ჟანგბადი (O) არის პერიოდული ცხრილის მე-16 (VIa) ჯგუფის არამეტალური ქიმიური ელემენტი. ეს არის უფერო, უსუნო და უგემოვნო გაზი, რომელიც აუცილებელია ცოცხალი ორგანიზმებისთვის - ცხოველები, რომლებიც აქცევენ მას ნახშირორჟანგად და მცენარეები, რომლებიც იყენებენ CO2, როგორც ნახშირბადის წყაროს და აბრუნებენ O 2 ატმოსფეროში. ჟანგბადი აყალიბებს ნაერთებს თითქმის ნებისმიერ სხვა ელემენტთან რეაქციით და ასევე აშორებს ქიმიურ ელემენტებს ერთმანეთთან შეკავშირებისგან. ხშირ შემთხვევაში, ამ პროცესებს თან ახლავს სითბოს და სინათლის გამოყოფა. ყველაზე მნიშვნელოვანი ჟანგბადის ნაერთია წყალი.
აღმოჩენის ისტორია
1772 წელს შვედმა ქიმიკოსმა კარლ ვილჰელმ შელემ პირველად აჩვენა ჟანგბადი კალიუმის ნიტრატის, ვერცხლისწყლის ოქსიდის და მრავალი სხვა ნივთიერების გახურებით. მისგან დამოუკიდებლად, 1774 წელს, ინგლისელმა ქიმიკოსმა ჯოზეფ პრისტლიმ აღმოაჩინა ეს ქიმიური ელემენტი ვერცხლისწყლის ოქსიდის თერმული დაშლით და გამოაქვეყნა თავისი დასკვნები იმავე წელს, გამოცემამდე სამი წლით ადრე.შილე. 1775-1780 წლებში ფრანგმა ქიმიკოსმა ანტუან ლავუაზიემ ინტერპრეტაცია მოახდინა ჟანგბადის როლზე სუნთქვასა და წვაში, უარყო იმ დროისთვის ზოგადად მიღებული ფლოგისტონის თეორია. მან აღნიშნა მისი ტენდენცია მჟავების წარმოქმნისკენ სხვადასხვა ნივთიერებებთან შერწყმისას და დაასახელა ელემენტი ოქსიგენი, რაც ბერძნულად ნიშნავს "მჟავას წარმომქმნელს".
პრევალენტობა
რა არის ჟანგბადი? დედამიწის ქერქის მასის 46%-ს შეადგენს და მისი ყველაზე გავრცელებული ელემენტია. ატმოსფეროში ჟანგბადის რაოდენობა არის 21% მოცულობით, ხოლო წონით ზღვის წყალში 89%.
ქანებში ელემენტი შერწყმულია ლითონებთან და არალითონებთან ოქსიდების სახით, რომლებიც მჟავეა (მაგალითად, გოგირდი, ნახშირბადი, ალუმინი და ფოსფორი) ან ძირითადი (კალციუმის, მაგნიუმის და რკინის მარილები) და როგორც მარილის მსგავსი ნაერთები, რომლებიც შეიძლება ჩაითვალოს მჟავე და ფუძე ოქსიდებისგან წარმოქმნილებად, როგორიცაა სულფატები, კარბონატები, სილიკატები, ალუმინატები და ფოსფატები. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი მრავალრიცხოვანია, ეს მყარი არ შეიძლება იყოს ჟანგბადის წყარო, რადგან ელემენტის კავშირის გაწყვეტა ლითონის ატომებთან ძალზედ შრომატევადია.
ფუნქციები
თუ ჟანგბადის ტემპერატურა -183 °C-ზე დაბალია, მაშინ ის ხდება ღია ცისფერი სითხე, ხოლო -218 °C - მყარი. სუფთა O2 ჰაერზე 1,1-ჯერ მძიმეა.
სუნთქვის დროს ცხოველები და ზოგიერთი ბაქტერია მოიხმარენ ჟანგბადს ატმოსფეროდან და აბრუნებენ ნახშირორჟანგს, ხოლო ფოტოსინთეზის დროს მწვანე მცენარეები მზის სხივების თანდასწრებით შთანთქავენ ნახშირორჟანგს და გამოყოფენ თავისუფალ ჟანგბადს. თითქმისყველა O2 ატმოსფეროში წარმოიქმნება ფოტოსინთეზით.
