Թթվածին

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
8 ԱզոտԹթվածինՖտոր
Ջրածին Հելիում Լիթիում Բերիլիում Բորр Ածխածին Ազոտ Թթվածին Ֆտոր Նեոն Նատրիում Մագնեզիում Ալյումին Սիլիցիում Ֆոսֆոր Ծծումբ Քլոր Արգոն Կալիում Կալցիում Սկանդիում Տիտան Վանադիում Քրոմ Մանգան Երկաթ Կոբալտ Նիկել Պղինձ Ցինկ Գալիում Գերմանիում Արսեն Սելեն Բրոմ Կրիպտոն Ռուբիդիում Ստրոնցիում Իտրիում Ցիրկոնիում Նիոբիում Մոլիբդեն Տեխնեցիում Ռութենիում Ռոդիում Պալադիում Արծաթ Կադմիում Ինդիում Անագ Ծարիր Թելուր Յոդ Քսենոն Ցեզիում Բարիում Լանթան Ցերիում Պրազեոդիում Նեոդիում Պրոմեթիում Սամարիում Եվրոպիում Գադոլինիում Տերբիում Դիսպրոզիում Հոլմիում Էրբիում Թուլիում Իտերբիում Լյուտեցիում Հաֆնիում Տանտալ Վոլֆրամ Ռենիում Օսմիում Իրիդիում Պլատին Ոսի Սնդիկ Թալիում Կապար Բիսմունտ Պոլոնիում Աստատ Ռադոն Ֆրանցիում Ռադիում Ակտինիում Թորիում Պրոտակտիում Ուրան Նեպտունիում Պլուտոնիում Ամերիցիում Կյուրիում Բերկլիում Կալիֆորնիում Էյնշտեյնիում Ֆերմիում Մենդելեևիում Նոբելիում Լոուրենցիում Ռեզերֆորդիում Դուբնիում Սիբորգիում Բորիում Հասիում Մեյտներիում Դարմշտադտիում Ռենտգենիում Կոպերնիցիում Ունունտրիում Ֆլերովիում Ունունպենտիում Լիվերմորիում Ունունսեպտիում ՈւնունօկտիումՔիմիական տարրերի պարբերական համակարգ
8O
Cubic.svg
Electron shell 008 Oxygen.svg
Պարզ նյութի արտաքին տեսք
Հեղուկ թթվածին Անգույն, անհամ, անհոտ գազ
Oxygen spectre.jpg
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ Թթվածին/ Oxygenium (Oxygen)(O), 8
Ատոմային զանգված
(մոլային զանգված)
[15,99903; 15,99977][1] զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա [He] 2s2 2p4
Ատոմի շառավիղ 60 (48) պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտային շառավիղ 73 պմ
Իոնի շառավիղ 132 (-2e) պմ
Էլեկտրաբացասականություն 3,44 (Պոլինգի սանդղակ)
Էլեկտրոդային պոտենցիալ 0
Օքսիդացման աստիճաններ -2, −1, -½, -⅓, 0, ½, +1, +2
Իոնիզացման էներգիա
(առաջին էլեկտրոն)
 1313,1 (13,61) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Խտություն (ս. պ.-ում) 0,00142897 գ/սմ³
Մոլյար ջերմունակություն 29,4[2] Ջ/(Կ·մոլ)
Մոլային ծավալ 14,0 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղացանց
Բյուրեղացանցի տվյալներ a=5,403 b=3,429 c=5,086 β=135,53
Դեբայի ջերմաստիճան 155 Կ
Այլ հատկություններ
Ջերմահաղորդականություն (300 Կ) 0,027 Վտ/(մ·Կ)
8
Թթվածին
O
15,999
2s22p4

Թթվածին (լատ.՝ Oxygenium), պարբերական համակարգի 2-րդ պարբերության, 6-րդ խմբի քիմիական տարր, կարգահամարը՝ 8, ատոմական զանգվածը՝ 15,9994։ Ատոմի էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքը ls22s22p4 է։ Սովորական պայմաններում (0 °C, 760 մմ սնդիկի սյուն) թթվածինը անգույն, անհոտ և անհամ գազ է։

Թթվածինը ամենատարածված քիմիական տարրն է Երկրի վրա։ Կապված թթվածինը կազմում է Երկրի ջրային շերտի զանգվածի 6/7 մասը (85,82 % ըստ զանգվածի), մթնոլորտում, որտեղ նա գտնվում է ազատ վիճակում, պարունակությամբ երկրորդն է (23,15 % ըստ զանգվածի) ազոտից հետո։ Փոփոխությունը օդում 0,1 % -ից չի անցնում։ Մթնոլորտում թթվածնի կորուստը օքսիդացման, այրման, նեխման և շնչառության պատճառով լրացվում է ֆոտոսինթեզով։ Թթվածինը առաջին տեղն է առաջացրած միներալների թվով (1364), որոնց մեջ թթվածնի պարունակությամբ գերակշռում են սիլիկատները, քվարցը, երկաթի օքսիդները, կարբոնատները և սուլֆատները։

