SYRE: EGENSKAPER, STRUKTUR, RISKER, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2025

Den syre är ett grundämne som är representerad med symbolen O. är en mycket reaktiv gas, som leder den grupp 16: kalkogener. Detta namn beror på att svavel och syre finns i nästan alla mineraler.

Dess höga elektronegativitet förklarar dess stora girighet för elektroner, vilket får den att kombinera med ett stort antal element; Så här uppstår ett brett utbud av mineraloxider som berikar jordskorpan. Således komponerar det återstående syre och gör atmosfären andbar.

Syre är ofta synonymt med luft och vatten, men det finns också i stenar och mineraler. Källa: Pxhere.

Syre är det tredje vanligaste elementet i universum, bakom väte och helium, och det är också den huvudsakliga beståndsdelen i jordskorpan. Den har en volymprocent på 20,8% av jordens atmosfär och representerar 89% av vattenmassan.

Det har vanligtvis två allotropa former: diatomiskt syre (O ₂ ), som är den vanligaste formen i naturen, och ozon (O ₃ ), som finns i stratosfären. Det finns emellertid två andra (O ₄ och O ₈ ) som finns i deras vätskeformiga eller fasta faser, och under enorm tryck.

Syre produceras ständigt genom processen för fotosyntes, utförd av fytoplankton och landväxter. När den har producerats släpps den så att levande varelser kan använda den, medan en liten del av den upplöses i haven och upprätthåller vattenlevande liv.

Det är därför ett väsentligt element för levande varelser; inte bara för att det finns i de flesta av de föreningar och molekyler som bildar dem, utan också för att det ingriper i alla deras metaboliska processer.

Även om dess isolering kontroversiellt tillskrivs Carl Scheele och Joseph Priestley 1774, finns det indikationer på att syre faktiskt isolerades för första gången 1608 av Michael Sendivogius.

Denna gas används i medicinsk praxis för att förbättra levnadsvillkoren för patienter med andningsskador. På samma sätt används syre för att göra det möjligt för människor att utföra sina funktioner i miljöer där det är minskat eller ingen tillgång till atmosfäriskt syre.

Kommersiellt producerat syre används främst i metallurgisk industri för omvandling av järn till stål.

Historia

Nitroarial ande

År 1500 genomförde Leonardo da Vinci, baserat på experimenten från Philo of Byzantium under andra århundradet f.Kr. C. drog slutsatsen att en del av luften förbrukades under förbränning och andning.

1608 visade Cornelius Drebble att uppvärmning salpetre (silvernitrat, KNO ₃ ) producerade en gas. Denna gas, som den senare skulle bli känd, var syre; men Drebble kunde inte identifiera det som en ny artikel.

1668 påpekade sedan John Majow att en del av luften som han kallade "Spiritus nitroaerus" var ansvarig för eld, och att den också konsumerades under andning och förbränning av ämnen. Majow observerade att ämnen inte brände i frånvaro av nitroarial anda.

Majow genomförde förbränningen av antimon och observerade en ökning av antimonets vikt under förbränningen. Så Majow drog slutsatsen att antimon kombinerat med den nitroariella andan.

Upptäckt

Även om det inte fick erkännandet av det vetenskapliga samhället, i livet eller efter dess död, är det troligt att Michael Sandivogius (1604) är den verkliga syreupptäckaren.

Sandivogius var en svensk alkemist, filosof och läkare som producerade termisk sönderdelning av kaliumnitrat. Hans experiment ledde honom till frisläppandet av syre, som han kallade "cibus vitae": livets livsmedel.

Mellan 1771 och 1772 värmde den svenska kemisten Carl W Scheele olika föreningar: kaliumnitrat, manganoxid och kvicksilveroxid. Scheele observerade att en gas släpptes från dem som ökade förbränningen och som han kallade "eldluft."

