اکسیژن

اکسیژن

اکسیژن عنصر شیمیایی با نماد O و عدد اتمی 8 است. اکسیژن عضوی از گروه کالکوژن در جدول تناوبی است، یک نافلز بسیار واکنش‌پذیر و یک عامل اکسید کننده است که به آسانی با اکثر عناصر و همچنین با سایر ترکیبات اکسید می‌شود. اکسیژن فراوان ترین عنصر زمین است و پس از هیدروژن و هلیوم، سومین عنصر فراوان در جهان است. در دما و فشار استاندارد، دو اتم عنصر به هم متصل می‌شوند و دی‌اکسیژن را تشکیل می‌دهند که گازی بی‌رنگ و بی‌بو با فرمول  O2 است. گاز اکسیژن دو اتمی در حال حاضر 20.95 درصد جو زمین را تشکیل می‌دهد، اگرچه این میزان در طی دوره‌های زمانی طولانی به طور قابل توجهی تغییر کرده است. اکسیژن تقریباً نیمی از پوسته زمین را به شکل اکسید تشکیل می‌دهد. بسیاری از کلاس‌های اصلی مولکول‌های آلی در موجودات زنده حاوی اتم‌های اکسیژن مانند پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک، کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها دیده می‌شوند، همانطور که در ترکیبات معدنی اصلی پوسته، دندان‌ها و استخوان حیوانات نیز دیده می‌شود. بیشتر توده موجودات زنده را اکسیژن به عنوان جزئی از آب تشکیل می‌دهند که اصلی‌ترین تشکیل دهنده شکل‌های حیات است. اکسیژن به طور مداوم در جو زمین توسط فتوسنتز دوباره پر می‌شود که از انرژی نور خورشید برای تولید اکسیژن از آب و دی اکسید کربن استفاده می‌کند. اکسیژن از نظر شیمیایی بسیار واکنش‌پذیر است و نمی‌تواند به عنوان یک عنصر آزاد در هوا باقی بماند، بدون اینکه به طور مداوم توسط عمل فتوسنتزی موجودات زنده دوباره پر شود. شکل دیگر (آلوتروپ) اکسیژن، ازن (O3)، اشعه ماوراء بنفش UVB را به شدت جذب می‌کند و لایه ازن در ارتفاع بالا به محافظت از بیوسفر در برابر اشعه ماوراء بنفش کمک می‌کند. با این حال، ازن موجود در سطح محصول فرعی مه دود و در نتیجه یک آلاینده است.

کیمیاگر، فیلسوف و پزشک لهستانی، مایکل سندیوگیوس (Michał Sędziwój) در اثر خود De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia  depromti (1604)  ماده موجود در هوا را توصیف کرده و از آن به عنوان "cifood lifeae" یاد می‌کند و به گفته رومن بوگای مورخ لهستانی، این ماده با اکسیژن یکسان است.