Թթվածինը մտնում է բոլոր այն նյութերի բադադրության մեջ, որոնցից կազմված են կենդանի օրգանիզմները, օրինակ, մարդու օրգանիզմը պարունակում է մոտավորապես 65 % թթվածին։ Ունի երեք կայուն իզոտոպ՝ Օ16 (99,75 %), Օ17 (0,037 %) և Օ18 (0,204 %)։ Արհեստականորեն ստացվել են 14, 15 և 19 զանգվածի թվերով ռադիոակտիվ իզոտոպներ։ Թթվածնի բոլոր իզոտոպների միջուկները կազմված են 8 պրոտոնից և համապատասխանաբար 6, 7, 8, 9, 10 և 11 նեյտրոնից, իսկ էլեկտրոնային թաղանթը՝ երկու ներքին և վեց արտաքին էլեկտրոններից։

Նախկինում թթվածնի ատոմին միացություններում վերագրվում էր բացասական 2 լիցք։ Սակայն, ինչպես ցույց տվեցին փորձնական տվյալները, Օ−2 իոն գոյություն չունի ոչ ազատ վիճակում, ոչ էլ միացություններում և թթվածնի բացասական էֆեկտիվ լիցքը չի անցնում մեկից։

Հանդես է գալիս երկու ալոտրոպ ձևափոխությունների տեսքով՝ թթվածին (O2) և օզոն (O3

Բացահայտման պատմություն[խմբագրել]

Առաջին անգամ միմյանցից անկախ թթվածինը ստացել են շվեդ, գիտնական Շեելեն (1769-1970 թվականին՝ մագնեզիումի նիտրատի, թորակների ջերմային քայքայումից) և անգլիացի գիտնական Պրիստելին (1774 թվականին՝ սնդիկի օքսիդի և սուսրի տաքացումից).

\mathsf{ 2HgO \ \xrightarrow{^ot} \ 2Hg + O_2 \uparrow}

Անվան ծագում[խմբագրել]

1775 թվականին Ա. Լավաազիեն հաստատեց օդի բաղադրությունը, ցույց տվեց, որ թթվածինը համարվում է թթուների բաղադրիչ մասը և անվանեց այն oxygene - «թթու առաջացնող» (հին հուն․՝ ὀξύς - «թթու» և γεννάω — «ծնում եմ»), այստեղից էլ հայերեն «թթվածին» անվանումը։

Բնության մեջ[խմբագրել]

Երկիր մոլորակի օդային մթնոլորտը կազմված է հիմնականում երկու գազից՝ թթվածնից (O2) և ազոտից (N2)։ Օդի բաղադրությունում թթվածնի ծավալային բաժինը 20,93 % է, իսկ զանգվածայինը՝ 23,15 %։ Սակայն թթվածնի հիմնական զանգվածը մեր մոլորակում պարունակվում է տարբեր միացությունների (բարդ նյութերի) բաղադրությունում։ Երկրագնդի ջրապաշարներում թթվածնի զանգվածային բաժինը 85,82 % է, ավազում՝ 53 %, կավերում, լեռնային ապարներում ու հանքերում՝ մոտավորապես 56 %։ Բոլոր կենդանի օրգանիզմներում պարունակվող նյութերի (ճարպ, շաքար, սպիտակուց և այլն) բաղադրությունում առկա հիմնական տարրերից մեկը թթվածինն է։ Օրինակ՝ մարդու օրգանիզմում թթվածնի զանգվածային բաժինը 65 % է (իսկ ըստ ատոմների` 26 %)։

Օդում թթվածնի ծախսը հիմնականում պայմանավորված է նյութերի օքսիդացմամբ, այրմամբ, օրգանական նյութերի նեխմամբ ու կենդանի օրգանիզմների շնչառությամբ։ Սակայն ծախսված թթվածինը վերականգնվում է լուսասինթեզի միջոցով, որը հիմնականում կատարվում է բույսերում։ Կանաչ բույսերում արևի լուսային էներգիան խթանում է ածխաթթու գազի (CO2) և ջրի (H2O) մոլեկուլների միջև քիմիական փոխազդեցություն, որի հետևանքով ածխաթթու գազի ծավալին հավասար թթվածին է անջատվում։ Այդ գործընթացում նաև մի շարք օրգանական միացություններ են առաջանում։ Թթվածինը բնության մեջ յուրօրինակ շրջապտույտ է կատարում։

Ստացում[խմբագրել]

Բնության մեջ թթվածնի ահռելի ծախսը լրացնում է ֆոտոսինթեզի ռեակցիան, որը ընթանում է լույսի և քլորոֆիլի պայմաններում.

