Tlen — właściwości, rola biologiczna i zastosowania

Wczesne eksperymenty

Jeden z pierwszych znanych eksperymentów na temat zapotrzebowania na powietrze do spalania został przeprowadzony przez greckiego Filona z Bizancjum w II wieku przed naszą erą. Napisał on w swojej pracy Pneumatica, że obrócenie naczynia do góry nogami nad płonącą świecą i umieszczenie wody wokół tego naczynia oznaczało, że część wody dostała się do niego. Filozof myślał, że dzieje się tak dlatego, że powietrze zamienia się w klasyczny element ognia. To było złe. Dawno później Leonardo da Vinci słusznie stwierdził, że powietrze zostało zużyte podczas spalania, co spowodowało, że woda dostała się do wnętrza naczynia.

Pod koniec XVII wieku Robert Boyle stwierdził, że do spalania potrzebne jest powietrze. Angielski chemik John Mayow dodał do tego, pokazując, że ogień potrzebuje tylko części powietrza. Teraz nazywamy to tlenem (w postaci dioksygenu). W jednym ze swoich eksperymentów odkrył, że umieszczenie świecy w zamkniętym pojemniku spowodowało, że woda podniosła się, aby zastąpić jedną czternastą objętości powietrza w pojemniku, zanim zgasło. To samo stało się, gdy do pudełka wsadzono mysz. Odkrył, że tlen jest używany do oddychania i spalania.

Teoria Phlogiston

Robert Hooke, Ole Borch, Michaił Łomonosow i Pierre Bayen wytwarzali tlen w eksperymentach w XVII i XVIII wieku. Żaden z nich nie uważał, że jest to pierwiastek chemiczny. Było to prawdopodobnie spowodowane ideą teorii flogistonowej. Większość ludzi uważała, że to właśnie to powodowało spalanie i korozję.

J. J. Becher wymyślił to w roku 1667, a Georg Ernst Stahl dodał do tego w 1731. Teoria phlogiston'a mówiła, że wszystkie materiały palne były wykonane z dwóch części. Jedna część, nazywana phlogiston, była wydawana po spaleniu zawierającej ją substancji.

Uważa się, że bardzo łatwopalne materiały, które pozostawiają tylko niewielką ilość pozostałości, takie jak drewno czy węgiel, są wykonane z flogistonu. Rzeczy, które korodują, takie jak żelazo, miały zawierać tylko niewielką ilość. Powietrze nie było częścią tej teorii.

Odkrycie

Polski alchemik, filozof i lekarz Michael Sendivogius mówił o substancji w powietrzu, nazywając ją "pokarmem życia", a tą substancją jest tlen. Sendivogius stwierdził w latach 1598-1604, że substancja ta jest taka sama jak ta, która powstaje podczas termicznego rozkładu azotanu potasu. Niektórzy uważają, że to było odkrycie tlenu, podczas gdy inni się nie zgadzają.

Często mówi się również, że tlen został po raz pierwszy odkryty przez szwedzkiego farmaceutę Carla Wilhelma Scheele. Zrobił tlenu przez ogrzewanie tlenek rtęciowy i niektóre azotany w 1771 roku. Scheele dzwonił do gazu, który zrobił "ogień powietrza", ponieważ był to jedyny gaz znany, aby umożliwić spalanie. Swoje odkrycie opublikował w 1777 roku.

W dniu 1 sierpnia 1774 r. eksperyment przeprowadzony przez brytyjskiego duchownego Josepha Priestleya skupił światło słoneczne na tlenku rtęci w szklanej tubie. W ten sposób powstał gaz, który nazwał "dephlogisticated air". Odkrył on również, że świece paliły się jaśniej w tym gazie, a myszy żyły dłużej, oddychając nim. Kiedy oddychał gazem, powiedział (uproszczone) "Czułem się jak normalne powietrze, ale moje płuca były lżejsze i łatwe po tym". Jego ustalenia zostały opublikowane w 1775 roku. Ponieważ jego ustalenia zostały opublikowane jako pierwsze, zwykle mówi się, że jest on odkrywcą tlenu.

Francuski chemik Antoine Lavoisier powiedział później, że odkrył również tę substancję. Odwiedził go ksiądz w 1774 roku i opowiedział mu o swoim eksperymencie. Scheele wysłał również list do Lavoisiera w tym samym roku, w którym mówił o swoim odkryciu.

