Tlen

Tlen jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi - jego zawartość ocenia się na 49,9% masowych. Tlen występuje w powietrzu (atmosfera) w stanie wolnym, w postaci cząsteczek dwuatomowych O₂. Jego zawartość w czystym powietrzu wynosi 20,95% objętościowych (w przybliżeniu przyjmuje się 21%). W stanie związanym (w postaci związków chemicznych) tlen wy­stępuje przede wszystkim w wodzie (hydrosfera), a także w wielu minerałach, np. krzemianach czy węglanach tworzących skorupę ziemską (litosfera).

Tlen jest pierwiastkiem o największym rozpowszechnieniu w dostępnych badaniom  warstwach kuli  ziemskiej.  Litosfera  składa  się w 46,4%  mas. z tlenu związanego głównie w postaci krzemianów i dwutlenku krzemu. Stanowi on także 89% mas. hydrosfery oraz 23,15% mas. atmosfery. Średnia zawartość tlenu wszystkich trzech wymienionych warstwach przekracza 50%. Wolny tlen w rodzie występuje w dwu odmianach alotropowych: zwykłego tlenu o cząsteczka dwuatomowych, O₂, oraz ozonu o cząsteczkach trójatomowych, O₃. Powietrze i woda to substancje niezbędne do życia całego orga­nicznego świata. Od pierwszych chwil swojego życia człowiek nie może się bez nich obejść. Bez jedzenia człowiek może żyć przeszło miesiąc, bez wody kilka dni, bez powietrza zaledwie parę minut. Oddychanie jest to pro­ces, dzięki któremu po prostu utrzymywane jest życie. W uproszczeniu można przyjąć, że w wyniku wielu skomplikowanych procesów glukoza pod wpływem tlenu przechodzi w tlenek węgla (IV) i wodę. Pod­czas oddychania wydziela się energia, dzięki której np. utrzymy­wana jest stała temperatura ciała, praca serca czy mięśni. Tlen jest również niezbędny do przebiegu procesów spalania, któ­re dostarczają człowiekowi energii potrzebnej do przeprowadza­nia wielu przemian chemicznych niezbędnych w gospodarce: do ogrzewania mieszkań, do spalania gazu czy węgla w kuchniach itp. To wszystko procesy, w których jest zużywany tlen, ale jest on też stale regenerowany dzięki procesowi fotosyntezy. Wymienione procesy są przyczyną utrzymującego się w przy­bliżeniu stałego stężenia tlenu w atmosferze.

Tlen w temperaturze pokojowej łączy się tylko z nielicznymi pierwiastkami: białym fosforem i metalami alkalicznymi, w temperaturze podwyższonej łączy się niemal ze wszystkimi pierwiastkami (do wyjątków należą fluor i platyna), a także reaguje z  ogromną  liczbą związków  organicznych  i  nieorganicznych.  Spalanie różnych substancji polega właśnie na łączeniu się ich z tlenem. Spalanie, któremutowarzyszy wydzielanie znacznych ilości ciepła, rozpoczyna się po ogrzaniu reagentów do temperatury zwanej temperaturą zapłonu. Ilości ciepła wydzielające się w toku spalania są tak duże, że wystarczają do utrzymania temperatury lub podwyższenia jej bez  dalszego  ogrzewania. Procesy  utleniania zachodzą w organizmach żywych i stanowiące źródło energii dla procesów biologicznych są w swojej istocie procesami powolnego spalania.

Reakcje zachodzące w żywych organizmach z udziałem tlenu są katalizowane przez hemoproteiny, złożone białka zawierające w swoim składzie żelazo (np. hemoglobina). Wiążą one tlen w sposób odwracalny, aktywują i przekazują go cząsteczce utlenianej. Aktywacja cząsteczki tlenu polega na luźnym związaniu jej z atomem metalu przejściowego.  Układami modelowymi, na przykładzie których badano wiązanie tlenu molekularnego przez jony metali przejściowych, są i kompleksy Fe, Co, Mo, Ru, Os, Ir, Ni, Pd, Rh z tlenem jako ligandem.

Bardzo zwiększoną aktywność chemiczną w porównaniu ze zwykłym tlenem o cząsteczkach dwuatomowych wykazuje ozon. Jest on energicznym środkiem utleniającym. W odróżnieniu od zwykłego tlenu już w temperaturze pokojowe; srebro, które pokrywa się czarnym nalotem tlenku, utlenia rtęć do HgO.