Joseph Priestly's experiment

1774 upphettade den engelska kemisten Joseph Priestly kvicksilveroxid med hjälp av ett tolv tum förstoringsglas som koncentrerade solljus. Kvicksilveroxid släppte en gas som fick ljuset att brännas mycket snabbare än normalt.

Dessutom testade Priestly den biologiska effekten av gas. För att göra detta placerade han en mus i en stängd behållare som han förväntade sig överleva i femton minuter; dock i närvaro av gasen överlevde den en timme, längre än den uppskattade.

Priestly publicerade sina resultat 1774; medan Scheele gjorde det 1775. Av denna anledning hänförs ofta upptäckten av syre till Priestly.

Syre i luften

Antoine Lavoisier, fransk kemist (1777), upptäckte att luften innehåller 20% syre och att när ett ämne bränner är det faktiskt att kombinera med syre.

Lavoisier drog slutsatsen att den uppenbara viktökningen som ämnena upplevde under förbränningen berodde på den viktminskning som uppstår i luften; eftersom syre i kombination med dessa substanser och därför massorna av reaktanterna bevarades.

Detta gjorde det möjligt för Lavoisier att upprätta lagen om bevarande av ärenden. Lavoisier föreslog namnet på syre som kom från bildningen av rotsyra "oxys" och "gener". Så syre betyder "syrabildande".

Detta namn är fel, eftersom inte alla syror innehåller syre; till exempel vätehalogenider (HF, HCl, HBr och HI).

Dalton (1810) tilldelade den kemiska formeln HO till vatten och därför var atomens vikt av syre 8. En grupp kemister, inklusive: Davy (1812) och Berzelius (1814) korrigerade Daltons strategi och drog slutsatsen att den korrekta formeln för vatten är H ₂ O och atomvikten av syre är 16.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Färglös, luktfri och smaklös gas; medan ozon har en skarp lukt. Syre främjar förbränning, men det är inte självt ett bränsle.

Flytande syre. Källa: Staff Sgt Nika Glover, US Air Force

I sin flytande form (toppbild) är den ljusblå i färgen, och dess kristaller är också blåaktig; men de kan få rosa, orange och till och med rödaktiga toner (som kommer att förklaras i avsnittet om deras struktur).

Atomvikt

15.999 u.

Atomnummer (Z)

8.

Smältpunkt

-218,79 ° C

Kokpunkt

-182,962 ° C

Densitet

Under normala förhållanden: 1 429 g / L. Syre är en gas som är tätare än luft. Dessutom är det en dålig ledare för värme och elektricitet. Och vid dess (flytande) kokpunkt är densiteten 1,141 g / ml.

Triple point

54.361 K och 0.1463 kPa (14.44 atm).

Kritisk punkt

154,581 K och 5,043 MPa (49770,54 atm).

Smältvärme

0,444 kJ / mol.

Förångningsvärme

6,82 kJ / mol.

Molär kalorikapacitet

29,388 J / (mol · K).

Ångtryck

Vid en temperatur på 90 K har det ett ångtryck på 986,92 atm.

Oxidationstillstånd

-2, -1, +1, +2. Det viktigaste oxidationstillståndet är -2 (O ^2- ).

Elektronnegativitet

3.44 på Pauling-skalan

Joniseringsenergi

Först: 1,313,9 kJ / mol.

Andra: 3 388,3 kJ / mol.

Tredje: 5.300,5 kJ / mol.

Magnetisk ordning

Para.

Vattenlöslighet

Lösligheten av syre i vatten minskar när temperaturen ökar. Till exempel: 14,6 ml syre / L vatten upplöses vid 0 ° C och 7,6 ml syre / L vatten vid 20 ° C. Lösligheten av syre i dricksvatten är högre än i havsvatten.

Vid temperatur 25 ° C och vid ett tryck på 101,3 kPa kan dricksvatten innehålla 6,04 ml syre / L vatten; medan vattnet i havsvatten endast 4,95 ml syre / L vatten.