Wkład Lavoisier'a

Lavoisier przeprowadził pierwsze główne eksperymenty dotyczące utleniania i dał pierwsze właściwe wyjaśnienie, jak działa spalanie. Użył tych i innych eksperymentów, aby udowodnić, że teoria phlogiston jest błędna. Próbował również udowodnić, że substancja odkryta przez Priestleya i Scheele'a była pierwiastkiem chemicznym.

W jednym z eksperymentów Lavoisier stwierdził, że nie nastąpił wzrost masy, gdy cyna i powietrze były podgrzewane w zamkniętym pojemniku. Odkrył również, że powietrze wtargnęło do środka, gdy pojemnik został otwarty. Następnie stwierdził, że masa cyny zwiększyła się o tyle samo, o ile zwiększyło się w niej powietrze. Swoje ustalenia opublikował w 1777 roku. Napisał, że powietrze składa się z dwóch gazów. Jeden z nich nazywał "witalnym powietrzem" (tlen), które jest potrzebne do spalania i oddychania. Drugi nazwał "azote" (azot), co w języku greckim oznacza "bez życia". Jest to ciągle nazwa azotu w niektórych językach, w tym w języku francuskim.

Lavoisier zmienił nazwę "vital air" na "oxygène", co w języku greckim oznacza "producent z kwasów". Nazwał go tak, ponieważ uważał, że tlen jest we wszystkich kwasach, co było błędem. Wielu chemików zdało sobie sprawę, że Lavoiser pomylił się w swoim nazewnictwie, ale nazwa ta była zbyt powszechna, aby ją zmienić.

"Tlen" stał się nazwą w języku angielskim, mimo że angielscy naukowcy byli temu przeciwni.

Późniejsza historia

Teoria atomów Johna Daltona mówi, że wszystkie pierwiastki mają jeden atom, a atomy w związkach są zazwyczaj pojedyncze. Na przykład, błędnie pomyślał, że woda (H2O) ma formułę tylko HO. W 1805 roku Joseph Louis Gay-Lussac i Alexander von Humboldt pokazali, że woda składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. W 1811 roku Amedeo Avogadro poprawnie opracował, z czego powstała woda w oparciu o prawo Avogadro.

Pod koniec XIX wieku naukowcy odkryli, że powietrze może zostać przekształcone w ciecz, a zawarte w nim związki mogą być izolowane przez sprężanie i chłodzenie. Szwajcarski chemik i fizyk Raoul Pictet odkrył ciekły tlen poprzez odparowanie dwutlenku siarki w celu przekształcenia dwutlenku węgla w ciecz. Został on następnie odparowany w celu schłodzenia gazu tlenowego, aby zamienić go w ciecz. Wysłał telegram do Francuskiej Akademii Nauk 22 grudnia 1877 roku, w którym opowiedział o swoim odkryciu.

Właściwości i struktura molekularna

W standardowej temperaturze i ciśnieniu, tlen nie ma koloru, zapachu ani smaku i jest gazem o wzorze chemicznym O
₂ zwane dioksynami.

Jako dioksygen, dwa atomy tlenu są chemicznie powiązane ze sobą. To wiązanie można nazwać wieloma rzeczami, ale po prostu kowalencyjne wiązanie podwójne. Tlen jest bardzo reaktywny i może reagować z wieloma innymi elementami. Tlenki powstają, gdy elementy metalowe reagują z tlenem dioksynowym, takim jak tlenek żelaza, który jest znany jako rdza. Na Ziemi jest wiele związków tlenkowych.

Ogródki alotropowe

Powszechny alotrop (typ) tlenu na Ziemi nazywany jest dioksyną (O2). Jest to druga co do wielkości część ziemskiej atmosfery, po dinitrogenie (N2). O2 ma długość wiązania 121 pm i energię wiązania 498 kJ/mol Ze względu na swoją energię, O2 jest używany przez złożone życie jak zwierzęta.

Ozon (O3) jest bardzo reaktywny i uszkadza płuca podczas wdychania. Ozon jest wytwarzany w górnej części atmosfery, gdy O2 łączy się z czystym tlenem, gdy O2 jest rozszczepiany przez promieniowanie ultrafioletowe. Ozon absorbuje dużo promieniowania w części UV widma elektromagnetycznego i dlatego warstwa ozonowa w górnej części atmosfery chroni Ziemię przed promieniowaniem.

Tetratlen (O4) został odkryty w 2001 roku. Istnieje on tylko w ekstremalnych warunkach, gdy na O2 jest wywierane duże ciśnienie.

