Tlen - obszerna praca

Tlen to pierwiastek chemiczny o symbolu O (łacińska nazwa – oxygenium). Jest to bezbarwny i bezwonny gaz. Leży w grupie 16 (VI A) i 2 okresie układu okresowego. Jego liczba atomowa to 8, a masa atomowa 16 [u]-unitów. Temperatura topnienia wynosi –218,78ºC, a temperatura wrzenia –182,96ºC. Jego elektroujemność to 3,5. Po skropleniu w temperaturze wrzenia ma gęstość 1,141 g/cm3. Obecnie znanych jest 12 izotopów tlenu o wyznaczonych okresach półtrwania, w tym 3 trwałe: (16O, 17O, 18O). Pierwiastek ten otrzymuje się przez destylację ciekłego powietrza lub elektrolizę wody. Skroplony tlen jest cieczą o niebieskawym zabarwieniu i gęstości 1,13 g/cm3.
W przyrodzie tlen występuje w stanie wolnym w atmosferze oraz w formie związanej w wodzie, minerałach, w organizmach roślinnych i zwierzęcych. Jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi (występuje w litosferze, atmosferze i hydrosferze).
Tlen, jako najbardziej rozpowszechniony na naszej planecie pierwiastek zadziwia uczonych. Dotąd były znane dwie formy, czyli odmiany alotropowe tego pierwiastka. W warunkach normalnych tlen jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, tworzącym dwuatomowe cząsteczki. W górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania ultrafioletowego powstaje ozon – niebieski gaz, którego cząsteczki zbudowane są z trzech atomów tlenu (ozon jest opisany później). W ciekłym tlenie stwierdzono również występowanie takich trójatomowych cząsteczek. W niskich temperaturach można je znaleźć także w gazowym tlenie.
Tlen tworzy cząsteczki dwuatomowe, uzyskując przy tym oktet elektronowy, trójatomowe (ozon) lub przybiera postać pojedynczych atomów (tlen atomowy, znacznie bardziej aktywny chemicznie). W ogromnej większości związków chemicznych tlen występuje na –2 stopniu utlenienia. Reaguje z większością metali. Łatwo utlenia substancje organiczne i fosfor. Na gorąco łączy się z wodorem i siarką. W specjalnych warunkach może reagować z azotem i fluorem. Jest dobrze absorbowany przez czerń platynową, stopione metale szlachetne, węgiel drzewny.

Tlen jako składnik powietrza
Tlen jest najważniejszym składnikiem powietrza a jako substancja jest niezbędny do życia ludzi, zwierząt i roślin zużywany podczas oddychanie a odzyskiwany w czasie reakcji fotosyntezy.

Dzięki obecności tlenu w powietrzu możliwe jest spalanie węgla, drewna i innych pierwiastków. Podczas spalania pierwiastków w tlenie powstają związki chemiczne tych pierwiastków z tlenem, nazywane tlenkami.

Substancja prosta (pierwiastek) + tlen  tlenek

Np.: 4Fe + 3O2  2Fe2O3

Często proces spalania przebiega gwałtownie z wydzieleniem energii na sposób ciepła. Zaobserwować można obecność płomienia (spalanie węgla).
Ale są i minusy dużej aktywności tlenu, a wynikiem jej jest występowanie korozji (rdza). Szczególnie podatne są przedmioty wykonane z żelaza i innych metali nieszlachetnych. Proces łączenia się pierwiastków z tlenem nazywany jest utlenianiem. Na Ziemi oprócz atmosfery, duże ilości tlenu spotykamy w postaci związanej w wielu minerałach, tkankach materiałów zwierzęcych oraz w wodzie. Minerałem najczęściej spotykanym jest krzemionka. Z powietrza tlen wydziela się poprzez skroplenia i destylację. Tlen wykorzystuje się:
- w produkcji stali
- w lecznictwie dla podtrzymania procesów oddychania
- w aparatach tlenowych
- w palnikach wodorowo-tlenowych i acetylenowo-tlenowych
- jako utleniacz w paliwie rakietowym.