Jako materiał wyjściowy do otrzymywania tlenu na skalę przemysłową służy powietrze i woda. Otrzymywanie tlenu z powietrza polega na skropleniu powietrza na ciecz o temp. ok. 90,15 K i rozdzieleniu obu jej głównych składników: azotu i tlenu, poprzez destylację frakcjonowaną. Tlen uzyskany w ten sposób zawiera zwykle do 3% argonu. Tlen otrzymywany z wody drogą elektrolizy wykazuje dużą czystość. Metoda ta jest jednak kosztowna i znajduje zastosowanie tylko w krajach rozporządzających tanimi źródłami energii elektrycznej. Tlen techniczny rozprowadzany jest w handlu w butlach stalowych pod ciśnieniem 15 MPa. Butle te w Polsce oznacza się barwą błękitną, a napisy wykonuje czarną farbą. Tlen techniczny znajduje częste zastosowanie także w pracach laboratoryjnych.

Małe ilości tlenu do potrzeb laboratoryjnych wytwarza się najczęściej za pomocą termicznego rozkładu nadmanganianu potasu, KMnO₄, lub chloranu potasu, KC1O₃, do którego dodaje się jako katalizator czysty MnO₂. Dogodnym sposobem otrzymywania tlenu w laboratorium jest także reakcja przebiegająca w zakwaszonym roztworze KMnO₄, do którego wkrapla się wodę utlenioną.

HISTORIA ODKRYCIA TLENU

Pierwsze wzmianki o odkryciu nowego gazu (tlenu) znajdują się w pracach Sędziwoja. Za odkrywcę tlenu uważa się jednak angielskie­go chemika Josepha Priestleya (1774 rok).

Pierwsza nazwa tlenu w języku polskim - kwasoród pochodzi od Jędrzeja Sniadeckiego i była tłumaczeniem nazwy łacińskiej. Uczeń J. Śniadeckiego, Michał Oczapowski, zaproponował nazwę tlen po­chodzącą od słowa tlić, ponieważ pierwiastek ten podtrzymuje palenie.

Jędrzej Śniadecki (1768 - 1838)

Urodził się 30 listopada w małym miasteczku Żnin koło Bydgoszcz. Naukę rozpoczął w szkole klasztornej w Trzemesznie, a później kontynuował w Szkole Nowodworskiej w Krakowie. Na zakończenie nauki za osiągnięte wyniki otrzymał od Króla Stanisława Augusta złoty medal. Jeszcze jako uczeń rozpoczął studia w Szkole Głównej Koronnej w Krakowie (obecnie Uniwersytet Jagielloński). Po pięciu latach kontynuował studia w PADWIE otrzymując dyplom doktora filozofii i medycyny. W 1791 roku objął katedrę Chemii na Wydziale Lekarskim Szkoły Głównej Wileńskiej. Śniadecki mimo zakazu rektora wykładał w języku polskim. W tym czasie nie było jeszcze polskiego słownictwa chemicznego, dlatego Śniadecki tworzył je od podstaw. W 1799 roku napisał pierwszy polski podręcznik. Zmarł 11 maja 1838 roku, a w jego pogrzebie wzięło udział kilkanaście tysięcy ludzi. Został pochowany we wsi Horodniki. Studenci, których uczył, niedaleko Wilna usypali mu kopiec, na którym umieścili krzyż. Miejsce to nosi nazwę Jędrzejówki.

Temperatury wrzenia gazów wchodzących w skład powietrza °C
hel	-268,9	tlen	-183,0
neon	-246,0	krypton	-153,4
azot	-195,8	ksenon	-108,1
argon	-185,9	tlenek węgla(IV)	-78,5

Źródłem otrzymywania tlenu na skalę techniczną jest skroplone powietrze. Dzięki temu, że gazy tworzące powietrze różnią się temperaturą wrzenia, możliwe jest ich otrzymywanie w destylacji frakcjonowanej (frakcja — część): najpierw schładza się powietrze i powoduje jego skroplenie, a następnie ponownie podnosi tempe­raturę i oddestylowuje poszczególne gazy. Tą drogą otrzymuje się na całym świecie setki milionów ton tych gazów. Ze względu na niskie wartości temperatury wrze­nia wymienionych gazów, jak i na konieczność stosowania wysokiego ciśnienia, długo uważano, że zarówno tlen i azot, jak i ich mieszanina należą do gazów, których nie da się skroplić. Prace pro­wadzone przez profesorów Uniwersytetu Jagiel­lońskiego (Karola Olszewskiego - chemika i Zyg­munta Wróblewskiego - fizyka) doprowadziły do skroplenia powietrza, tlenu i azotu. Inną metodą otrzymywania bardzo czystego tlenu jest elektroli­za wody. Jest to metoda bardzo kosztowna i dlatego stosuje się ją do otrzymywania tlenu do celów specjalnych, np. medycznych.