Właściwości fizyczne

Tlen łatwiej rozpuszcza się z powietrza do wody niż azot. Gdy jest taka sama ilość powietrza i wody, na każde 2 cząsteczki N2 przypada jedna cząsteczka O2 (stosunek 1:2). Inaczej jest w przypadku powietrza, gdzie stosunek tlenu do azotu wynosi 1:4. O2 łatwiej rozpuszcza się również w wodzie słodkiej niż w wodzie morskiej. Tlen skrapla się w temperaturze 90,20 K (-182,95°C, -297,31°F) i zamarza w temperaturze 54,36 K (-218,79°C, -361,82°F). Zarówno płynne jak i stałe O2 są przezroczyste i mają jasnoniebieską barwę.

Tlen jest bardzo reaktywny i musi być trzymany z dala od wszystkiego, co może się palić.

Izotopy

Istnieją trzy stabilne izotopy tlenu w przyrodzie. Są to ^16O, ^17O, i ^18O. Około 99,7% tlenu to izotop ^16O.

Występowanie

Tlen jest najczęstszym pierwiastkiem masowo na Ziemi. Jest trzecim najczęstszym pierwiastkiem we wszechświecie, po wodorze i helu. Około 0,9% masy Słońca to tlen. Tlen stanowi 49,2% masy skorupy ziemskiej jako część związków tlenowych, takich jak dwutlenek krzemu. Jest on również główną częścią oceanów ziemskich, stanowiąc 88,8% masy. Tlen jest drugą co do częstości występowania częścią atmosfery, stanowiąc 20,8% jej masy i 23,1% jej objętości. Ziemia jest dziwna w porównaniu z innymi znanymi planetami, ponieważ duża część jej atmosfery jest gazem tlenowym. Mars ma 0,1% O2 objętości, podczas gdy reszta planety Układu Słonecznego ma mniej.

Duża ilość gazu tlenowego na Ziemi jest spowodowana cyklem tlenowym. Jest on kontrolowany głównie przez fotosyntezę, która wytwarza gaz tlenowy z dwutlenku węgla, wody i energii słonecznej. Oddychanie następnie zabiera gaz tlenowy z atmosfery i zamienia go z powrotem w dwutlenek węgla i wodę. Dzieje się to w tym samym tempie, więc ilość gazu tlenowego i dwutlenku węgla nie zmienia się z jego powodu.

Medyczne

O2 jest bardzo ważną częścią oddychania. Z tego powodu jest ono stosowane w medycynie. Stosuje się go w celu zwiększenia ilości tlenu we krwi człowieka, dzięki czemu może odbywać się więcej oddychania. Może to sprawić, że w razie choroby szybciej staną się zdrowi. Terapia tlenowa jest stosowana w leczeniu rozedmy płuc, zapalenia płuc, niektórych problemów z sercem i wszelkich chorób, które utrudniają przyswajanie tlenu przez człowieka.

Podtrzymywanie życia

Niskociśnieniowe O2 stosowane jest w kombinezonach kosmicznych, otaczających ciało gazem. Używany jest czysty tlen, ale pod znacznie niższym ciśnieniem. Gdyby ciśnienie było wyższe, byłoby to trujące.

Tlenowy NFPA 704 mówi, że sprężony gaz tlenowy nie jest niebezpieczny dla zdrowia i nie jest palny.

Toksyczność

Przy wysokim ciśnieniu, gaz tlenowy (O2) może być niebezpieczny dla zwierząt, w tym dla ludzi. Może on powodować drgawki i inne problemy zdrowotne. Toksyczność tlenowa zazwyczaj zaczyna się pojawiać przy ciśnieniu powyżej 50 kilopaskali (kPa), co odpowiada około 50% tlenu w powietrzu pod standardowym ciśnieniem (powietrze na Ziemi ma około 20% tlenu).

Wcześniaki były kiedyś umieszczane w pudełkach z powietrzem o dużej zawartości O2. Zostało to zatrzymane, gdy niektóre dzieci oślepły od tlenu.

Oddychanie czystym O2 w kombinezonach kosmicznych nie powoduje żadnych uszkodzeń, ponieważ stosowane jest niższe ciśnienie.

Spalanie i inne zagrożenia

Stężone ilości czystego O2 mogą spowodować szybki pożar. Gdy stężony tlen i paliwa zbliżą się do siebie, lekki zapłon może spowodować ogromny pożar. Wszyscy członkowie załogi Apollo 1 zginęli od pożaru z powodu skoncentrowanego tlenu, który został użyty w powietrzu kapsuły.

Jeśli ciekły tlen zostanie rozlany na związki organiczne, takie jak drewno, może on eksplodować.