20 °C-ზე ჟანგბადის დაახლოებით 3 მოცულობითი ნაწილი იხსნება 100 წილ მტკნარ წყალში, ოდნავ ნაკლები ზღვის წყალში. ეს აუცილებელია თევზისა და ზღვის სხვა ცხოველების სუნთქვისთვის.
ბუნებრივი ჟანგბადი არის სამი სტაბილური იზოტოპის ნარევი: 16O (99.759%), 17O (0.037 %) და18O (0.204%). ცნობილია რამდენიმე ხელოვნურად წარმოებული რადიოაქტიური იზოტოპი. მათგან ყველაზე ხანგრძლივია 15O (ნახევარგამოყოფის პერიოდით 124 წმ), რომელიც გამოიყენება ძუძუმწოვრების სუნთქვის შესასწავლად.
ალოტროპები
უფრო მკაფიო წარმოდგენა იმის შესახებ, თუ რა არის ჟანგბადი, საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ მისი ორი ალოტროპული ფორმა, დიატომიური (O2) და ტრიატომური (O3. , ოზონი). დიატომიური ფორმის თვისებები ვარაუდობს, რომ ექვსი ელექტრონი აკავშირებს ატომებს და ორი რჩება დაუწყვილებელი, რაც იწვევს ჟანგბადის პარამაგნიტიზმს. ოზონის მოლეკულაში სამი ატომი არ არის სწორი ხაზით.
ოზონი შეიძლება გამომუშავდეს განტოლების მიხედვით: 3O2 → 2O3.
პროცესი არის ენდოთერმული (მოითხოვს ენერგიას); ოზონის გადაქცევას ორატომურ ჟანგბადად ხელს უწყობს გარდამავალი ლითონების ან მათი ოქსიდების არსებობა. სუფთა ჟანგბადი გარდაიქმნება ოზონად კაშკაშა ელექტრული გამონადენით. რეაქცია ასევე ხდება ულტრაიისფერი სინათლის შთანთქმისას, რომლის ტალღის სიგრძე დაახლოებით 250 ნმ. ამ პროცესის გაჩენა ზედა ატმოსფეროში გამორიცხავს რადიაციას, რომელიც შეიძლება გამოიწვიოსდედამიწის ზედაპირზე სიცოცხლის დაზიანება. ოზონის მძაფრი სუნი გვხვდება დახურულ სივრცეებში, სადაც არის ნაპერწკალი ელექტრო მოწყობილობები, როგორიცაა გენერატორები. ეს არის ღია ცისფერი გაზი. მისი სიმკვრივე ჰაერზე 1,658-ჯერ აღემატება და ატმოსფერულ წნევაზე დუღილის წერტილი -112°C.
ოზონი არის ძლიერი ჟანგვის აგენტი, რომელსაც შეუძლია გოგირდის დიოქსიდის გარდაქმნა ტრიოქსიდად, სულფიდი სულფატად, იოდიდი იოდად (რაც უზრუნველყოფს მის შეფასების ანალიზურ მეთოდს) და მრავალი ორგანული ნაერთის ჟანგბადის შემცველ წარმოებულებად, როგორიცაა ალდეჰიდები და მჟავები. მანქანის გამონაბოლქვიდან ნახშირწყალბადების ამ მჟავებად და ალდეჰიდებად გადაქცევა ოზონით არის ის, რაც იწვევს სმოგს. ინდუსტრიაში ოზონი გამოიყენება როგორც ქიმიური აგენტი, სადეზინფექციო საშუალება, ჩამდინარე წყლების გაწმენდა, წყლის გაწმენდა და ქსოვილის გათეთრება.
მიღების მეთოდები
ჟანგბადის წარმოქმნის გზა დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენი გაზი არის საჭირო. ლაბორატორიული მეთოდები შემდეგია:
1. ზოგიერთი მარილის თერმული დაშლა, როგორიცაა კალიუმის ქლორატი ან კალიუმის ნიტრატი:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
კალიუმის ქლორატის დაშლა კატალიზებულია გარდამავალი ლითონის ოქსიდებით. ამისათვის ხშირად გამოიყენება მანგანუმის დიოქსიდი (პიროლუზიტი, MnO2). კატალიზატორი აქვეითებს ჟანგბადის ევოლუციისთვის საჭირო ტემპერატურას 400-დან 250°C-მდე.
