MOLECULAIRE ZUURSTOF: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK - CHEMIE - 2026

De moleculaire zuurstof of dizuurstof , ook wel diatomische zuurstof of gas genoemd, is de meest gebruikelijke elementaire manier van dit element op aarde. De formule is O ₂ , dus een diatomisch en homonucleair molecuul, totaal apolair.

De lucht die we inademen bestaat voor ongeveer 21% uit zuurstof als O ₂ -moleculen . Naarmate we opstijgen, nemen de concentraties zuurstofgas af en neemt de aanwezigheid van ozon, O _{3, toe} . Ons lichaam maakt gebruik van O ₂ om zijn weefsels van zuurstof te voorzien en cellulaire ademhaling uit te voeren.

Zonder zuurstof die onze atmosfeer zou verrijken, zou het leven een onhoudbaar fenomeen zijn. Bron: Pixabay.

De O ₂ is ook verantwoordelijk voor het bestaan ​​van vuur: zonder dit zou er bijna onmogelijk vuur en verbranding zijn. Dit komt omdat de belangrijkste eigenschap is dat het een krachtig oxidatiemiddel is, elektronen verkrijgt of zichzelf reduceert in een watermolecuul, of in oxide-anionen, O ^2- .

Moleculaire zuurstof is essentieel voor talloze aërobe processen, met toepassingen in de metallurgie, geneeskunde en afvalwaterzuivering. Dit gas is praktisch synoniem voor warmte, ademhaling, oxidatie en, aan de andere kant, vriestemperaturen in vloeibare toestand.

Structuur van moleculaire zuurstof

Moleculaire structuur van gasvormige zuurstof. Bron: Benjah-bmm27 via Wikipedia.

In de bovenste afbeelding hebben we de moleculaire structuur van gasvormige zuurstof weergegeven met verschillende modellen. De laatste twee tonen de kenmerken van de covalente binding die de zuurstofatomen bij elkaar houdt: een dubbele binding O = O, waarin elk zuurstofatoom zijn valentie-octet voltooit.

Het O ₂ -molecuul is lineair, homonucleair en symmetrisch. Zijn dubbele band heeft een lengte van 121 pm. Deze korte afstand betekent dat er een aanzienlijke hoeveelheid energie (498 kJ / mol) nodig is om de O = O-binding te verbreken, en daarom is het een relatief stabiel molecuul.

Zo niet, dan zou de zuurstof in de atmosfeer in de loop van de tijd volledig zijn afgebroken, of zou de lucht uit het niets vlam vatten.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

Moleculaire zuurstof is een kleurloos, smaakloos en reukloos gas, maar wanneer het condenseert en kristalliseert, krijgt het blauwachtige tinten.

Molaire massa

32 g / mol (afgeronde waarde)

Smeltpunt

-218 ºC

Kookpunt

-183

Oplosbaarheid

Moleculaire zuurstof is slecht oplosbaar in water, maar voldoende om de mariene fauna te ondersteunen. Als uw oplosbaarheid hoger was, zou u minder snel sterven door verdrinking. Aan de andere kant is de oplosbaarheid veel hoger in niet-polaire oliën en vloeistoffen, waardoor ze langzaam kunnen oxideren en zo hun oorspronkelijke eigenschappen kunnen aantasten.

Energiestaten

Moleculaire zuurstof is een stof die niet volledig kan worden beschreven door de valentiebindingstheorie (VTE).

De elektronische configuratie van zuurstof is als volgt:

2s² 2p⁴

Het heeft één paar ongepaarde elektronen (O :). Wanneer twee zuurstofatomen elkaar ontmoeten, binden ze zich om een ​​dubbele O = O-binding te vormen, die beide het valentie-octet voltooien.

Daarom moet het O ₂ -molecuul diamagnetisch zijn, met al zijn elektronen gepaard. Het is echter een paramagnetisch molecuul, en dit wordt verklaard door het diagram van zijn moleculaire orbitalen:

Moleculair orbitaal diagram voor zuurstofgas. Bron: Anthony.Sebastian / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

De moleculaire orbitaaltheorie (TOM) beschrijft dus het beste O ₂ . De twee ongepaarde elektronen bevinden zich in de π ^* moleculaire orbitalen met hogere energie en geven zuurstof zijn paramagnetische karakter.