Reaktivitet

Syre är en mycket reaktiv gas som reagerar direkt med nästan alla element vid rumstemperatur och höga temperaturer; förutom metaller med högre reduktionspotentialer än koppar.

Den kan också reagera med föreningar och oxidera elementen som finns i dem. Det här är vad som händer när den reagerar med glukos, till exempel för att producera vatten och koldioxid; eller när trä eller kolväte bränner.

Syre kan ta emot elektroner genom fullständig eller partiell överföring, varför det anses vara ett oxidationsmedel.

Det vanligaste oxidationsantalet eller syretillståndet är -2. Med denna oxidationstal, finns den i vatten (H ₂ O), svaveldioxid (SO ₂ ) och koldioxid (CO ₂ ).

I organiska föreningar såsom aldehyder, alkoholer, karboxylsyror; vanliga syror som H ₂ SO ₄ , H ₂ CO ₃ , HNO ₃ ; och dess härledda salter: Na ₂ SO ₄ , Na ₂ CO ₃ eller KNO ₃ . I alla av dem kan förekomsten av O ^2- antas (vilket inte är sant för organiska föreningar).

oxider

Syre är närvarande som O ^2- i kristallstrukturerna i metalloxider.

Å andra sidan, i metalliska superoxider, såsom kalium superoxid (KO ₂ ), är syre närvarande som O ₂ ^- jon . Medan i metall peroxider, att säga bariumperoxid (BaO ₂ ), syreframträder som jonen O ₂ ^2- (Ba ²⁺ O ₂ ^2- ).

isotoper

Syre har tre stabila isotoper: ¹⁶ O, med 99,76% överflöd; den ¹⁷ O, med 0,04%; och ¹⁸ O, med 0,20%. Observera att ¹⁶ O är den överlägset mest stabila och rikligaste isotopen.

Struktur och elektronisk konfiguration

Syre-molekyl och dess interaktioner

Diatomic syremolekyl. Källa: Claudio Pistilli

Syre i dess marktillstånd är en atom vars elektroniska konfiguration är:

2s ² 2p ⁴

Enligt valensbindningsteorin (TEV) är två syreatomer kovalent bundna så att båda separat fullbordar sin valensoktett; förutom att kunna para sina två ensamma elektroner från 2p-orbitalerna.

På detta sätt visas den diatomiska syremolekylen, O ₂ (övre bild), som har en dubbelbindning (O = O). Dess energistabilitet är sådan att syre aldrig hittas som enskilda atomer i gasfasen utan som molekyler.

Eftersom O ₂ är homonukleär, linjär och symmetrisk saknar det ett permanent dipolmoment; därför beror deras intermolekylära interaktioner på deras molekylmassa och Londons spridningskrafter. Dessa krafter är relativt svaga för syre, vilket förklarar varför det är en gas under jordförhållanden.

Emellertid, när temperaturen sjunker eller trycket ökar, O ₂ molekyler tvingas att koalescera; till dess att deras interaktioner blir betydande och tillåter bildning av flytande eller fast syre. För att försöka förstå dem molekylärt är det nödvändigt att inte förlora O ₂ som en strukturell enhet.

Ozon

Syre kan anta andra betydligt stabila molekylstrukturer; dvs det finns i naturen (eller inom laboratoriet) i olika allotropiska former. Ozon (nedre bild), till exempel O ₃ , är den näst mest kända syretillförseln.

Struktur för resonanshybriden representerad av en sfär- och stavmodell för ozonmolekylen. Källa: Ben Mills via Wikipedia.

Återigen upprätthåller, förklarar och visar TEV att i O ₃ måste det finnas resonansstrukturer som stabiliserar den positiva formella laddningen av syre i mitten (röda prickade linjer); medan oxygnen i ändarna av boomerangen fördelar en negativ laddning, vilket gör den totala laddningen för ozonneutral.

På detta sätt är obligationerna inte enstaka, men inte heller dubbla. Exempel på resonanshybrider är mycket vanliga i lika många oorganiska molekyler eller joner.