Sendivogius طی آزمایش‌هایی که بین سال‌های 1598 و 1604 انجام داد، به درستی تشخیص داد که این ماده معادل محصول فرعی گازی است که از تجزیه حرارتی نیترات پتاسیم آزاد می‌شود. از نظر بوگاج، جداسازی اکسیژن و ارتباط مناسب این ماده با آن قسمت از هوا که برای حیات لازم است، شواهد کافی برای کشف اکسیژن توسط Sendivogius فراهم می‌کند. با این حال، این کشف سندیوگیوس اغلب توسط نسل‌های دانشمندان و شیمی‌دانان پس از او رد شد. همچنین معمولاً ادعا می‌شود که اکسیژن اولین بار توسط داروساز سوئدی کارل ویلهلم شیله کشف شد. او گاز اکسیژن را با گرم کردن اکسید جیوه (HgO) و نیترات‌های مختلف در سال‌های 72-1771 تولید کرده بود. شیل گاز را "هوای آتش" نامید زیرا در آن زمان تنها عامل شناخته شده‌ای بود که از احتراق پشتیبانی می‌کرد. او گزارشی از این کشف را در نسخه‌ای خطی با عنوان رساله در مورد هوا و آتش نوشت که در سال 1775 برای ناشر خود فرستاد. آن سند در سال 1777 منتشر شد. در همین حال، در 1 اوت 1774، آزمایشی که توسط روحانی بریتانیایی جوزف پریستلی انجام شد، نور خورشید را بر روی اکسید جیوه موجود در یک لوله شیشه‌ای متمرکز کرد، که گازی را آزاد کرد که او آن را "هوای دفلوژیستیک" نامید. وی خاطرنشان کرد که شمع‌ها در گاز روشن‌تر می‌سوزند و موش در هنگام تنفس آن فعال‌تر است و عمر طولانی‌تری دارد. پریستلی پس از تنفس خود گاز نوشت: «احساس آن در ریه‌های من تفاوت معقولی با احساس هوای معمولی نداشت، اما در سینه‌ام به‌طور عجیبی سبکی و آسان بودن تنفس را تا مدتی بعد احساس می‌کردم». پریستلی نظریه خود را منتشر کرد. یافته‌ها در سال 1775 در مقاله‌ای با عنوان «گزارشی از اکتشافات بیشتر در هوا» که در جلد دوم کتاب او با عنوان آزمایش‌ها و مشاهدات در مورد انواع مختلف هوا گنجانده شد. از آنجایی که او ابتدا یافته‌های خود را منتشر کرد، معمولاً پریستلی در اولویت کشف اکسیژن قرار می‌گیرد. شیمیدان فرانسوی Antoine Laurent Lavoisier بعدها ادعا کرد که این ماده جدید را به طور مستقل کشف کرده است. پریستلی در اکتبر 1774 از لاووازیه دیدن کرد و در مورد آزمایش خود و چگونگی آزادسازی گاز جدید به او گفت. Scheele همچنین در 30 سپتامبر 1774 نامه‌ای به Lavoisier ارسال کرده بود که در آن کشف ماده ناشناخته قبلی توسط او توضیح داده شده بود، اما Lavoisier  هرگز دریافت آن را تایید نکرد. (یک نسخه از نامه پس از مرگ شیل در وسایل او پیدا شد).