In feite is dit energetische toestand overeenkomt met zuurstof triplet, ³ O ₂ , de meest overheersende van. De andere energietoestand van zuurstof, die op aarde minder voorkomt, is singlet, ¹ O ₂ .

Transformaties

Moleculaire zuurstof is aanzienlijk stabiel zolang het niet in contact komt met een stof die vatbaar is voor oxidatie, laat staan ​​als er geen nabije bron van intense hitte is, zoals een vonk. Dit komt omdat O ₂ een sterke neiging heeft zichzelf te reduceren, elektronen van andere atomen of moleculen te winnen.

Als het wordt verkleind, kan het een breed spectrum aan schakels en vormen tot stand brengen. Als het covalente bindingen vormt, zal het dat doen met atomen die minder elektronegatief zijn dan zichzelf, inclusief waterstof, om water te doen ontstaan, HOH. Het kan ook koolstof universum maken, CO-bindingen en verschillende soorten geoxygeneerde organische moleculen (ethers, ketonen, aldehyden, enz.)

O ₂ kan ook elektronen winnen om te transformeren in peroxide- en superoxide-anionen, respectievelijk O ₂ ^2- en O ₂ ^- . Wanneer het in het lichaam wordt omgezet in peroxide, wordt waterstofperoxide, H ₂ O ₂ , HOOH verkregen, een schadelijke verbinding die wordt verwerkt door de werking van specifieke enzymen (peroxidasen en katalasen).

Aan de andere kant, en niet minder belangrijk, reageert O ₂ met anorganische materie om het oxide-anion te worden, O ² , en vormt het een eindeloze lijst van mineralogische massa's die de aardkorst en mantel verdikken.

Toepassingen

Lassen en verbranding

Zuurstof wordt gebruikt om acetyleen te verbranden en een extreem hete vlam af te geven die waardevol is bij het lassen. Bron: Sheila / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

Zuurstof wordt gebruikt om de verbrandingsreactie uit te voeren, waarbij een stof exotherm wordt geoxideerd en brand afgeeft. Dit vuur en zijn temperatuur variëren afhankelijk van de stof die brandt. Zo kunnen zeer hete vlammen, zoals acetyleen (hierboven), worden verkregen waarmee metalen en legeringen worden gelast.

Als er geen zuurstof was, zouden brandstoffen niet kunnen branden en al hun calorie-energie leveren, die wordt gebruikt om raketten te lanceren of om auto's te starten.

Oxidatiemiddel in groene chemie

Dankzij dit gas worden talloze organische en anorganische oxiden gesynthetiseerd of industrieel geproduceerd. Deze reacties zijn gebaseerd op het oxiderende vermogen van moleculaire zuurstof, dat ook een van de meest levensvatbare reagentia in de groene chemie is voor het verkrijgen van farmaceutische producten.

Ondersteunde ademhaling en afvalwaterbehandeling

Zuurstof is van vitaal belang om de ademhalingsbehoefte te dekken bij patiënten met ernstige gezondheidsproblemen, bij duikers bij het afdalen naar ondiepe diepten en bij bergbeklimmers, op wier hoogten de zuurstofconcentratie dramatisch wordt verminderd.

Zuurstof "voedt" ook aërobe bacteriën, die helpen bij het afbreken van vervuilende residuen uit rioolwater, of de vis helpen ademen, in waterige culturen voor bescherming of handel.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde . (vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Allotropen zuurstof. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Hone, CA, Kappe, CO (2019). Het gebruik van moleculaire zuurstof voor aërobe oxidaties in de vloeistoffase in continue stroom. Top Curr Chem (Z) 377, 2. doi.org/10.1007/s41061-018-0226-z
4. Kevin Beck. (28 januari 2020). 10 toepassingen voor zuurstof. Hersteld van: sciencing.com
5. Cliffsnotes. (2020). Biochemie I: The Chemistry of Molecular Oxygen. Hersteld van: cliffsnotes.com
6. GZ Industrial Supplies. (2020). Industriële voordelen van zuurstofgas. Hersteld van: gz-supplies.com