Tlen (Oxygenium)- symbol O; gęstość 1,43 g/dm3 (w warunkach normalnych 0°C, 1 atm); cięższy od powietrza; liczba atomowa 8; masa atomowa 16; 2 okres i VI A grupa układu okresowego; należy do grupy tlenowców. Jest gazem pozbawionym smaku, barwy oraz zapachu. W skład jego atomu wchodzi: 8 elektronów, 8 protonów oraz 8 neutronów. Temperatura topnienia wynosi -218,4°C, zaś temperatura wrzenia ma wartość -182,96°C. Ulega skropleniu w zwiększonym ciśnieniu na ciecz o zabarwieniu jasnoniebieskim i gęstości niższej niż w przypadku zwykłego tlenu (1,14g/dm3). W normalnych warunkach występuje pod postacią O2 (dwuatomowe cząsteczki). Wykazuje paramagnetyzm, dlatego nie ma problemu z wyciągnięciem ciekłego tlenu z pojemnika magnesem. Posiada następującą konfigurację elektronową: 1s2 2s2 2p4. W pokojowej temperaturze jest mało reaktywny chemicznie. Wraz ze wzrostem temperatury reaktywność jest większa. Energiczne i gwałtowne reakcja z tlenem to spalanie. Jeżeli zaś reakcja zachodzi spokojnie to mamy do czynienia z utlenianiem. Może reagować w podwyższonej temperaturze z większością pierwiastków, związkami organicznymi oraz nieorganicznymi. Tlen jest składnikiem białek, tłuszczów oraz węglowodanów. Najbardziej znanym związkiem, jaki tworzy jest woda.
Tlen to pierwiastek najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie. Jest obecny w wolnym stanie w atmosferze oraz w stanie związanym w wodzie. Jest składnikiem niemalże wszystkich minerałów oraz roślin i organizmów zwierzęcych.
Tlen to pierwiastek najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie. Jest obecny w wolnym stanie w atmosferze (20,95% objętościowych), w skorupie ziemskiej (45% masowych) oraz w hydrosferze (89% wagowych). Jest składnikiem niemalże wszystkich minerałów skałotwórczych (glinokrzemiany, krzemiany, tlenki oraz węglany). W środowisku naturalnym mamy do czynienia z zamkniętym obiegiem tlenu. Polega on na tym, że zwierzęta tlen pobierają z atmosfery, a następnie wydzielają CO2, który jest wykorzystywany przez rośliny do wydzielania tlenu. Tlen warunkuje życie na ziemi. Tlen rozpuszcza się w wodzie. Przez zwierzęta i roślinny wodne tlen jest pobierany z wody. Najważniejszym związkiem tlenu jest woda.
Tlen wchodzi w skład skorupy ziemskiej. W ogóle podstawowe składniki skorupy ziemskiej to tlenki. (tlenek krzemu SiO2 stanowi 50%, 30% tlenek magnezu MgO, reszta to FeO.
Inne ważne tlenki to: CaO, Al2O3 oraz Fe2O3.
Tlen pełni bardzo ważne funkcje w organizmie człowieka. Uczestniczy w przemianie materii. Jest pobierany przez płuca, a następnie zostaje związany przez hemoglobinę w krwinkach czerwonych. Później jest przetransportowany z naczyń włosowatych do tkanek.
Najważniejsze właściwości tlenu podano w punktach:
1. Tlen jest bezbarwny.
2. Tlen jest bez zapachu oraz smaku.
3. Tlen wykazuje słabą rozpuszczalność w wodzie.
4. Tlen jest gazem niepalnym, ale podtrzymującym palenie.
5. Tlen w temperaturze -190°C oraz w zwiększonym ciśnieniu ulega skropleniu.
Obok cząsteczki O2 występują inne alotropowe odmiany (czteroatomowy tlen-O4, jednoatomowy tlen- O, ozon O3).
- metoda destylacji frakcjonowanej ciekłego powietrza (wykorzystywana na szeroką skalę);
- rozkład utleniaczy (KClO3→KCl+3O2);
- elektroliza wody (2H2O→2H2+O2);
- rozkład tlenku magnezu w wyniku ogrzewania (2MgO (temp)→ 2Mg+O2).
Aktualnie tlen otrzymujemy w trakcie destylacji frakcjonowanej ciekłego powietrza, ewentualnie w procesie elektrolizy wody.
Tlen gazowy transportowany jest w butlach stalowych i pod ciśnieniem 15 MPa. Tego rodzaju butle są oznaczane w Polsce błękitną barwa. Ciekły tlen transportowany jest w cysternach, ewentualnie metalowych naczyniach Dewara.
Tlen występuje generalnie na –II stopniu utlenienia. Wchodzi w reakcje prawie z wszystkimi metalami, z łatwością utlenia związki organiczne oraz fosfor. W wysokiej temperaturze reaguje z wodorem oraz siarką. Są konieczne do spełnienia określone warunki, aby mógł reagować z fluorem oraz azotem. Może ulec absorpcji przez węgiel drzewny, platynową czerń, metale szlachetne.
W temperaturze 20°C pierwiastek ten nie wykazuje reaktywności chemicznej. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta jego reaktywność, nie reaguje tylko z fluorowcami oraz helowcami. W reakcji z innymi pierwiastkami tworzy tlenki. Z fluorem reaguje w szczególnych warunkach. Nie jest palny, ale jest niezbędny w reakcji spalania. Tlen jest obecny m.in. w zasadach, kwasach, tlenkach, solach, nadtlenkach.