O ₂ och O ₃ , eftersom deras molekylstrukturer är olika, sker samma sak med deras fysikaliska och kemiska egenskaper, flytande faser eller kristaller (även när de båda består av syreatomer). De teoretiserar att den storskaliga syntesen av cyklisk ozon är trolig, vars struktur liknar strukturen i en rödaktig, syresatt triangel.

Det är här de "normala allotroperna" av syre slutar. Emellertid, finns det två andra att tänka på: O ₄ och O ₈ , hittas eller föreslås i flytande och fast syre, respektive.

Flytande syre

Gasformigt syre är färglöst, men när temperaturen sjunker till -183 ºC kondenseras det till en ljusblå vätska (liknande ljusblå). Interaktionerna mellan O ₂ molekyler är nu sådan att även deras elektroner kan absorbera fotoner i det röda området av det synliga spektrumet för att återspegla deras karakteristiska blå färg.

Emellertid har det visat teorin att i denna vätska finns det mer än enkla O ₂ molekyler , utan även en O ₄ molekyl (lägre bild). Det verkar som om ozonet hade "fastnat" av en annan syreatom som på något sätt går igenom den positiva formella laddningen som just beskrivits.

Föreslagen modellstruktur med sfärer och stavar för tetraoxygenmolekylen. Källa: Benjah-bmm27

Problemet är att enligt beräknings och molekylära simuleringar, nämnda struktur för O ₄ är inte exakt stabil; emellertid förutspår de att de existerar som (O ₂ ) _2- enheter , det vill säga två O _2- molekyler är så nära att de bildar en slags oregelbunden ram (O-atomerna är inte riktade mittemot varandra).

Fast syre

När temperaturen sjunker till -218,79 ºC kristalliseras syre i en enkel kubisk struktur (γ-fas). När temperaturen sjunker ytterligare genomgår den kubiska kristallen övergångar till fas (rombosfärr och -229,35 ° C) och a (monoklin och -249,35 ° C).

Alla dessa kristallina faser av fast syre förekommer vid omgivningstryck (1 atm). När trycket ökar till 9 GPa (~ 9000 atm) visas 6-fasen, vars kristaller är orange. Om trycket fortsätter att öka till 10 GPa visas det fasta röda syret eller ε-fasen (återigen monoklinisk).

Den ε fasen är speciell eftersom trycket är så enorm att de O ₂ molekyler inte bara ordna sig själva som O ₄ enheter , men också på O ₈ :

Modellstruktur med sfärer och stavar för octa-syre-molekylen. Källa: Benjah-bmm27

Notera att denna O ₈ består av två O ₄ enheter där den oregelbundna ramen redan förklarats kan ses. På samma sätt är det giltigt att betrakta det som fyra O 2- _{enheter som är} inriktade nära och i vertikala positioner. Emellertid är deras stabilitet under detta tryck så att O ₄ och O ₈ finns ytterligare två allotropes för syre.

Och slutligen har vi ζ-fasen, metallisk (vid tryck större än 96 GPa), där trycket får elektronerna att spridas i kristallen; precis som det händer med metaller.

Var man hittar och producerar

mineraler

Syre är det tredje elementet i universum efter massa, bakom väte och helium. Det är det vanligaste elementet i jordskorpan och representerar cirka 50% av dess massa. Det finns främst i kombination med kisel, i form av kiseloxid (SiO ₂ ).

Syre finns som en del av otaliga mineraler, såsom: kvarts, talk, fältspar, hematit, cuprite, brucite, malachite, limonite, etc. På samma sätt är den belägen som en del av många föreningar som karbonater, fosfater, sulfater, nitrater, etc.

Luft

Syre utgör 20,8 volymprocent av atmosfärisk luft. I troposfären finns den främst som en diatomisk syremolekyl. I stratosfären, ett gasformigt skikt mellan 15 och 50 km från jordytan, finns det som ozon.