\mathsf{ 6CO_2 + 6H_2O \rightarrow  C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \uparrow }

Արտադրության մեջ թթվածինը ստացվում է օդից։ Օդը սովորական ճնշման տակ -200°С սառեցնելիս՝ վեր է ածվում բաց երկնագույն հեղուկի, ապա զգույշ տաքացնում են -195°С-ում անջատվում է ազոտը, իսկ -183°С-ում անջատվում է թթվածինը։ Գազային թթվածինը պահում են պողպատե գլանանոթներում (բալոններում) 10-15 ՄՊԱ ճնշման տակ 1 մմ սնդիկի սյան, որը հավասար է 133,3 Պա։

Մաքուր թթվածին ստանում են նաև ջրի էլեկտրոլիզի (էլեկտրատարրալուծման) միջոցով.

\mathsf{ 2H_2O_2 \ \xrightarrow{MnO_2} \ 2H_2O + O_2 \uparrow }

Գազային թթվածինը սովորաբար պահում են պողպատե կապույտ գլանանոթներում (բալոններում)՝ 1-1,5 ՄՊա ճնշման տակ (1 ՄՊա = 103 կՊա = 106 Պա)։

Լաբորատորիայում թթվածինը ստանում են թթվածին պարունակող բարդ նյութերի քայքայումից.

\mathrm{2\,BaO_2 \ \xrightarrow{700\,^{\circ}C} \ 2\, BaO + O_2}
~\mathrm{2H_2O\xrightarrow{NaOH^\circ }\ 2H_2 +O_2\uparrow}

Կալիումի պերմանգանատը (KMnO4) տաքացնելիս քայքայվում է` անգույն գազի (թթվածնի) անջատմամբ.

\mathsf{ 2KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2 \uparrow }

Ստացված թթվածինը կարելի է հավաքել օդը դուրս մղելու եղանակով, քանի որ թթվածնի խտությունը մեծ է օդի խտությունից։

Ջրածնի պերօքսիդով (H2O2) լցված փորձանոթը նույնիսկ ձեռքով տաքացնելիս այդ նյութը քայքայվում է.

\mathsf{ 2HgO \rightarrow 2Hg + O_2 \uparrow }

Այս ռեակցիան ավելի արագ է ընթանում մանգանի (IV) օքսիդ (MnO2) նյութի ներկայությամբ, որն անվանվում է կատալիզատոր (կատալիզորդ)։

Ֆիզիկական հատկություններ[խմբագրել]

Համաշխարհային օվիկանոում պարունակվում է առավել շատ սառը ջրում, իսկ ամենիչ քիչ տաք ջրում

Թթվածնին (երկթթվածնին)՝ որպես պարզ նյութի, ծանոթ չլինել չեք կարող, քանի որ բոլորս ենք այդ նյութը շնչում։ Հայտնի է, որ թթվածինը.

  • սովորական պայմաններում գազ է,
  • հոտ չունի,
  • անգույն է,
  • համ չունի,
  • եռում է -1830 °C ջերմաստիճանում,
  • պնդանում է -2190 °C ջերմաստիճանում,
  • հեղուկ և պինդ վիճակում երկնագույն է,
  • հեղուկ վիճակում դեպի մագնիսն է ձգվում

Թթվածնի խտությունը 0 °C ջերմաստիճանում և 101 կՊա ճնշման տակ հավասար է 1,43 գ/լ, ինչը 1,11 անգամ մեծ է օդի խտությունից։ Թթվածինը ջրում քիչ է լուծվում. 200 °C ջերմաստիճանում 100 ծավալ ջրում լուծվում է 3 ծավալ թթվածին, որն էլ, ապահովում է ջրային կենդանիների ու բույսերի շնչառությունը։

Ջերմաստիճանը բարձրացնելիս թթվածնի, ինչպես և՝ ցանկացած այլ գազի, լուծելիությունը ջրում նվազում է, իսկ իջեցնելիս՝ աճում։ Օրինակ՝ 0 °C ջերմաստիճանում թթվածնի լուծելիությունը 100 ծավալ ջրում 5 ծավալ է, և այդ հանգամանքի հետ է մասամբ կապված հյուսիսային ծովերի ձկնառատությունը։

Քիմիական հատկություններ[խմբագրել]

Թթվածինն ազատ վիճակում քիմիապես ակտիվ պարզ նյութերից է ու հեշտությամբ փոխազդում է մեծ թվով պարզ և բարդ նյութերի հետ։

Թթվածնի հետ անմիջականորեն փոխազդում են գրեթե բոլոր ոչ մետաղները` ֆտորից (F2), քլորից (Cl2), բրոմից (Br2) և յոդից (J2) բացի։

Փոխազդում է ածխի հետ։

\mathsf{ C + O_2 \rightarrow CO_2 \uparrow }

Կարևոր է նշել, որ թթվածնի պակասի դեպքում ածխի այրումից առաջանում է խիստ վտանգավոր գազ` ածխածնի (II) օքսիդ (CO` շմոլ գազ).

