Το Οξυγόνο 🔥

Το 1969 το διαστημόπλοιο «Apollo 11» εκτοξεύτηκε από τη Γη με προορισμό τη Σελήνη. Η τεράστια ενέργεια που χρειάστηκε για την εκτόξευση προήλθε από την καύση κηροζίνης και υδρογόνου μέσα σε καθαρό οξυγόνο. Το οξυγόνο είναι ένα από τα πιο σημαντικά αέρια της ατμόσφαιρας — χωρίς αυτό δεν θα υπήρχαν ούτε καύσεις ούτε ζωή, όπως τη γνωρίζουμε.

Το χημικό στοιχείο οξυγόνο

Το οξυγόνο που αναπνέουμε στην ατμόσφαιρα υπάρχει σε μορφή μορίων. Κάθε μόριο οξυγόνου αποτελείται από δύο άτομα, γι' αυτό και γράφεται με τον χημικό τύπο $O_2$.

Το οξυγόνο είναι το πιο διαδεδομένο χημικό στοιχείο στον στερεό φλοιό της Γης, όπου βρίσκεται σε ποσοστό 47% w/w. Εκεί δεν το συναντάμε ελεύθερο, αλλά ενωμένο με άλλα στοιχεία, σχηματίζοντας χημικές ενώσεις (για παράδειγμα, στα πετρώματα και στα ορυκτά).

Παρασκευή οξυγόνου στο εργαστήριο

Το οξυγόνο μπορεί να παρασκευαστεί στο εργαστήριο με δύο κυρίως τρόπους:

• Με τη διάσπαση του νερού ($H_2O$) μέσω ηλεκτρόλυσης.
• Με τη διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου ($H_2O_2$), γνωστού και ως οξυζενέ.

Σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα τοποθετούμε 2 έως 3 mL οξυζενέ (υδατικό διάλυμα $H_2O_2$ 3% w/w) και προσθέτουμε λίγο πυρολουσίτη ($MnO_2$). Το μείγμα αναβράζει και παράγονται φυσαλίδες· ο αφρισμός αυτός οφείλεται στο οξυγόνο που παράγεται.

Κατά τη διάσπαση του $H_2O_2$ παράγονται νερό και οξυγόνο, όπως δείχνει η χημική εξίσωση:

Μεγάλες ποσότητες οξυγόνου παράγονται βιομηχανικά από τον αέρα. Ο αέρας υγροποιείται με ψύξη και συμπίεση, το οξυγόνο διαχωρίζεται με απόσταξη και στη συνέχεια αποθηκεύεται σε χαλύβδινα δοχεία υπό πίεση, τις οβίδες.

Ανίχνευση του οξυγόνου

Πώς μπορούμε να καταλάβουμε ότι ένα αέριο είναι πράγματι οξυγόνο; Παίρνουμε ένα μακρύ και λεπτό ξυλάκι (παρασχίδα), το ανάβουμε ώστε να δημιουργηθεί φλόγα και μετά το σβήνουμε, αφήνοντας όμως το άκρο του πυρωμένο (καύτρα). Αν εισαγάγουμε τη μισοσβησμένη παρασχίδα μέσα στον δοκιμαστικό σωλήνα όπου παράγεται οξυγόνο, παρατηρούμε ότι η παρασχίδα αναφλέγεται ξανά, δηλαδή ενισχύεται η καύση της.

Αυτή είναι μια χαρακτηριστική ιδιότητα του οξυγόνου: είναι απαραίτητο για τις καύσεις.

Φυσικές ιδιότητες του οξυγόνου

Το οξυγόνο είναι αέριο, άχρωμο και άοσμο. Διαλύεται στο νερό σε πολύ μικρή ποσότητα — αυτή όμως η ποσότητα είναι επαρκής για να αναπνέουν οι υδρόβιοι οργανισμοί.

Οξείδωση και καύση

Σχεδόν όλα τα χημικά στοιχεία αντιδρούν με το οξυγόνο και σχηματίζουν χημικές ενώσεις που ονομάζονται οξείδια. Αυτές οι αντιδράσεις ανήκουν σε μια μεγάλη κατηγορία χημικών αντιδράσεων, τις οξειδώσεις.

Δύο απλά πειράματα δείχνουν πώς σχηματίζονται τα οξείδια:

• Όταν θερμαίνουμε στον λύχνο ένα χάλκινο σύρμα, στην επιφάνειά του σχηματίζεται μια μαύρη ουσία, το οξείδιο του χαλκού (CuO):

• Όταν αναφλέγουμε σκόνη θείου σε πορσελάνινη κάψα, το θείο καίγεται με γαλάζια φλόγα και παράγεται διοξείδιο του θείου ($SO_2$):

Μια ακόμη γνωστή οξείδωση είναι αυτή του σιδήρου:

Οι οξειδώσεις κατά τις οποίες εμφανίζεται φλόγα και εκλύεται θερμότητα ονομάζονται καύσεις. Έχουμε ήδη γνωρίσει τις καύσεις του θείου, του υδρογόνου και του μαγνησίου:

Οι καύσεις, ως εξώθερμες αντιδράσεις, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας. Τα καύσιμα είναι συνήθως μείγματα ουσιών. Ένα παραδοσιακό καύσιμο είναι το κάρβουνο, που αποτελείται κυρίως από άνθρακα· από την καύση του παράγεται διοξείδιο του άνθρακα:

Το φυσικό αέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο. Η καύση του αποδίδεται με την εξίσωση:

Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για τη ζωή

Οι περισσότεροι οργανισμοί προσλαμβάνουν οξυγόνο για τη λειτουργία της κυτταρικής αναπνοής. Το οξυγόνο μεταφέρεται στα κύτταρα, όπου οξειδώνει τις ουσίες των τροφών, όπως τη γλυκόζη.

Η ενέργεια που ελευθερώνεται από αυτές τις οξειδώσεις χρησιμοποιείται από τους οργανισμούς για την ανάπτυξή τους και τις δραστηριότητές τους. Αυτές οι αντιδράσεις ονομάζονται πολλές φορές βιολογικές καύσεις, αν και δεν συνοδεύονται από φλόγα.

Το οξυγόνο που καταναλώνεται από τους οργανισμούς κατά την κυτταρική αναπνοή αναπληρώνεται στην ατμόσφαιρα από τη φωτοσύνθεση. Έτσι, η περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο διατηρείται σταθερή.

Από την ιστορία της Χημείας

Η ανακάλυψη του οξυγόνου αποδίδεται τόσο στον Σουηδό επιστήμονα Σέελε (Scheele) όσο και στον Βρετανό Πρίστλυ. Την ονομασία του όμως την πήρε από τον Γάλλο επιστήμονα Λαβουαζιέ, ο οποίος το μελέτησε συστηματικά:

Οξύ + γεννώ → οξυγόνο, δηλαδή «αυτό που παράγει οξύ».