Аллотропы кислорода
Известно аллотропов кислорода . несколько Самый известный из них — молекулярный кислород ( O 2 ), присутствующий в значительных количествах в атмосфере Земли и также известный как дикислород или триплетный кислород . Другой - высокореактивный озон ( О 3 ). Другие:
- Атомарный кислород ( О 1 ), свободный радикал .
- Синглетный кислород ( O *
2 ), одно из двух метастабильных состояний молекулярного кислорода. - Тетракислород ( O 4 ), еще одна метастабильная форма.
- Твердый кислород , существующий в шести фазах разного цвета, одна из которых — октакислород ( O 8 , красный кислород) и еще один металлический (ζ-кислород).
Атомарный кислород
[ редактировать ]Атомарный кислород, обозначаемый O или O 1 , очень реакционноспособен, поскольку отдельные атомы кислорода имеют тенденцию быстро связываться с близлежащими молекулами. Его электронное состояние с самой низкой энергией представляет собой спиновый триплет , обозначаемый термином «символ». 3 П. На поверхности Земли в естественных условиях существует очень короткое время. В космическом пространстве присутствие обильного ультрафиолетового излучения приводит к образованию атмосферы на низкой околоземной орбите , в которой 96% кислорода находится в атомарной форме. [1]
Атомарный кислород был обнаружен на Марсе « Маринером » , «Викингом » и обсерваторией СОФИЯ . [2]
Дикислород
[ редактировать ]
Распространенный на Земле аллотроп элементарного кислорода, O 2 обычно известен как кислород, но его можно называть дикислородом , двухатомным кислородом , молекулярным кислородом , диоксидом или газообразным кислородом , чтобы отличить его от самого элемента и от трехатомного аллотропного озона . О 3 . Элементарный кислород, являющийся основным компонентом (около 21% по объему) земной атмосферы , чаще всего встречается в двухатомной форме. Аэробные организмы используют атмосферный диоксид кислорода в качестве конечного окислителя клеточного дыхания для получения химической энергии . Основное состояние дикислорода известно как триплетный кислород . 3 [O 2 ] , поскольку у него есть два неспаренных электрона. Первое возбужденное состояние — синглетный кислород . 1 [O 2 ] не имеет неспаренных электронов и метастабилен . Дублетное ионе состояние требует нечетного числа электронов и поэтому не может возникнуть в диоксиде без присоединения или потери электронов, например, в супероксида ( O - 2 ) или диоксигенильный ион ( О + 2 ).
Основное состояние O 2 имеет длину связи 121 пм и энергию связи 498 кДж/моль. [3] Это бесцветный газ с температурой кипения -183 ° C (90 К; -297 ° F). [4] Его можно конденсировать из воздуха путем охлаждения жидким азотом, температура кипения которого составляет -196 ° C (77 K; -321 ° F). Жидкий кислород имеет бледно-голубой цвет и явно парамагнитен из-за неспаренных электронов; жидкий кислород, содержащийся в колбе, подвешенной на веревке, притягивается к магниту.
Синглетный кислород
[ редактировать ]Синглетный кислород — это общее название, используемое для двух метастабильных состояний молекулярного кислорода ( O 2 в основном состоянии ) с более высокой энергией, чем триплетный кислород . Из-за различий в электронных оболочках синглетный кислород имеет другие химические и физические свойства, чем триплетный кислород, включая поглощение и излучение света на разных длинах волн. Он может генерироваться в фотосенсибилизированном процессе путем передачи энергии от молекул красителей, таких как бенгальский розовый , метиленовый синий или порфирины , или в результате химических процессов, таких как спонтанное разложение триоксида водорода в воде или реакция перекиси водорода с гипохлоритом .
Озон
[ редактировать ]Трехатомный кислород (озон, O3 стандартных ) — очень реакционноспособный аллотроп кислорода, представляющий собой бледно-голубой газ при температуре и давлении . Жидкие и твердые O 3 имеют более глубокий синий цвет, чем обычный. O 2 , они нестабильны и взрывоопасны. [5] [6] В газовой фазе озон разрушает такие материалы, как резина и ткань , и повреждает легочную ткань. [7] Его следы можно обнаружить по резкому хлороподобному запаху. [4] исходящий от электродвигателей , лазерных принтеров и копировальных аппаратов , поскольку он образуется всякий раз, когда воздух подвергается электрическому разряду. назвал его «озоном» В 1840 году Кристиан Фридрих Шёнбейн . [8] от древнегреческого ὄζειν (озеин: «пахнуть») плюс суффикс -on , обычно используемый в то время для обозначения производного соединения и переведенный на английский язык как -one . [9]
Озон термодинамически нестабилен и имеет тенденцию реагировать с образованием более распространенной формы дикислорода. Он образуется в результате реакции интактных O 2 с атомарным кислородом, образующимся при УФ-излучения в верхних слоях атмосферы. расщеплении Около 2 . [5] Озон сильно поглощает ультрафиолет, а в стратосфере действует как щит биосферы от мутагенных и других повреждающих эффектов солнечного УФ-излучения (см. Озоновый слой ). [5] Тропосферный озон образуется у поверхности Земли в результате фотохимического распада диоксида азота в выхлопных газах автомобилей . [10] Приземный озон является загрязнителем воздуха , который особенно вреден для пожилых людей, детей и людей с заболеваниями сердца и легких, такими как эмфизема , бронхит и астма . [11] Иммунная система вырабатывает озон как противомикробное средство (см. ниже). [12]
Циклический озон
[ редактировать ]Циклический озон является теоретически предсказанным Молекула O 3 , в которой три атома кислорода соединены в равносторонний треугольник вместо открытого угла.