در دما و فشار استاندارد، اکسیژن گازی بی‌رنگ، بی بو و بی مزه است که به عنوان دی اکسیژن نامیده می‌شود. برای تشکیل دی اکسیژن، دو اتم اکسیژن از نظر شیمیایی به یکدیگر متصل هستند. این پیوند را می‌توان بر اساس سطح تئوری به شکل‌های مختلفی توصیف کرد، اما به طور منطقی و ساده به عنوان یک پیوند دوگانه کووالانسی توصیف می‌شود که از پر شدن اوربیتال‌های مولکولی تشکیل شده از اوربیتال‌های اتمی اتم‌های اکسیژن منفرد، که پر شدن آن منجر به یک پیوند می‌شود، توصیف می‌شود. سفارش دو به طور خاص، پیوند دوگانه نتیجه پر شدن متوالی، کم به بالا، یا Aufbau، اوربیتال‌ها، و در نتیجه لغو مشارکت الکترون‌های 2s، پس از پر شدن متوالی اوربیتال های σ و σ* پایین است. همپوشانی σ دو اوربیتال 2 p اتمی که در امتداد محور مولکولی O-O قرار دارند و همپوشانی π دو جفت اوربیتال 2 p اتمی عمود بر محور مولکولی O-O و سپس لغو مشارکت دو الکترون 2 p باقی مانده پس از جزئی آنها است. پر شدن اوربیتالهای π*.این ترکیبی از لغو و همپوشانی σ و π منجر به ویژگی پیوند دوگانه و واکنش‌پذیری دی اکسیژن و حالت پایه الکترونیکی سه گانه می‌شود. پیکربندی الکترونی با دو الکترون جفت‌نشده، همانطور که در اوربیتال‌های دی‌اکسیژن یافت می‌شود که انرژی برابری دارند - یعنی منحط - یک پیکربندی است که حالت سه‌گانه اسپین نامیده می‌شود. از این رو، وضعیت پایه O مولکول 2 به عنوان اکسیژن سه گانه نامیده می‌شود. اوربیتال های پر انرژی و تا حدی پر شده ضد پیوند هستند و بنابراین پر شدن آنها ترتیب پیوند را از سه به دو تضعیف می‌کند. به دلیل الکترون‌های جفت‌نشده‌اش، اکسیژن سه‌گانه تنها به آرامی با بیشتر مولکول‌های آلی که دارای اسپین‌های الکترونی جفتی هستند، واکنش نشان می‌دهد. این از احتراق خود به خودی جلوگیری می‌کند.  اکسیژن مایع به دلیل پارامغناطیس بودن به طور موقت در آهنربا معلق است. در شکل سه گانه، O2  مولکول پارامغناطیس هستند. به این معنا که وقتی اکسیژن در حضور میدان مغناطیسی باشد، به دلیل گشتاورهای مغناطیسی اسپین الکترون‌های جفت نشده در مولکول و انرژی تبادل منفی بین O همسایه، ویژگی مغناطیسی می‌دهند. اکسیژن مایع به قدری مغناطیسی است که در آزمایش‌های آزمایشگاهی، پلی از اکسیژن مایع ممکن است در برابر وزن خود بین قطب‌های یک آهنربای قدرتمند قرار گیرد. اکسیژن تک نامی است که به چندین گونه با انرژی بالاتر از مولکولی O2 داده شده است که در آن تمام اسپین‌های الکترون جفت شده‌اند. واکنش آن با مولکول‌های آلی معمولی بسیار بیشتر از اکسیژن مولکولی معمولی (سه گانه) است. در طبیعت، اکسیژن منفرد معمولاً از آب در طی فتوسنتز و با استفاده از انرژی نور خورشید تشکیل می‌شود. همچنین در تروپوسفر با فوتولیز ازن توسط نور با طول موج کوتاه و توسط سیستم ایمنی به عنوان منبع اکسیژن فعال تولید می‌شود. کاروتنوئیدهای موجود در ارگانیسم‌های فتوسنتزی (و احتمالاً حیوانات) نقش عمده‌ای در جذب انرژی از اکسیژن منفرد و تبدیل آن به حالت پایه تحریک‌ناپذیر قبل از اینکه به بافت‌ها آسیب برساند، بازی می‌کنند.

اکسیژن در آب آسانتر از نیتروژن و در آب شیرین آسانتر از آب دریا حل می‌شود. آب در حالت تعادل با هوا حاوی تقریباً 1 مولکول O2 محلول است. حلالیت اکسیژن در آب وابسته به دما است و تقریباً دو برابر (14.6 میلی گرم در لیتر) در دمای 0 درجه سانتیگراد نسبت به 20 درجه سانتیگراد (7.6 میلی گرم در لیتر) حل می شود. در دمای 25 درجه سانتی گراد و 1 اتمسفر استاندارد (101.3 کیلو پاسکال) هوا، آب شیرین می‌تواند حدود 6.04 میلی لیتراکسیژن در هر لیتر را حل کند و آب دریا حدود 4.95 میلی لیتر اکسیژن در هر لیتر حل می‌کند. در دمای 5 درجه سانتی‌گراد، حلالیت به 9.0 میلی لیتر (50 درصد بیشتر از دمای 25 درجه سانتیگراد) در لیتر برای آب شیرین و 7.2 میلی لیتر (45 درصد بیشتر) در هر لیتر برای آب دریا افزایش می‌یابد.