Ozon produceras genom en elektrisk urladdning på O _2- molekylen . Denna allotrop av syre absorberar ultraviolett ljus från solstrålning och blockerar dess skadliga verkan på människor, vilket i extrema fall är förknippat med utseendet på melanom.

Färskt och saltvatten

Syre är en viktig del av havsvatten och sötvatten från sjöar, floder och grundvatten. Syre är en del av den kemiska formeln för vatten, och utgör 89% av den i massa.

Å andra sidan, även om lösligheten av syre i vatten är relativt låg, är mängden syre upplöst i det väsentligt för vattenlevande liv, som inkluderar många djurarter och alger.

Levande varelser

Människan består av cirka 60% vatten och samtidigt rik på syre. Men dessutom är syre en del av många föreningar, såsom fosfater, karbonater, karboxylsyror, ketoner, etc., som är väsentliga för livet.

Syre finns också i polysackarider, lipider, proteiner och nukleinsyror; det vill säga de så kallade biologiska makromolekylerna.

Det är också en del av skadligt avfall från mänsklig aktivitet, till exempel: kolmonoxid och dioxid, samt svaveldioxid.

Biologisk produktion

Växter ansvarar för att berika luften med syre i utbyte mot den koldioxid som vi andas ut. Källa: Pexels.

Syre produceras under fotosyntes, en process genom vilken marina fytoplankton och landväxter använder ljusenergi för att få koldioxid att reagera med vatten, skapa glukos och släppa ut syre.

Det uppskattas att mer än 55% av syre som produceras genom fotosyntes beror på verkan av marin fytoplankton. Därför utgör den den huvudsakliga källan för syregenerering på jorden och ansvarar för att liv på den hålls.

Industriell produktion

Luftförening

Den huvudsakliga metoden för att producera syre i industriell form är den som skapades 1895, oberoende av Karl Paul Gottfried Von Linde och William Hamson. Denna metod fortsätter att användas idag med vissa modifieringar.

Processen börjar med en komprimering av luften för att kondensera vattenångan och därmed eliminera den. Därefter siktas luften genom att ledas av en blandning av zeolit ​​och kiseldioxidgel, för eliminering av koldioxid, tunga kolväten och resten av vatten.

Därefter separeras komponenterna i den flytande luften genom en fraktionerad destillation, vilket uppnår separationen av de gaser som finns i den genom deras olika kokpunkter. Med denna metod är det möjligt att erhålla syre med 99% renhet.

Elektrolys av vatten

Syre produceras genom elektrolys av mycket renat vatten och med en elektrisk konduktivitet som inte överstiger 1 uS / cm. Vatten separeras genom elektrolys i dess komponenter. Väte som en katjon rör sig mot katoden (-); medan syre rör sig mot anoden (+).

Elektroderna har en speciell struktur för att samla gaserna och därefter producera deras flytande.

Termisk sönderdelning

Termisk sönderdelning av föreningar som kvicksilveroxid och salpetre (kaliumnitrat) frigör syre, som kan samlas in för användning. Peroxider används också för detta ändamål.

Biologisk roll

Syre produceras av fytoplankton och landväxter genom fotosyntes. Det korsar lungväggen och i blodet fångas det med hemoglobin, som transporterar det till olika organ för att senare användas i cellulär metabolism.

I denna process används syre under metabolismen av kolhydrater, fettsyror och aminosyror för att till slut producera koldioxid och energi.

Andning kan beskrivas på följande sätt:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ => CO ₂ + H ₂ O + Energi

Glukos metaboliseras i en uppsättning sekvensiella kemiska processer, inklusive glykolys, Krebs-cykeln, elektrontransportkedjan och oxidativ fosforylering. Denna serie av händelser producerar energi som ackumuleras som ATP (adenosintrifosfat).

ATP används i olika processer i celler inklusive transport av joner och andra ämnen över plasmamembranet; tarmabsorptionen av ämnen; sammandragningen av olika muskelceller; metabolismen av olika molekyler, etc.