Karol Olszewski (1846 - 1915)

Urodził się 29 stycznia w Broniszowie koło Tarnowa. Po śmierci ojca matka wraz z dziećmi przeniosła się do Nowego Sącza. Tam Olszewski uczęszczał do szkoły podstawowej, później do gimnazjum. W 1863 roku przerwał naukę po to, by dołączyć do oddziałów powstańczych. Po trzech latach powrócił do gimnazjum w Tarnowie i tam uzyskał świadectwo dojrzałości. Następnie rozpoczął studia chemiczne na Wydziale Filozoficznym Uniwersytetu Jagiellońskiego. Dzięki zdolnościom i pilności jeszcze jako student został demonstratorem w Zakładzie Chemicznym UJ. Po ukończeniu studiów otrzymał stypendium rządowe i wyjechał do Heidelbergu. Po powrocie do Krakowa uzyskał tytuł doktora filozofii i magistra nauk wyzwolonych. W 1876 roku został mianowany profesorem nadzwyczajnym. Siedem lat później nawiązał współpracę z Zygmuntem Wróblewskim. W bardzo krótkim czasie wspólna praca przyniosła wiele korzyści: skroplili tlen, azot, a ponadto zestalili alkohol. Po tych osiągnięciach uruchomili pracownię kriogeniczną w Zakładzie Chemii. Olszewski skroplił również wodór w stanie dynamicz­nym, skroplił i zestalił argon oraz wyznaczył jego najważniejsze parametry w stanie ciekłym i stałym. Zmarł 25 marca 1915 roku, a dwa dni później odbył się uroczysty pogrzeb na Cmentarzu Rakowickim w Krakowie.

Zygmunt Wróblewski (1845 - 1888)

Urodził się 28 października w Grodnie. W roku 1862 rozpoczął studia na

 Uniwersytecie w Kijowie. Porzucił je po kilku miesiącach, aby wziąć udział w powstaniu styczniowym. W 1863 roku został aresztowany i zesłany do Tomska, a następnie do Cywilska w guberni kazańskiej, gdzie przebywał do 1869 roku. Dzięki amnestii odzyskał wolność. Ze względu na grożącą mu ślepotę udał się do Berlina, gdzie poddał się operacji oczu. Tam też podjął studia na wydziale fizyki. W roku 1872 został asystentem wolontariuszem u profesora G. Jolly'ego w Monachium, gdzie rozpoczął prace doświadczalne nad właściwościami gazów. W 1880 roku Akademia Umiejętności w Krakowie przyznała Wróblewskiemu stypendium imienia Śniadeckich, które umożliwiło mu pobyt w brytyjskich ośrodkach naukowych. W 1882 roku powierzono Wróblewskiemu Katedrę Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Wróblewski z Paryża przywiózł aparat do skraplania gazów. Problemem tym też interesował się K. Olszewski. Współpraca obu uczonych doprowadziła do skroplenia składników powietrza uważanych za tzw. gazy trwałe, czyli takie, których nie można skroplić.

Wróblewski zmarł w 1888 roku na skutek nieszczęśliwego wypadku - pożaru spowodowanego wywróceniem się lampy naftowej.

W laboratoriach tlen otrzymuje się w wyniku termicznego rozkładu różnych związków, np.

• Tlenku rtęci (II)

2 HgO → 2 Hg + O₂

• Nadtlenku baru

2 BaO₂ → 2 BaO + O₂

• Manganianu (VII) potasu

2 KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

• Chloranu (V) potasu

2 KClO₃ → 2 KCl + 3 O₂

Prostą metodą otrzymywania tlenu jest rozkład nadtlenku wo­doru (wody utlenionej) w obecności MnO₂, który odgrywa rolę katalizatora. Po wrzuceniu niewielkiej ilości MnO₂ do H₂O₂ następuje jego gwałtowny rozkład. Zachodzi reakcja:

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

Wydziela się gaz, który powoduje jasne zapalenie się tlącego (roz­żarzonego) łuczywka. Podobne zjawisko gwałtownego spalania obserwuje się po wpro­wadzeniu do tlenu ogrzanych pierwiastków, np. magnezu, siarki czy żelaza. Powstają wtedy odpowiednie tlenki.