2. ლითონის ოქსიდების ტემპერატურული დაშლა:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
შელემ და პრისტლიმ გამოიყენეს ჟანგბადის და ვერცხლისწყლის (II) ნაერთი (II) ამ ქიმიური ელემენტის მისაღებად.
3. ლითონის პეროქსიდების ან წყალბადის ზეჟანგის თერმული დაშლა:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
ატმოსფეროდან ჟანგბადის გამოყოფის ან წყალბადის ზეჟანგის წარმოქმნის პირველი სამრეწველო მეთოდები დამოკიდებული იყო ოქსიდიდან ბარიუმის პეროქსიდის წარმოქმნაზე.
4. წყლის ელექტროლიზი მარილების ან მჟავების მცირე მინარევებით, რომლებიც უზრუნველყოფენ ელექტრული დენის გამტარობას:
2H2O → 2H2 + O2
სამრეწველო წარმოება
თუ საჭიროა დიდი მოცულობის ჟანგბადის მიღება, გამოიყენება თხევადი ჰაერის ფრაქციული დისტილაცია. ჰაერის ძირითად შემადგენელ კომპონენტებს შორის მას აქვს ყველაზე მაღალი დუღილის წერტილი და, შესაბამისად, ნაკლებად აქროლადია ვიდრე აზოტი და არგონი. პროცესი იყენებს გაზის გაციებას მისი გაფართოების დროს. ოპერაციის ძირითადი ეტაპები შემდეგია:
- ჰაერი იფილტრება ნაწილაკების მოსაშორებლად;
- ტენიანობა და ნახშირორჟანგი გამოიყოფა შთანთქმით ტუტეში;
- ჰაერი შეკუმშულია და შეკუმშვის სითბო ამოღებულია ჩვეულებრივი გაგრილების პროცედურებით;
- შემდეგ ის შედის ხვეულში, რომელიც მდებარეობსკამერა;
- შეკუმშული აირის ნაწილი (დაახლოებით 200 ატმ წნევით) ფართოვდება კამერაში, აციებს კოჭას;
- გაფართოებული აირი ბრუნდება კომპრესორში და გადის შემდგომ გაფართოებისა და შეკუმშვის რამდენიმე ეტაპს, რის შედეგადაც სითხე -196 °C-ზე ჰაერი ხდება თხევადი;
- თხევადი თბება პირველი მსუბუქი ინერტული აირების გამოსახადებლად, შემდეგ აზოტი და რჩება თხევადი ჟანგბადი. მრავალჯერადი დანაწილება აწარმოებს საკმარისად სუფთა პროდუქტს (99,5%) უმეტეს სამრეწველო მიზნებისთვის.
სამრეწველო გამოყენება
მეტალურგია არის სუფთა ჟანგბადის უდიდესი მომხმარებელი მაღალი ნახშირბადოვანი ფოლადის წარმოებისთვის: მოიცილეთ ნახშირორჟანგი და სხვა არალითონური მინარევები უფრო სწრაფად და მარტივად, ვიდრე ჰაერის გამოყენება.
ჟანგბადის ჩამდინარე წყლების დამუშავება გვპირდება თხევადი ჩამდინარე წყლების უფრო ეფექტურად დამუშავებას, ვიდრე სხვა ქიმიური პროცესები. ნარჩენების დაწვა დახურულ სისტემებში სუფთა O2.
. სულ უფრო მნიშვნელოვანი ხდება
ე.წ. რაკეტის ოქსიდიზატორი არის თხევადი ჟანგბადი. სუფთა O2 გამოიყენება წყალქვეშა ნავებში და მყვინთავის ზარებში.
ქიმიურ ინდუსტრიაში ჟანგბადმა ჩაანაცვლა ნორმალური ჰაერი ისეთი ნივთიერებების წარმოებაში, როგორიცაა აცეტილენი, ეთილენის ოქსიდი და მეთანოლი. სამედიცინო აპლიკაციები მოიცავს გაზის გამოყენებას ჟანგბადის კამერებში, ინჰალატორებისა და ბავშვის ინკუბატორებში. ჟანგბადით გამდიდრებული საანესთეზიო გაზი უზრუნველყოფს სიცოცხლის მხარდაჭერას ზოგადი ანესთეზიის დროს. ამ ქიმიური ელემენტის გარეშე, მთელი რიგიმრეწველობა, რომელიც იყენებს დნობის ღუმელებს. აი რა არის ჟანგბადი.