کاربردها

پزشکی

جذب اکسیژن  از هوا هدف اساسی تنفس است، بنابراین از مکمل اکسیژن در پزشکی استفاده می‌شود. درمان نه تنها باعث افزایش سطح اکسیژن در خون بیمار می‌شود، بلکه اثر ثانویه آن کاهش مقاومت در برابر جریان خون در بسیاری از انواع بیماری های ریوی بیمار و کاهش بار کاری بر روی قلب است. اکسیژن درمانی برای درمان آمفیزم، ذات‌الریه، برخی از اختلالات قلبی (نارسایی احتقانی قلب)، برخی اختلالات که باعث افزایش فشار شریان ریوی می‌شوند و هر بیماری که توانایی بدن در جذب و استفاده از اکسیژن گازی را مختل می‌کند، استفاده می‌شود.

صنعت

برای ذوب سنگ آهن و تبدیل به فولاد 55 درصد از اکسیژن تولیدی تجاری استفاده میشود . در این فرآیند،  اکسیژن از طریق لنس فشار بالا به آهن مذاب تزریق می‌شود که ناخالصی‌های گوگرد و کربن اضافی را به عنوان اکسیدهای مربوطه،  SO2   و CO2 حذف می‌کند. واکنش‌ها گرمازا هستند، بنابراین دما تا 1700 درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد.

روش‌های تولید اکسیژن

سالانه صد میلیون تن اکسیژن برای مصارف صنعتی با دو روش اولیه از هوا استخراج می‌شود. متداول‌ترین روش تقطیر جزئی هوای مایع است، با تقطیر نیتروژن به صورت بخار در حالی که اکسیژن  به صورت مایع باقی می‌ماند. روش اصلی دیگر تولید اکسیژن عبور جریانی از هوای تمیز و خشک از یک بستر از یک جفت غربال مولکولی زئولیت یکسان است که نیتروژن را جذب می‌کند و جریان گازی را که 90٪ تا 93٪  O2 است، تحویل می‌دهد. به طور همزمان، گاز نیتروژن از بستر دیگر زئولیت اشباع از نیتروژن با کاهش فشار عملیاتی محفظه و انحراف بخشی از گاز اکسیژن از بستر تولید کننده از طریق آن، در جهت معکوس جریان آزاد می‌شود. پس از یک دوره چرخه تعیین شده، عملکرد دو بستر تعویض می‌شود، در نتیجه امکان پمپاژ مداوم اکسیژن گازی از طریق خط لوله فراهم می‌شود. این به عنوان جذب نوسان فشار شناخته می‌شود. گاز اکسیژن به طور فزاینده‌ای توسط این فناوری‌های غیر برودتی به دست می‌آید.

متداول‎ترین روش تجاری برای تولید اکسیژن جداسازی هوا با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی یا فرآیند جذب نوسان خلاء است.

اکسیژن همچنین می‎تواند در نتیجه یک واکنش شیمیایی تولید شود که در آن اکسیژن از یک ترکیب شیمیایی آزاد شده و تبدیل به گاز می‎شود. این روش برای تولید مقادیر محدودی اکسیژن برای حمایت از حیات در زیردریایی‎ها، هواپیماها و فضاپیماها استفاده می‎شود.

هیدروژن و اکسیژن را می‎توان با عبور جریان الکتریکی از آب و جمع‎آوری این دو گاز در حباب ایجاد کرد. هیدروژن در انتهای منفی و اکسیژن در پایانه مثبت تشکیل می‎شود. به این روش الکترولیز می‎گویند و هیدروژن و اکسیژن بسیار خالص تولید می‎کند. با این حال، از مقدار زیادی انرژی الکتریکی استفاده می‎کند و برای تولید با حجم بالا مقرون به صرفه نیست.