Tlen należy do bardzo aktywnych pierwiastków. Łączy się bez­pośrednio prawie ze wszystkimi pierwiastkami, tworząc tlenki. Reakcje te najczęściej trzeba zainicjować przez podgrzanie. Tlen to gaz bezbarwny, bez smaku, bardzo słabo roz­puszczalny w wodzie (zbie­ramy go nad wodą), pod­trzymujący palenie. Jak wiadomo, tlen jest niezbędny w procesie oddychania, a także w większości procesów spalania prowadzących do wytworzenia ener­gii. Oprócz tego stosuje się go w palnikach do cięcia i spawania meta­li, jest utleniaczem w wielu syntezach przemysłowych, stosuje się go do uszlachetniania stali oraz jako utleniacz paliw rakietowych. Tlen jest głównym składnikiem mieszanek gazów zabieranych w butlach przez nurków penetrujących zbiorniki wodne, alpini­stów zdobywających wysokie szczyty czy kosmonautów, jest także podawany chorym w celu ułatwienia oddychania. Dopuszczalna dla człowieka bezpieczna zawartość tlenu w powietrzu waha się między 16% a 50%.

Podczas przepuszczania przez powietrze iskrowych wyładowań elektrycznych można wyczuć charakterystyczny zapach, podobny do tego, jaki występuje w powietrzu po burzy. Zjawisko to zaob­serwował Martin van Marum w 1785 roku. Ten sam zapach wy­dziela się podczas pracy lampy kwarcowej. Początkowo uważano, że zapach ten pochodzi od nieznanych tlenków wodoru. Znacznie później stwierdzono, że w skład tej substancji wchodzi wyłącznie tlen, jest więc ona odmienną postacią pierwiastka tlenu występującego w stanie wolnym. Z powodu intensywnego zapachu substancja ta w 1840 roku została nazwana ozonem (z greckiego ozon znaczy pachnący, woniejący). O intensywności zapachu ozonu świadczy fakt, że daje się go wyczuć nawet wówczas, gdy powietrze zawiera l część ozonu na 300 000 części powietrza. Ozon O₃ różni się od tlenu składem i budową cząsteczki.

Zjawisko występowania tego samego pierwiastka chemiczne­go w kilku odmianach różniących się liczbą atomów w cząste­czce lub postacią krystalograficzną nazywamy alotropią (z greckiego allos znaczy inny, tropos - zwrot, obrót). Tlen jest jedynym pierwiastkiem w stanie gazowym, który wystę­puje w dwóch odmianach alotropowych.

Ozon powstaje w atmosferze na skutek wyładowań elektrycznych w czasie burz oraz pod wpływem promieniowania nadfioletowego. W dolnych warstwach atmosfery stężenie ozonu jest bardzo małe, wzrasta ono jednak  bardzo silnie na wysokościach pomiędzy 10 km a 45 km, gdzie natężenie promieniowania nadfioletowego pochodzącego ze słońca jest duże. Niezależnie od tego, że ozon powstaje w czasie naświetlania tymi promieniami, jest on także zdolny do pochłaniania promieniowania nadfioletowego o długości fali 200-400 nm, co powoduje z kolei rozpad jego cząsteczek. Pochłanianie przez cząsteczki O₃ części promieniowania nadfioletem go chroni życie organiczne na Ziemi od szkodliwych skutków nadmiaru tego rodzaju światła.

Ozon powstaje pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV), dwuatomowa cząsteczka tlenu rozpada się na dwa atomy tlenu. Atom tlenu, reagując z kolejną dwuatomowa cząsteczką tlenu, tworzy ozon:

O₂ → 2O

O + O → O₂

O₂ + O→ O₃

Powstający tlen atomowy jest bardzo aktywny i natychmiast łączy się z innym atomem tlenu, tworząc O₂, lub z cząsteczką tlenu, tworząc O₃. O tlenie atomowym mówi się często jako o tlenie in statu nascendi, czyli w stanie rodzenia się. Ze względu na dużą aktywność, a tym samym nietrwałość pojedyn­czych atomów tlenu, ta jego odmiana nie jest uznawana za odmianę alotropową. Ozon jest substancją nietrwałą i rozkłada się, wydzielając tlen:

2 O₃ → 3 O₂

To powoduje, że jest on bardzo silnym utleniaczem i ma właściwo­ści bakteriobójcze. Dlatego jest stosowany do odkażania powie­trza, a przede wszystkim wody. W nowoczesnych stacjach uzdal­niania wody stosuje się ozon - metoda ma tę zaletę, że nie wpro­wadza się do wody żadnej szkodliwej substancji.