\mathsf{ 2C + O_2 \rightarrow 2CO \uparrow }

Սենյակային ջերմաստիճանում ծծումբը նույնիսկ մաքուր թթվածնում չի փոփոխվում, բայց օդում տաքացնելիս այրվում է թույլ երկնագույն բոցով։

\mathsf{ S + O_2 \rightarrow SO_2 \uparrow }

Փոխազդում է ֆոսֆորի հետ.

\mathsf{ 4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5 }

Այս ռեակցիան սկսելու համար անհրաժեշտ է բարձր ջերմաստիճան ռեակցիան ընթանում է ինքնաբերաբար` լույսի ու ջերմության անջատմամբ։

Թթվածնի հետ անմիջականորեն փոխազդում են նաև գրեթե բոլոր մետաղները, օրինակ` ոսկին (Au)։ Այդպիսի ռեակցիաներն սկսելու համար սովորաբար տաքացում է պահանջվում.

\mathsf{ 2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2 }

Օդում մագնեզիումը (Mg) այրվում է շլացուցիչ բոցով, ռեակցիայի հետևանքով առաջանում է սպիտակ փոշի՝ մագնեզիումի օքսիդ.

\mathsf{ 2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO }
\mathsf{ 3Fe + 2O_2 \rightarrow Fe_3O_4 }

Պղինձը (Cu) միանում է թթվածնին` առաջացնելով սև փոշի` պղնձի (II) օքսիդ (CuO).

\mathsf{ 2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO }
  • Թթվածնով օքսիդանում են նաև բարդ նյութերը.
\mathsf{ 2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3 }
\mathsf{ CH_4+ 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O }

Կիրառություն[խմբագրել]

Բալոններում խտացված մաքուր թթվածինը օգտագործվում է մեծ բարձրություններում և ստորգետնյա աշխատանքներում

Բազմազան են թթվածնի կիրառման բնագավառները. տեխնիկայում գործընթացների գրեթե 80 %-ն այս նյութի կիրառման վրա է հիմնված։

  • Մետաղների արտադրություն.

Դոմենային վառարանում թուջի ստացման գործընթացն արագացնելու նպատակով հաճախ թթվածնով հարստացված օդ է կիրառվում։ Մաքուր թթվածնում այրումն ընթանում է մոտ հինգ անգամ արագ, քան օդում։ Մեծ քանակությամբ թթվածին է օգտագործվում նաև պողպատահալման գործընթացում։

  • Մետաղների կտրում, զոդում ու եռակցում.

Ջրածինը (H2) թթվածնի հետ հատուկ այրիչներում այրելիս բոցի ջերմաստիճանը հասնում է մինչև 3200 °C, իսկ ացետիլեն (C2H2) օգտագործելիս` նույնիսկ մինչև 3500 °C։ Ացետիլենի այրման ռեակցիայի հավասարումն է.

\mathsf{ C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O }

Այդպիսի բոցն օգտագործվում է մետաղների կտրման (թթվածնի ավելցուկի պայմաններում), զոդման ու եռակցման նպատակներով։

  • Պայթեցումների իրականացում (օգտագործվում է հեղուկ թթվածին),
  • Շնչառության ապահովում (տիեզերանավերում, ինքնաթիռներում, սուզանավերում, բժշկության մեջ),
  • Բազմաթիվ քիմիական ռեակցիաների իրագործում,
  • Ազոտական ու ծծմբական թթուների, պարարտանյութերի և այլ նյութերի արտադրում,
  • Հրթիռային շարժիչների գործարկում (այստեղ ևս օգտագործվում է հեղուկ թթվածին),
  • Վառելանյութերի այրում (օգտագործվում է հատկապես մեծ քանակություններով թթվածին)։

Ամենակարևորը թթվածինը նպաստում է այրմանը և շնչառությանը։ Այն մեծ չափով նպաստում է մետալուրգիական գործընթացներին՝ թուջի, պողպատի, ինչպես նաև գունավոր մետաղների (Cu, Zn, Sn, Au) արտադրության համար։ Բժշկության մեջ ծանր հիվանդներին տալիս են թթվածին։ Թթվածին ծախսվում է մետաղների կտրման և եռակցման ժամանակ, սուզանավերում, տիեզերանավերում, ջրի տակ աշխատող մարդկանց համար։

Տես նաև[խմբագրել]

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (en) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 387. — 671 с. — 100 000 экз.

Արտաքին հղումներ[խմբագրել]