Тетракислород
[ редактировать ]Предполагалось, что тетракислород существует с начала 1900-х годов, когда он был известен как оксозон. Он был идентифицирован в 2001 году командой под руководством Фульвио Какаче из Римского университета. [13] Молекула Считалось, что O 4 находится в одной из фаз твердого кислорода, позже идентифицированного как О 8 . Команда Какаче предположила, что О 4, вероятно, состоит из двух гантелеобразных Молекулы O 2 слабо удерживаются вместе индуцированными дипольными дисперсионными силами.
Фазы твердого кислорода
[ редактировать ]Известно шесть различных фаз твердого кислорода. Один из них темно-красный. О 8 Кластер . Когда кислород подвергается давлению 96 ГПа, он становится металлическим , подобно водороду . [14] и становится более похожим на более тяжелые халькогены , такие как селен (демонстрирующий розово-красный цвет в своем элементарном состоянии), теллур и полоний , оба из которых демонстрируют значительный металлический характер. При очень низких температурах эта фаза также становится сверхпроводящей .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Из воздуха». Архивировано 23 июня 2017 г. на Wayback Machine .NASA.gov. 17 февраля 2011 г.
- ^ Белл, Кассандра (6 мая 2016 г.). «Летающая обсерватория обнаружила атомарный кислород в атмосфере Марса» . НАСА . Архивировано из оригинала 8 ноября 2020 года . Проверено 30 сентября 2021 г.
- ^ Чи, Чунг. «Длины и энергии связей» . Университет Ватерлоо. Архивировано из оригинала 14 декабря 2007 года . Проверено 16 декабря 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Учебник по химии: аллотропы. Архивировано 17 ноября 2021 г. в Wayback Machine на сайте AUS-e-TUTE.com.au.
- ^ Jump up to: а б с Лучший 1939 год
- ^ Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри (1972). Продвинутая неорганическая химия: подробный текст . (3-е издание). Нью-Йорк, Лондон, Сидней, Торонто: Публикации Interscience. ISBN 0-471-17560-9 .
- ^ Ствертка 1998 , стр.48.
- ^ Кристиан Фридрих Шенбейн, О производстве озона химическими средствами. Архивировано 30 июня 2020 г. в Wayback Machine , стр. 3, Базель: книжный магазин Швайгхаузера, 1844 год.
- ^ «Озон», Оксфордский онлайн-словарь английского языка, получено 29 июня 2020 г.
- ^ Ствертка 1998 , стр.49.
- ^ «Кто больше всего подвержен риску воздействия озона?» . airnow.gov. Архивировано из оригинала 17 января 2008 года . Проверено 6 января 2008 г.
- ^ Пол Вентворт младший; Джонатан Э. Макданн; Анита Д. Вентворт; Синди Такеучи; Хорхе Ньева; Тереза Джонс; Кристина Баутиста; Джули М. Руди; Абель Гутьеррес; Ким Д. Янда; Бернар М. Бабиор ; Альберт Эшенмозер; Ричард А. Лернер (13 декабря 2002 г.). «Доказательства катализируемого антителами образования озона при уничтожении бактерий и воспалении» . Наука . 298 (5601): 2195–2199. Бибкод : 2002Sci...298.2195W . дои : 10.1126/science.1077642 . ПМИД 12434011 . S2CID 36537588 .
- ^ Какаче, Фульвио (2001). «Экспериментальное обнаружение тетракислорода». Angewandte Chemie, международное издание . 40 (21): 4062–4065. doi : 10.1002/1521-3773(20011105)40:21<4062::AID-ANIE4062>3.0.CO;2-X . ПМИД 12404493 .
- ^ Питер П. Эдвардс; Фридрих Хензель (14 января 2002 г.). «Металлический кислород». ХимияФизХим . 3 (1): 53–56. doi : 10.1002/1439-7641(20020118)3:1<53::AID-CPHC53>3.0.CO;2-2 . ПМИД 12465476 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Паркс, Джорджия; Меллор, JW (1939). Современная неорганическая химия Меллора (6-е изд.). Лондон: Лонгманс, Грин и Ко.
- Ствертка, Альберт (1998). Путеводитель по элементам (пересмотренная ред.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-508083-1 .
- Теоретический анализ одних и лид-реф на других: Гаджиев Олег Б.; Игнатов Станислав К.; Куликов Михаил Юрьевич; Фейгин, Александр М.; Разуваев Алексей Георгиевич; Сенников Петр Георгиевич; Шремс, Отто (2013). «Структура, энергия и частоты колебаний аллотропов кислорода O n ( n ≤ 6) в ковалентно связанных и ван-дер-ваальсовых формах: Ab initio исследование на уровне CCSD (T)» (PDF) . Дж. Хим. Теория вычислений . 9 (1): 247–262. дои : 10.1021/ct3006584 . ПМИД 26589027 .