ქიმიური თვისებები და რეაქციები
ჟანგბადის მაღალი ელექტრონეგატიურობა და ელექტრონების აფინურობა დამახასიათებელია ელემენტებისთვის, რომლებიც ავლენენ არამეტალურ თვისებებს. ყველა ჟანგბადის ნაერთს აქვს უარყოფითი ჟანგვის მდგომარეობა. როდესაც ორი ორბიტალი ივსება ელექტრონებით, წარმოიქმნება O2- იონი. პეროქსიდებში (O22-) თითოეულ ატომს უნდა ჰქონდეს მუხტი -1. ელექტრონების სრული ან ნაწილობრივი გადაცემით მიღების ეს თვისება განსაზღვრავს ჟანგვის აგენტს. როდესაც ასეთი აგენტი რეაგირებს ელექტრონის დონორ ნივთიერებასთან, მისი საკუთარი ჟანგვის მდგომარეობა ქვეითდება. ჟანგბადის დაჟანგვის მდგომარეობის ცვლილებას (დაკლებას) ნულიდან -2-მდე რედუქცია ეწოდება.
ნორმალურ პირობებში ელემენტი ქმნის დიატომურ და ტრიატომურ ნაერთებს. გარდა ამისა, არსებობს უაღრესად არასტაბილური ოთხატომიანი მოლეკულები. დიატომური ფორმით, ორი დაუწყვილებელი ელექტრონი განლაგებულია არაშემაკავშირებელ ორბიტალებში. ამას ადასტურებს გაზის პარამაგნიტური ქცევა.
ოზონის ინტენსიური რეაქტიულობა ზოგჯერ აიხსნება იმ ვარაუდით, რომ სამი ატომიდან ერთი "ატომურ" მდგომარეობაშია. რეაქციაში შესვლისას ეს ატომი იშლება O3 და ტოვებს მოლეკულურ ჟანგბადს.
O2 მოლეკულა სუსტად რეაქტიულია ნორმალურ გარემო ტემპერატურასა და წნევაზე. ატომური ჟანგბადი ბევრად უფრო აქტიურია. დისოციაციის ენერგია (O2 → 2O) მნიშვნელოვანია დაარის 117,2 კკალ თითო მოლზე.
კავშირები
არალითონებთან, როგორიცაა წყალბადი, ნახშირბადი და გოგირდი, ჟანგბადი ქმნის კოვალენტურად შეკრული ნაერთების ფართო სპექტრს, მათ შორის არამეტალების ოქსიდებს, როგორიცაა წყალი (H2O), გოგირდის დიოქსიდი (SO2) და ნახშირორჟანგი (CO2); ორგანული ნაერთები, როგორიცაა სპირტები, ალდეჰიდები და კარბოქსილის მჟავები; ჩვეულებრივი მჟავები, როგორიცაა ნახშირბადის (H2CO3), გოგირდის (H2SO4) და აზოტი (HNO3); და შესაბამისი მარილები, როგორიცაა ნატრიუმის სულფატი (Na2SO4), ნატრიუმის კარბონატი (Na2 CO 3) და ნატრიუმის ნიტრატი (NaNO3). ჟანგბადი იმყოფება O2- იონის სახით მყარი ლითონის ოქსიდების კრისტალურ სტრუქტურაში, როგორიცაა ჟანგბადის და კალციუმის CaO ნაერთი (ოქსიდი). ლითონის სუპეროქსიდები (KO2) შეიცავს O2- იონს, ხოლო ლითონის პეროქსიდებს (BaO2), შეიცავს იონ O22-. ჟანგბადის ნაერთებს ძირითადად აქვთ ჟანგვის მდგომარეობა -2.
ძირითადი ფუნქციები
ბოლოს ჩამოვთვლით ჟანგბადის ძირითად თვისებებს:
- ელექტრონის კონფიგურაცია: 1s22s22p4.
- ატომური ნომერი: 8.
- ატომური მასა: 15,9994.
- დუღილის წერტილი: -183.0 °C.
- დნობის წერტილი: -218,4 °C.
- სიმკვრივე (თუ ჟანგბადის წნევა არის 1 ატმ 0 °C-ზე): 1,429 გ/ლ.
- დაჟანგვის მდგომარეობა: -1, -2, +2 (ფტორთან ნაერთებში).