بیشتر اکسیژن تجاری با استفاده از تغییری از فرآیند تقطیر برودتی که در ابتدا در سال 1895 توسعه یافته بود تولید می‌شود. این فرآیند اکسیژنی را تولید می‌کند که 99درصد خالص است. اخیرا، فرآیند جذب نوسان خلاء با کارآمدتر انرژی برای تعداد محدودی از کاربردها استفاده شده است که به اکسیژن با خلوص بیش از 90-93% نیاز ندارند.

در اینجا مراحلی که برای تولید اکسیژن تجاری از هوا با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی استفاده می‌شود، آورده شده است.

از آنجایی که این فرآیند از یک بخش برودتی بسیار سرد برای جداسازی هوا استفاده می‌کند، همه ناخالصی‌هایی که ممکن است جامد شوند - مانند بخار آب، دی اکسید کربن و برخی هیدروکربن‌های سنگین خاص - باید ابتدا حذف شوند تا از یخ زدن و مسدود شدن لوله‌های برودتی جلوگیری شود.

1. هوا در یک کمپرسور چند مرحله ای به حدود 94 psi (650 کیلو پاسکال یا 6.5 اتمسفر) فشرده می شود. سپس از یک پس کولر خنک شده با آب عبور می کند تا بخار آب را متراکم کند و آب تغلیظ شده در جداکننده آب خارج می شود.

2. هوا از یک جاذب غربال مولکولی عبور می کند. این جاذب حاوی جاذب های زئولیت و سیلیکا ژل است که دی اکسید کربن، هیدروکربن های سنگین تر و هر گونه اثر باقی مانده از بخار آب را به دام می اندازند. جاذب به صورت دوره‌ای شستشو داده می‌شود تا ناخالصی‌های به دام افتاده پاک شود. این کار معمولاً به دو جاذب نیاز دارد که به طور موازی کار کنند، به طوری که یکی می تواند به پردازش جریان هوا ادامه دهد در حالی که دیگری شستشو می شود.

3.  جریان هوای پیش تصفیه شده شکافته می شود. بخش کوچکی از هوا از طریق یک کمپرسور منحرف می‌شود و فشار آن افزایش می‌یابد. سپس سرد می شود و اجازه می دهد تا تا فشار اتمسفر تقریبا منبسط شود. این انبساط به سرعت هوا را خنک می‌کند که به بخش برودتی تزریق می شود تا دماهای سرد مورد نیاز برای عملکرد را فراهم کند.

4. جریان اصلی هوا از یک طرف یک جفت مبدل حرارتی باله صفحه‎ای که به صورت سری کار می‏کنند عبور می‎کند، در حالی که اکسیژن و نیتروژن بسیار سرد از بخش برودتی از طرف دیگر عبور می‎کند. جریان هوای ورودی سرد می‎شود، در حالی که اکسیژن و نیتروژن گرم می‎شوند. در برخی عملیات ممکن است هوا با عبور دادن آن از شیر انبساط به جای مبدل دوم حرارتی خنک شود. در هر دو حالت، دمای هوا تا نقطه‏ای کاهش می‎یابد که اکسیژن که بالاترین نقطه جوش را دارد، شروع به مایع شدن می‎کند.

5. جریان هوا - که اکنون بخشی از آن مایع و بخشی از گاز است - وارد پایه ستون شکاف فشار بالا می‎شود. همانطور که هوا در مسیر خود به سمت ستون حرکت می‎کند، گرمای اضافی را از دست می‎دهد. اکسیژن به مایع شدن ادامه می‌دهد و مخلوطی غنی از اکسیژن در پایین ستون تشکیل می‌دهد، در حالی که بیشتر نیتروژن و آرگون به صورت بخار به سمت بالا جریان می‌یابد.

6. مخلوط اکسیژن مایع که اکسیژن مایع خام نامیده می‏شود، از پایین ستون شکنش پایینی بیرون کشیده می‏شود و بیشتر در ساب کولر خنک می‏شود. بخشی از این جریان اجازه می‌دهد تا فشار تقریبا اتمسفر منبسط شود و به ستون شکنش فشار پایین وارد می‌شود. همانطور که اکسیژن مایع خام به سمت پایین ستون حرکت می‏کند، بیشتر نیتروژن و آرگون باقیمانده از هم جدا می‎شوند و 5/99% اکسیژن خالص در پایین ستون باقی می‏مانند.

