη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών στις 22 Δεκεμβρίου 1877 με το οποίο τους ενημέρωνε για την ανακάλυψή του.

Ιδιότητες και μοριακή δομή

Σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, το οξυγόνο δεν έχει χρώμα, οσμή ή γεύση και είναι αέριο με χημικό τύπο O
₂ που ονομάζεται διοξυγόνο_.

Ως διοξυγόνο, δύο άτομα οξυγόνου συνδέονται χημικά μεταξύ τους. Αυτός ο δεσμός μπορεί να ονομαστεί πολλά πράγματα, αλλά απλά ονομάζεται ομοιοπολικός διπλός δεσμός. Το διοξυγόνο είναι πολύ δραστικό και μπορεί να αντιδράσει με πολλά άλλα στοιχεία. Τα οξείδια δημιουργούνται όταν μεταλλικά στοιχεία αντιδρούν με το διοξυγόνο, όπως το οξείδιο του σιδήρου, το οποίο είναι γνωστό ως σκουριά. Υπάρχουν πολλές ενώσεις οξειδίων στη Γη.

Allotropes

Το κοινό αλλότροπο (είδος) του οξυγόνου στη Γη ονομάζεται διοξυγόνο (O2). Πρόκειται για το δεύτερο μεγαλύτερο μέρος της γήινης ατμόσφαιρας, μετά το δινιτρογόνο (N2). Το Ο2 έχει μήκος δεσμού 121 pm και ενέργεια δεσμού 498 kJ/mol Λόγω της ενέργειάς του, το Ο2 χρησιμοποιείται από πολύπλοκες μορφές ζωής, όπως τα ζώα.

Το όζον (O3) είναι πολύ δραστικό και καταστρέφει τους πνεύμονες όταν εισπνέεται. Το όζον δημιουργείται στην ανώτερη ατμόσφαιρα όταν το Ο2 συνδυάζεται με καθαρό οξυγόνο που δημιουργείται όταν το Ο2 διασπάται από την υπεριώδη ακτινοβολία. Το όζον απορροφά πολλή ακτινοβολία στο υπεριώδες τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και έτσι το στρώμα του όζοντος στην ανώτερη ατμόσφαιρα προστατεύει τη Γη από την ακτινοβολία.

Το τετραοξυγόνο (Ο4) ανακαλύφθηκε το 2001. Υπάρχει μόνο σε ακραίες συνθήκες όταν ασκείται μεγάλη πίεση στο Ο2.

Φυσικές ιδιότητες

Το οξυγόνο διαλύεται ευκολότερα από τον αέρα στο νερό από ό,τι το άζωτο. Όταν υπάρχει η ίδια ποσότητα αέρα και νερού, υπάρχει ένα μόριο Ο2 για κάθε 2 μόρια Ν2 (αναλογία 1:2). Αυτό διαφέρει από τον αέρα, όπου υπάρχει αναλογία 1:4 οξυγόνου προς άζωτο. Είναι επίσης ευκολότερο για το Ο2 να διαλυθεί στο γλυκό νερό από ό,τι στο θαλασσινό νερό. Το οξυγόνο συμπυκνώνεται στους 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) και παγώνει στους 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Τόσο το υγρό όσο και το στερεό Ο2 είναι διαφανές με γαλάζιο χρώμα.

Το οξυγόνο είναι πολύ δραστικό και πρέπει να διατηρείται μακριά από οτιδήποτε μπορεί να καεί.

Ισότοπα

Υπάρχουν τρία σταθερά ισότοπα του οξυγόνου στη φύση. Είναι το ^16Ο, το ^17Ο και το ^18Ο. Περίπου το 99,7% του οξυγόνου είναι το ισότοπο ^16Ο.

Περιστατικό

Το οξυγόνο είναι το πιο κοινό στοιχείο σε μάζα στη Γη. Είναι το τρίτο πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν, μετά το υδρογόνο και το ήλιο. Περίπου το 0,9% της μάζας του Ήλιου είναι οξυγόνο. Το οξυγόνο αποτελεί το 49,2% της μάζας του φλοιού της Γης ως μέρος ενώσεων οξειδίων όπως το διοξείδιο του πυριτίου. Αποτελεί επίσης το κύριο μέρος των ωκεανών της Γης, αποτελώντας το 88,8% της μάζας του. Το αέριο οξυγόνο είναι το δεύτερο πιο κοινό μέρος της ατμόσφαιρας, αποτελώντας το 20,8% της μάζας και το 23,1% του όγκου της. Η Γη είναι παράξενη σε σύγκριση με άλλους γνωστούς πλανήτες, καθώς ένα μεγάλο μέρος της ατμόσφαιράς της αποτελείται από αέριο οξυγόνο. Ο Άρης έχει 0,1% Ο2 κατ' όγκο, με τους υπόλοιπους πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος να έχουν λιγότερο από αυτό.