Polymorfonukleära leukocyter och makrofager är fagocytiska celler som kan använda syre för att producera superoxidjon, väteperoxid och singlett-syre, som används för att förstöra mikroorganismer.

risker

Andning av syre vid högt tryck kan orsaka illamående, yrsel, muskelspasmer, synförlust, kramper och medvetenhetsförlust. Dessutom kan andning av rent syre under en lång tid orsaka lungirritation, vilket manifesteras av hosta och andnöd.

Det kan också vara orsaken till bildandet av lungödem: ett mycket allvarligt tillstånd som begränsar andningsfunktionen.

En atmosfär med en hög koncentration av syre kan vara farlig eftersom den underlättar utvecklingen av bränder och explosioner.

tillämpningar

läkare

Syre administreras till patienter som har andningsfel; detta är fallet med patienter med lunginflammation, lungödem eller emfysem. De kunde inte andas omgivande syre eftersom de skulle drabbas allvarligt.

Patienter med hjärtsvikt med vätskeansamling i alveolerna måste också förses med syre; liksom patienter som har drabbats av en allvarlig cerebrovaskulär olycka (CVA).

Yrkesbehov

Brandmän som kämpar mot en eld i en miljö med otillräcklig ventilation, kräver användning av masker och syrecylindrar som gör att de kan utföra sina funktioner utan att riskera deras liv.

Ubåtarna är utrustade med syreproduktionsutrustning som gör det möjligt för sjömän att stanna i en stängd miljö och utan tillgång till atmosfärisk luft.

Dykare gör sitt arbete nedsänkt i vatten och därmed isolerat från atmosfärisk luft. De andas genom syre som pumpas genom rör som är anslutna till sin dykdräkt eller användningen av cylindrar fästa vid dykarens kropp.

Astronauter utför sina aktiviteter i miljöer utrustade med syregeneratorer som möjliggör överlevnad under rymdresa och i en rymdstation.

Industriell

Mer än 50% av det industriellt producerade syret konsumeras i omvandlingen av järn till stål. Det smälta järnet injiceras med en syrgasstråle för att avlägsna svavlet och kolet som är närvarande. de reagerar för att producera gaserna SO ₂ och CO ₂ , respektive.

Acetylen används i kombination med syre för att skära metallplattor och även för att producera deras lod. Syre används också för produktion av glas, vilket ökar förbränningen vid bränningen av glaset för att förbättra dess transparens.

Atomabsorptionsspektrofotometri

Kombinationen av acetylen och syre används för att bränna prover av olika ursprung i en atomabsorptionsspektrofotometer.

Under proceduren påverkas en ljusstråle från en lampa på lågan, vilket är specifikt för elementet som ska kvantifieras. Flammen absorberar ljuset från lampan, vilket gör att elementet kan kvantifieras.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Syre. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Richard Van Noorden. (13 september 2006). Bara en vacker fas? Fast rött syre: värdelös men härlig. Återställd från: nature.com
4. AzoNano. (4 december 2006). Fast syre e-fas kristallstruktur bestämd tillsammans med upptäckten av ett rött syre O8-kluster. Återställd från: azonano.com
5. National Center for Biotechnology Information. (2019). Syre-molekyl. PubChem-databas. CID = 977. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Dr Doug Stewart. (2019). Fakta om syreelement. Chemicool. Återställd från: chemicool.com
7. Robert C. Brasted. (9 juli 2019). Syre: kemiskt element. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
8. Wiki Kids. (2019). Syrefamilj: egenskaper hos VIA-element. Återställd från: helt enkelt.vetenskap
9. Advameg, Inc. (2019). Syre. Återställd från: madehow.com
10. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: syre. Återställd från: lenntech.com
11. New Jersey Department of Health and Senior Services. (2007). Syre: faktablad för farligt ämne. . Återställd från: nj.gov
12. Yamel Mattarollo. (2015, 26 augusti). Industriella tillämpningar av industriellt syre. Återställd från: altecdust.com