Tlen

Tlen - wzór

Tlen to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 8, oznaczany symbolem O. Masa atomowa tlenu to 15,9994u. Pierwszy pierwiastek w 16 (VI) grupie układu okresowego. Pierwiastki tej grupy nazywane są tlenowcami. W stanie wolnym, tlen występuje w dwóch odmianach alotropowych. Tlen dwuatomowy, O_2, zwany również dwutlenem lub ditlenem jest odmianą stabilniejszą i dużo bardziej rozpowszechnioną w przyrodzie. Drugą, dużo bardziej reaktywną i rzadszą odmianą alotropową tlenu jest trójatomowy ozon, O_3. Powstaje on z tlenu dwuatomowego pod wpływem silnych wyładowań elektrycznych (naturalnie – w czasie burzy). Ozon obecny jest w wyższych partiach ziemskiej atmosfery w postaci tzw. warstwy ozonowej, która pochłania słoneczne promieniowanie UV, chroniąc Ziemię przed jego szkodliwym działaniem.  W temperaturze pokojowej, zarówno ozon, jak i tlen są gazami, tlen jest bezwonny, natomiast ozon ma charakterystyczny ostry zapach, odczuwalny czasem w powietrzu po burzy. Ze względu na silne własności utleniające, ozon, nawet w małym stężeniu,  działa szkodliwie na układ oddechowy. Długotrwałe wystawienie na działanie ozonu zwiększa ryzyko zachorowania na astmę. Wybrane własności tlenu i ozonu przedstawiono w tabeli 1.

Występowanie w przyrodzie

Tlen jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi: występuje w atmosferze w formie wolnej, a także w skorupie ziemskiej w postaci różnorodnych minerałów zawierających tlen i innych związków, a przede wszystkim – w morzach i oceanach w postaci wody, H_2O. Tlen jest również głównym elementem budulcowym organizmów żywych – poprzez wodę oraz szereg związków organicznych (m. in. białka i aminokwasy, tłuszcze, węglowodany) i nieorganicznych (na przykład fosforany i węglany), które go zawierają.

Reaktywność tlenu

Tlen jest drugim po fluorze najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem i podobnie jak fluor tworzy związki chemiczne z większością pierwiastków układu okresowego. Ze względu jednak na większą siłę podwójnego wiązania między atomami tlenu, cząsteczkowy tlen reaguje dużo mniej gwałtownie niż fluor. W związkach chemicznych, tlen ma tendencję do stabilizowania wysokich stopni utlenienia innych pierwiastków. Wśród takich związków można wymienić anion nadmanganianowy, MnO_4^-, w którym 4 atomy tlenu stabilizują atom manganu na stopniu utlenienia +VII, jon chloranowy(VII), ClO_4^-, w którym jest podobnie – centralny atom chloru jest na +VII stopniu utlenienia, a także tetratlenek osmu, cOsO_4, w którym atom osmu występuje na +VIII stopniu utlenienia (najwyższy stopień utlenienia osiągany w chemii).

W związkach chemicznych tlen najczęściej występuje na stopniu utlenienia –II (np. H_2O, CO_2, H_2SO_4), rzadziej, tlen występuje na stopniu utlenienia –I – głównie w nadtlenkach o ogólnym wzorze R-O-O-R. Jeszcze rzadsze są połączenia tlenu na stopniach utlenienia -1/2 (ponadtlenki), -1/3 (ozonki), 0 (tlen cząsteczkowy, kwas podfluorawy, HOF), +1/2 (kation dioksygenylowy, O_2^+), +1 (O_2F_2, difluorek ditlenu), +2 (OF_2, fluorek tlenu).

Jako dobry utleniacz, tlen podtrzymuje procesy spalania; znaczna część procesów spalania w chemii to właśnie reakcje z tlenem. Wśród najważniejszych można wymienić reakcję spalania węgla kamiennego, w której powstaje dwutlenek węgla (równanie 1), spalanie węglowodorów nasyconych obecnych w ropie naftowej, którego produktami są dwutlenek węgla i woda(równanie 2).

C + O_2 \rightarrow  CO_2 (1)

C_nH_{2n+2} + (n +  \frac{n+1}{2})O_2  \rightarrow nCO_2 + (n+1)H_2O (2)

Kolejną charakterystyczną cechą chemii tlenu jest zdolność do tworzenia silnych wiązań wodorowych. Zdolność ta demonstruje się w szczególnych właściwościach fizykochemicznych wody, która dzięki rozbudowanej sieci wiązań wodorowych posiada bardzo wysoką w stosunku do swojej masy molowej temperaturę topnienia i wrzenia. Woda jest cieczą, mając masę tylko 18 gramów/mol, cząsteczkowy tlen jest gazem, mając masę molową 32 g/mol, podobnie chlorowodór – jest gazem, mając masę 36,5 g/mol.

Otrzymywanie tlenu

Na skalę przemysłową, tlen można otrzymywać trzema metodami: poprzez destylację frakcyjną skroplonego powietrza (azot zostaje odparowany, tlen pozostaje jako ciecz), poprzez elektrolizę wody (gazowy tlen wydziela się na anodzie) oraz poprzez przepuszczanie strumienia powietrza przez sita molekularne – zeolity, które selektywnie zatrzymują azot przez adsorpcję.

Zastosowanie tlenu

Gazowy tlen znajduje szereg zastosowań: w ratownictwie medycznym i medycynie, w procesie wytapiania stali w hutnictwie (w ten sposób wykorzystywana jest większość produkowanego na świecie tlenu), w przemyśle chemicznym – głównie do otrzymywania tlenku etylenu (z którego otrzymuje się np. glikol etylenowy i różnego rodzaju polimery), w spawalnictwie, jako utleniacz w palnikach acetylenowo-tlenowych, dających wysoką temperaturę potrzebną do spawania.

Związki tlenu

Tlen tworzy szereg związków chemicznych o zróżnicowanej strukturze, najbardziej powszechne z nich – tlenki i nadtlenki są omówione w dalszych tekstach.