Η μεγάλη ποσότητα αερίου οξυγόνου στη Γη οφείλεται στον κύκλο του οξυγόνου. Αυτός ελέγχεται κυρίως από τη φωτοσύνθεση, η οποία παράγει αέριο οξυγόνο από το διοξείδιο του άνθρακα, το νερό και την ενέργεια του ήλιου. Στη συνέχεια, η αναπνοή παίρνει το αέριο οξυγόνο από την ατμόσφαιρα και το μετατρέπει ξανά σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτό συμβαίνει με τον ίδιο ρυθμό, οπότε η ποσότητα του αερίου οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα δεν αλλάζει εξαιτίας αυτού.

Ιατρικό

Το Ο2 είναι ένα πολύ σημαντικό μέρος της αναπνοής. Εξαιτίας αυτού, χρησιμοποιείται στην ιατρική. Χρησιμοποιείται για την αύξηση της ποσότητας οξυγόνου στο αίμα ενός ατόμου, ώστε να μπορεί να πραγματοποιηθεί περισσότερη αναπνοή. Αυτό μπορεί να τους κάνει να γίνουν πιο γρήγορα υγιείς αν είναι άρρωστοι. Η οξυγονοθεραπεία χρησιμοποιείται για τη θεραπεία του εμφυσήματος, της πνευμονίας, ορισμένων καρδιακών προβλημάτων και οποιασδήποτε ασθένειας που δυσκολεύει το άτομο να προσλάβει οξυγόνο.

Υποστήριξη ζωής

Το Ο2 χαμηλής πίεσης χρησιμοποιείται στις διαστημικές στολές, που περιβάλλουν το σώμα με το αέριο. Χρησιμοποιείται καθαρό οξυγόνο αλλά σε πολύ χαμηλότερη πίεση. Αν η πίεση ήταν υψηλότερη, θα ήταν δηλητηριώδες.

Το NFPA 704 του οξυγόνου αναφέρει ότι το συμπιεσμένο αέριο οξυγόνο δεν είναι επικίνδυνο για την υγεία και δεν είναι εύφλεκτο.

Τοξικότητα

Σε υψηλές πιέσεις, το αέριο οξυγόνο (O2) μπορεί να είναι επικίνδυνο για τα ζώα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Μπορεί να προκαλέσει σπασμούς και άλλα προβλήματα υγείας. Η τοξικότητα του οξυγόνου αρχίζει συνήθως να εμφανίζεται σε πιέσεις άνω των 50 kilopascals (kPa), που ισοδυναμούν με περίπου 50% οξυγόνο στον αέρα σε κανονική πίεση (ο αέρας στη Γη έχει περίπου 20% οξυγόνο).

Τα πρόωρα μωρά συνήθιζαν να τοποθετούνται σε κουτιά με αέρα με υψηλή ποσότητα Ο2. Αυτό σταμάτησε όταν κάποια μωρά τυφλώθηκαν από το οξυγόνο.

Η αναπνοή καθαρού Ο2 στις διαστημικές στολές δεν προκαλεί βλάβες επειδή χρησιμοποιείται χαμηλότερη πίεση.

Κίνδυνοι καύσης και άλλοι κίνδυνοι

Συγκεντρωμένες ποσότητες καθαρού O2 μπορούν να προκαλέσουν γρήγορη πυρκαγιά. Όταν συγκεντρωμένο οξυγόνο και καύσιμα έρχονται κοντά, μια μικρή ανάφλεξη μπορεί να προκαλέσει τεράστια πυρκαγιά. Το πλήρωμα του Apollo 1 σκοτώθηκε από πυρκαγιά εξαιτίας του συμπυκνωμένου οξυγόνου που χρησιμοποιήθηκε στον αέρα της κάψουλας.

Εάν το υγρό οξυγόνο χυθεί σε οργανικές ενώσεις, όπως το ξύλο, μπορεί να εκραγεί.