اکسیژن در پایین ستون کم فشار حدود 5/99درصد خالص است. واحدهای تقطیر برودتی جدیدتر برای بازیابی بیشتر آرگون از ستون کم فشار طراحی شده اند و این خلوص اکسیژن را تا حدود 8/99 درصد بهبود می بخشد.

در صورت نیاز به خلوص بالاتر، ممکن است یک یا چند ستون شکنش اضافی همراه با ستون کم فشار اضافه شود تا محصول اکسیژن بیشتر تصفیه شود. در برخی موارد، اکسیژن ممکن است از روی یک کاتالیزور عبور داده شود تا هر هیدروکربن را اکسید کند. این فرآیند دی اکسید کربن و بخار آب تولید می کند که سپس جذب و خارج می شود.

منابع:

"Standard Atomic Weights: Oxygen". CIAAW. 2009.

 Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 0-8493-0464-4.

 Atkins, P.; Jones, L.; Laverman, L. (2016).Chemical Principles, 7th edition. Freeman. ISBN 978-1-4641-8395-9

 Jastrow, Joseph (1936). Story of Human Error. Ayer Publishing. p. 171. ISBN 978-0-8369-0568-7. Archived from the original on October 1, 2021. Retrieved August 23, 2020.

 Cook & Lauer 1968, p. 499.

 Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Mayow, John" . Encyclopædia Britannica. Vol. 17 (11th ed.). Cambridge University Press. pp. 938–39.

 "John Mayow". World of Chemistry. Thomson Gale. 2005. ISBN 978-0-669-32727-4. Archived from the original on April 17, 2020. Retrieved December 16, 2007.

 Emsley 2001, p. 299

 Best, Nicholas W. (2015). "Lavoisier's 'Reflections on Phlogiston' I: Against Phlogiston Theory". Foundations of Chemistry. 17 (2): 137–51. doi:10.1007/s10698-015-9220-5. S2CID 170422925.

 Morris, Richard (2003). The last sorcerers: The path from alchemy to the periodic table. Washington, D.C.: Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-08905-0.

 Marples, Frater James A. "Michael Sendivogius, Rosicrucian, and Father of Studies of Oxygen" (PDF). Societas Rosicruciana in Civitatibus Foederatis, Nebraska College. pp. 3–4. Archived (PDF) from the original on May 8, 2020. Retrieved May 25, 2018.

 Bugaj, Roman (1971). "Michał Sędziwój – Traktat o Kamieniu Filozoficznym". Biblioteka Problemów (in Polish). 164: 83–84. ISSN 0137-5032. Archived from the original on October 1, 2021. Retrieved August 23, 2020.

 "Oxygen". RSC.org. Archived from the original on January 28, 2017. Retrieved December 12, 2016.

 Cook & Lauer 1968, p. 500

 Emsley 2001, p. 300

 Priestley, Joseph (1775). "An Account of Further Discoveries in Air". Philosophical Transactions. 65: 384–94. doi:10.1098/rstl.1775.0039.

 Parks, G. D.; Mellor, J. W. (1939). Mellor's Modern Inorganic Chemistry (6th ed.). London: Longmans, Green and Co.

 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 793. ISBN 978-0-08-037941-8.

 DeTurck, Dennis; Gladney, Larry; Pietrovito, Anthony (1997). "Do We Take Atoms for Granted?". The Interactive Textbook of PFP96. University of Pennsylvania. Archived from the original on January 17, 2008. Retrieved January 28, 2008.

 Roscoe, Henry Enfield; Schorlemmer, Carl (1883). A Treatise on Chemistry. D. Appleton and Co. p. 38.