Nadtlenki
Nadtlenki to związki chemiczne, zarówno nieorganiczne, jak i organiczne, zawierające grupy dwóch powiązanych ze sobą atomów tlenu, o wzorze strukturalnym –O–O– i stopniu utleniania –1. Znane są m. in.: nadtlenki litowców (np. nadtlenek sodu: Na2O2), nadtlenki berylowców (oprócz berylu, np. nadtlenek baru: BaO2), nadtlenek cynku: ZnO2, nadtlenek kadmu: CdO2, nietrwały, intensywnie niebieski nadtlenek chromu (VI): CrO5, nadtlenek wodoru, nadtlenek amonu oraz liczne nadtlenki organiczne.
Nadtlenki są silnymi utleniaczami, a zmieszane z substancjami redukującymi zazwyczaj wybuchają. Jonowe kryształy nadtlenków metali zawierają jony nadtlenkowe O22–. Ogrzewane wydzielają tlen, w roztworze wodnym zaś tworzą nadtlenek wodoru (czasem też dość trwałe hydraty, np. Na2O2 • 8H2O, MgO2 • aq).
W oddychaniu, oprócz niewątpliwych zalet, oddychanie tlenowe ma przynajmniej jedną dużą wadę. Obecność atomów tlenu w bezpośredniej bliskości łańcucha oddechowego ułatwia powstawanie nadtlenków (np. wodoru) i wolnych rodników (np. hydroksylowych). Te natomiast mogą być przyczyną poważnych uszkodzeń składników komórki, przede wszystkim jądrowego i mitochondrialnego DNA, a w konsekwencji mutacji, wadliwego działania organelli i przyspieszonego starzenia się organizmu. Oczywiście komórki wykształciły szereg organizmów przeciwdziałających destrukcyjnemu działaniu wolnych rodników (antyoksydanty i zmiatacze wolnych rodników oraz różnorodne mechanizmy naprawcze). Lepiej jednak zapobiegać przyczynom niż usuwać skutki. Od dawna wiadomo, że czynniki przyspieszające oddychanie w izolowanych mitochondriach, jak rozprzęgacze fosforylacji oksydacyjnej, powodują spowolnienie generacji nadtlenków i wolnych rodników. Z drugiej strony produkcja wolnych rodników nie jest liniową funkcją szybkości oddychania. Zależy jednak silnie od wartości siły protonomotorycznej. A właśnie częściowe rozprzęganie zmniejsza siłę protonomotoryczną poprzez jej rozpraszanie. Operując pojęciem obwodu protonowego, spadek oporu błony powoduje spadek napięcia będącego głównym komponentem siły protonomotorycznej.

Ozon
25 km, licząc od poziomu morza istnieje warstwa ozonowa, zawierająca jako główny składnik ozon. Warstwa chroni przed szkodliwym promieniowaniem słońca (ultrafiolet). Jej grubość to ok. 2mm.
Ozon jest to odmiana tlenu, która powstała z połączenia trzech drobin (atomów) tlenu.

Tlen w wodach – doświadczenia
Tlen rozpuszczony w wodach powierzchniowych jest niezbędny do życia biologicznego w tym środowisku. Dzięki obecności tlenu przebiegają także procesy somooczyszczania wód. Nasycanie wody tlenem prowadzi się w domowych akwariach, w ogrodach botanicznych zawartość tlenu podnosi się przez przepuszczanie wody przez kaskadowe spływy.
W oczyszczalniach prowadzi się napowietrzanie ścieków i ta czynność jest istotnym zabiegiem w procesie ich oczyszczania.
Zawartość tlenu w wodzie można oznaczyć bardzo szybko na lekcji wykorzystując odpowiednie próbki wody o przewidywanej różnej zawartości w nich tego gazu.
W celach porównawczych to oznaczenie można wykonać równolegle na dwóch próbkach wody. Na dobrze napowietrzonej oraz na wygotowanej próbce wody kranowej.

Potrzebne odczynniki i roztwory:
1. Roztwór MnSO4 ok. 2-molowy.
2. Roztwór KJ ok. 10% sporządzony w roztworze ok. 30% NaOH.
Przygotowanie: 10g KJ i 30~33g NaOH rozpuścić w 100cm3 roztworu.
3. H2SO4 stężony o d=1,8 g/cm3
4. Roztwór Na2S2O3 z mianowany o Cm = 0,025 mol/cm3
5. Roztwór skrobi – wskaźnik.

Zasada oznaczenia zawartości tlenu w wodzie polega na jego zredukowaniu i związaniu w trudno rozpuszczalny związek MnO(OH)2 według:

Mn2+ + 2OH– + 1/2O2  MnO(OH)2 ↓

Następnie osad ten rozpuszcza się stężonym H2SO4:

MnO(OH)2 + 4H+  Mn4+ + 3H2O

Pod wpływem Mn4+ występujące w próbce J– ulegają następnie utlenieniu do wolnego jodu, który to J2 odmiarczekowuje się następnie zmianowanym roztworem Na2S2O3 wobec skrobi do momentu całkowitego odbarwienia się zawartości zlewki/kolby.

Tok oznaczania:

1. Do naczynia, z dobrze dopasowanym korkiem (np. kolby miarowej na 250 cm3), pobrać jego szyjkę badanej wody, dodać po 2cm3 MnSO4 i KJ w 30% roztworze NaOH. Dopełnić szybko naczynie badaną wodą pod korek, zamknąć, wymieszać znajdującą się tam zawartość i odczekać kilka minut. W tym momencie następuje związanie zawartego tlenu i utlenianie się równoważnej ilości manganu wg:

Mn2+ + 2 OH– + 1/2O2  MnO(OH)2 ↓ brązowy osad

Po związaniu całości zawartego tlenu zachodzi wytrącenie pozostałego manganu wg:

Mn2+ + 2 OH–  Mn(OH)2 ↓ brązowy osad

2. Wprowadzić pipetą ok. 2,5cm3 stężonego H2SO4 na dno kolby z badaną wodą i lekko, delikatnie wdmuchnąć ten kwas z pipety. Kolbę zamknąć i mieszając zawartość obserwować całkowite rozpuszczenie się osadów wytrąconych w pkt.1. W razie potrzeby dodać jeszcze 05~1cm3 stężonego H2SO4 – osad musi ulec całkowitemu rozpuszczeniu. Zachodzi w tym momencie:

MnO(OH)2 + 4H+  Mn4+ + 3H2O oraz

MnO(OH)2 + 2H+  Mn2+ + 2H2O

Pod wpływem manganu (IV) następuje utlenienie równoważnej ilości J– wg:

Mn4+ +2J–  Mn2+ + J2

3. Odmierzyć np. 100cm3 wody z okt.2 po wykonanych tam czynnościach rozpuszczania osadu, przenieść do zlewki/kolby, dodać kilka kropel skrobi (skrobia pod wpływem obecności J2 przybiera granatowe zabarwienie).
4. Zmiareczkować zawartość zlewki zmianowanym roztworem Na2S2O3 do momentu osiągnięcia całkowitego i trwałego odbarwienia się skrobi. Zachodzi reakcja:

J2 + 2S2O32–  2J– + S4O62–

5. Zawartość tlenu w analizowanej wodzie obliczyć:

(V*Cm) • Na2S2O3 • 8 • 1000
XO2 [mg/dm3] = Vp gdzie:

(V*Cm) – to ilość użytego w ćwiczeniu roztworu zmianowanego Na2S2O3

Vp – objętość wody wziętej do analizy [dm3]

Jeśli równolegle prowadzi się oznaczenie dwóch próbek wody o różnej zawartości tlenu daje to wówczas możliwość porównania osiągniętych wyników.


Wady i zalety tlenu-informacje dodatkowe tudzież podsumowujące
- Tlen jest jednym z czynników powodujących rdzewienie (korozję) żelaza i innych metali, co powoduje wiele poważnych problemów, również ekonomicznych.
- Istnienie roślin, zwierząt i człowieka jest uzależnione od tlenu, ponieważ normalny przebieg życiowych funkcji jest możliwy tylko w obecności tlenu.
- Stwierdzono, że podwyższone stężenie tlenu wpływa niekorzystnie na rośliny – hamuje rozwój, powoduje opadanie liści, zmniejsza żywotność nasion i korzeni. Piętnastogodzinna eksmisja działania czystego tlenu jest zabójcza dla wielu z nich.
- Zwierzęta są jeszcze bardziej wrażliwe na działanie podwyższonego stężenia tlenu. U myszy oddychającej powietrzem o zawartości 70% tlenu po 2-3 tygodniach zauważono zahamowanie czerwonych krwinek przez szpik kostny, a u chomika po 3-4 tygodniach zanik produkcji plemników.
- U człowieka najbardziej wrażliwe na działanie tlenu są płuca, mimo, że jest to narząd najbardziej dobrych warunkach fizycznych. Oddychanie czystym tlenem znajdującym się pod ciśnieniem 1 hPa przez kilka godzin prowadzi do odczuwalnych zaburzeń dróg oddechowych. Dłuższa ekspozycja tlenu w pęcherzyki płucne, a jeszcze dłuższe narażenie płuc na działanie czystego tlenu powoduje wzmocnienie kolagenu i zwłóknienie płuc.
- Także oczy gwałtownie reagują na większe dawki tlenu. W połowie tego wieku stwierdzono u dzieci przebywających w inkubatorach przypadki utraty wzroku na skutek oderwanie się siatkówki od oka był ponad 10-dniowy kontakt wcześniaków z atmosferą zawierającą 35-40% tlenu.
- Część tlenu jaka zostaje wprowadzona do organizmu przekształca się w wolne rodniki czystej formy tlenu, działające na nasz organizm szkodliwie. Ilość wolnych rodników zwiększamy oddychając zanieczyszczonym powietrzem, paląc papierosy, jedząc smażone potrawy.
- Wolne rodniki tlenu reagują ze składnikami komórek degenerując je i uszkadzając. Są one odpowiedzialne za powstawanie takich chorób jak miażdżyca, cukrzyca, choroby nowotworowe, uszkodzenia serca przy zawałach. Jeśli porównamy poszczególne komórki naszego ciała do członków dobrze prosperującego społeczeństwa, działającego według określonych reguł prawnych to elementy przestępcze oddziaływujące na to społeczeństwo, napadające na spokojnych obywateli i mordujące je w brutalny sposób reaktywne formy tlenu.


BIBLIOGRAFIA:
1. Encyklopedia PWN, 1997
2. Miesięcznik „Wiedza i życie”, kwiecień 1998
3. Podręcznik do chemii (wg naszego programu) kl. 1, 2 i 3.
4. Strony internetowe:
- www.dami.pl/chemia/gimnazjum/gimnazjum1.html
- www.sciagawa.pl