W postaci jonowej tlen występuje jako jon O- i jako jon tlenowy O2-, ale także jako OH-- jonu wodorotlenowy.
Zastosowanie tlenu
- hutnictwo (świeżenie metali);
- uzyskiwanie znacznych temperatur w palnikach acetylenowych oraz wodorotlenowych do cięcia oraz spawania metali);
- uzyskiwanie HNO3 i H2SO4;
- spalanie paliw (źródło energii cieplnej wykorzystywanej do ogrzewania mieszkań, poza tym transport, gospodarstwa domowe);
- lecznictwo (podtrzymywanie cyklu oddychania);
- górnictwo, gdzie wraz z węglem aktywnym stosowany jest jako środek wybuchowy.
- lotnictwo oraz w marynarka.
Tlen jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Człowiek nie mógłby funkcjonować bez dostępu do tlenu. Układ krążenia dostarcza tlen do ogromnej ilości komórek człowieka (70 bilionów). Transport tlenu musi odbywać nieustannie, gdyż przerwa kilkuminutowa powoduje ich obumieranie, co za sobą niesie śmierć organizmu ludzkiego. W medycynie jest wykorzystywany w czasie operacji oraz do leczenia niekorzystnych skutków chorób. Niedobór tlenu powoduje zmiany w organizmie (zmiany sercowe oraz innych organów). W takich przypadkach są przepisywane leki, których zadaniem jest dostosowanie organizmu do zmniejszonej ilości tlenu. Tlen wraz z azotem jest podstawowym składnikiem atmosfery. W takim samym stężeniu, w jakim występuje w powietrzu tlen poprzez drogi oddechowe dostaje się do organizmu człowieka.
Odmiany alotropowe tlenu
Tlen atomowy (O) wykazuję niesamowitą aktywność chemiczną z m.in. reduktorami takimi jak: siarkowodór, dwusiarczek węgla, chlorowodór, wodór węglowodory. Powstaje z O2 w warunkach obfitych w energię. Występuje w górnych częściach atmosfery. Otrzymywany jest poprzez poddawanie cząsteczkowego tlenu wyładowaniom elektrycznym. Panujące ciśnienie ma wartość 1 mm Hg, ewentualnie poprzez poddawanie wyładowaniom iskrowym pomiędzy aluminiowymi elektrodami. Ma miejsce proces endotermiczny. Uzyskujemy produkt o 80% zawartości tlenu atomowego. Atomy tlenu atomowego w łatwy sposób się rekombinują i powracają do stanu cząsteczkowego. Uwalniana jest przy tym dysza ilość ciepła.
Tlen czteroatomowy (O4) jest nietrwałą odmiana i występuje w gazowym tlenie. Musi być zachowana temperatura ciekłego powietrza. Tlen czteroatomowy (O4) składa się z 2 cząsteczek O2, które są powiązane ze sobą słabszymi siłami niż występujące we wiązaniu atomowym, ale mocniejsze niż siły Van der Waalsa.
Ozon (O3) jest odmiana alotropową tlenu. To składnik powietrza (około 0,000001%). Jest nietrwałym, toksycznym, o charakterystycznym zapachu, niebieskim gazem. Wykazuje znacznie wyższe temperatury wrzenia i topnienia oraz większa rozpuszczalność w wodzie niż tlen. To bardzo silny utleniacz, może reagować z rtęcią oraz srebrem tworząc tlenki. W temperaturze 22°C ulega rozkładowi. Kąt pomiędzy wiązaniami w O3 ma wartość 116,8°, moment dipolowy wynosi 0,46 D. Ozon jest zdolny do utleniania związków żelaza w wodnych roztworach, ale także dwudodatniego mangan, jodków, azotynów, pestycydów i wiele innych związków organicznych.
Ozon otrzymujemy w wyniku wyładowań elektrycznych w atmosferze lub w ozonizatorach. O3 ma szerokie zastosowanie. Jako utleniacz występuje w statkach kosmicznych. Jest używany w dezynfekcji ścieków oraz wody, z promieniowaniem ultrafioletowym i pewna ilością wody utlenionej. Jest używany także w procesie bielenia wosków, olejów, skrobi.
Ozon to silny utleniacz, który jest w stanie zmusić cząsteczkę tlenu, aby przyłączyła się do stabilnych jonów. Ozon jest zdolny do utleniania związków żelaza w wodnych roztworach, powoduje przejście siarczków w siarczany oraz ditlenki w trójtlenki itp. Ze względu na tę właściwość ozon jest używany jako środek odkażający i bielący.
Ozon to składnik powietrza, jest obecny w górnych częściach atmosfery. Chroni wszystkie organizmy żywe przed szkodliwym działaniem promieniowania UV.
W małych ilościach powstaje w reakcjach chemicznych. W skali laboratoryjnej otrzymywany jest w ozonizatorach, w wyniku poddawania powietrza wyładowaniom elektrycznym.
Ozon jako bardzo dobrym utleniaczem. Ustępuje tylko fluorowi, tlenowi atomowemu oraz rodnikowi wodorotlenowemu. Jest w stanie przeprowadzić w tlenie następujące metale: rtęć, srebro. Jest w stanie wydzielić z jodków jod, odbarwia barwne substancje pochodzenia organicznego, utlenia do azotynów amoniak, sole jednowartościowego srebra do soli dwu- lub trój- wartościowych, nienasycone węglowodory do. Ozon technologiczny ma zastosowanie w: bielenia olejów, skrobi, wosków, mąki, odkażania pitnej wody, utleniacz w paliwach rakietowych.