Ozon — jak już wspomniano - tworzy się pod wpływem wyładowań elektry­cznych w atmosferze powietrza lub czystego tlenu, a także pod wpływem naświet­lania promieniami nadfioletowymi. Charakterystyczny zapach ozonu, przypominający nieco woń czosnku, można wyczuć w powietrzu po burzy. Drobne ilości ozonu powstają w sąsiedztwie pracującej lampy kwarcowej emitującej promieniowanie nadfioletowe, a także w trakcie powolnego utleniania białego fosforu. Ozon, dziki swym własnościom bakteriobójczym używany jest do odkażania wody do picia. Do tego celu otrzymuje się go najczęściej pod wpływem cichych wyładowań elektrycznych w aparatach zwanych ozonizatorami ( do 15% ozonu w tlenie).

Największe ilości ozonu znajdują się w górnych warstwach atmo­sfery na wysokości 25-50 km od powierzchni Ziemi. Warstwę tę nazywamy ozonosferą. Jest to bardzo cienka warstwa, odgrywająca bardzo ważną rolę filtra chroniącego Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym. Nadmiar promieniowania UV jest bowiem bardzo szkodliwy dla organizmów. Szczególnie niekorzystny wpływ wywiera na skórę, oczy i układ immunologiczny, często jest też przyczyną powstawania nowotworów zwłaszcza skóry.

W latach 80. XX wieku zauważono po raz pierwszy, że nad Antarktydą we wrześniu stężenie ozonu w ozonosferze spada nawet o 50%. Spadek stężenia ozonu powodujący zmniejszenie warstwy ozonowej został nazwany dziurą ozonową. Do powstawania dziury ozonowej przyczyniają się, oprócz odrzutowych samolotów, związki chemiczne tzw. freony i halony (pochodne węglowodorów), które używane są jako substancje chłodzące w lodówkach i urządzeniach klimatyzujących, jako nośniki w pojemnikach aerozolowych, w gaśnicach itp. Związki te są trwałe, ale po przedostaniu się do stratosfery pod wpływem promieniowania słonecznego rozkładają się z wydzieleniem fluorowców, a te z kolei powodują rozkład ozonu. Zjawisko dziury ozonowej jest bardzo niebezpieczne dla życia na  Ziemi, podjęto działania prawne kontrolujące szkodliwą dla ozonosfery działalność człowieka. W 1987 roku został podpisany Protokół Montrealski, w którym zobowiązano wszystkie kraje do stopniowego zmniejszania, a w przyszłości do zaniechania produkcji i stosowania substancji niszczących warstwę ozonową.

Tlenowce wykazują aktywność chemiczną znacznie mniejszą od bardzo aktywnych fluorowców, ale są bardziej aktywne od pierwiastków grupy VB układu okresowego, tj. od azotowców. Aktywność chemiczna tlenowców  maleje w szeregu  od  tlenu do telluru i polonu. Tlen zajmuje pod tym względem szczególną pozycję. Jest pierwiastkiem silnie elektroujemnym, a ponadto w normalnych warunkach jest gazem, ogromnie mnie ułatwia kontakt z substancjami, z którymi wstępuje on w reakcje.

Tlen w skali przemysłowej znajduje coraz szersze zastosowanie w hutnictwie w procesach świeżenia stali w piecach martenowskich. Duże jego ilości są zużywane do spawania metali w płomieniu acetylenowo-tlenowym. W górnictwie węgiel aktywny nasycony ciekłym tlenem stosowany jest jako bezpieczny środek wybu­chowy. Tlen wreszcie używany jest w medycynie dla ułatwienia procesów oddycha­nia.

Zastosowania tlenu:

• do otrzymywania wy­sokich temperatur w palnikach wodorotlenowych i acetylenowych (spawanie i cięcie metali)
• w procesie świeżenia stali
• w lecz­nictwie do podtrzymywania procesu oddychania
• tlen jest waż­nym surowcem chemicznym w wielu procesach utleniania, na ogół pobierany jest wprost z powietrza
• liczne zastosowania mają też związki tlenu (woda, nadtlenek wodoru, tlenki, nadtlenki).