الأكسجين

مقدمة: 

الأكسجين هو أحد العناصر الكيميائية الموجودة فى المجموعة السادسة في الجدول الدوري (جدول مندلييف)، وله الرمز O ورقم ذري 8, وزنه الذري 15.9994 بالنسبة إلى الكربون 12C, غازي عديم اللون والرائحة والطعم, وهذا العنصر شائع للغاية، ولا يوجد فقط على الأرض ولكن فى كل الكون, وغالبا يكون مرتبطا مع عناصر أخرى.

الأكسجين غير المرتبط (وغالبا ما يطلق عليه الأكسجين الجزيئي, O2) يوجد في أول الأمر على سطح الأرض كناتج لعمليات التأيض للبكتريا ثم تواجد الأكسجين الحر فى الغلاف الجوي بعد ذلك فى العصر الجيولوجي وحتى الآن ينتج بوفرة من النبات, والتى تنتج الأكسجين خلال عمليات البناء الضوئي. والأكسجين ضروري للتنفس وللحياة ولا ينافسه في القيمة والأهمية أي عنصر آخر على كوكبنا. 

الخواص المميزة

فى ظروف الحرارة والضغط القياسية ، يتواجد الأكسجين فى الحالة الغازية يتكون الأكسجين من جزيئات ثنائية الذرة لها الشكل O2 . ويكون O2 له شكلان حسب الطاقة : الشكل ذو الطاقة الأقل ، غالبا ما يكون أحادى الرابطة راديكال ثنائي أكسجين ثلاثي ، والشكل ذو الطاقة الأعلى ، يكون جزيء ثنائي الرابطة أحادى الأكسجين . وهذه الطبيعة للراديكال الثنائي يعزى إليها التغير فى الطبيعة الكيميائية .

الأكسجين مركب أساسي للهواء ، يتكون من النباتات خلال عمليات البناء الضوئي ، وهو مهم للتنفس فى الكائنات الحية التى تعتمد على الهواء فى تنفسها . الكلمة أكسجين تم اشتقاقها من كلمتان إغريقيتان أكسى وتعنى حمض ، جينوماى متسبب . وتك إختيار هذا الاسم نظرا فى القرن الثامن عشر نظرا لأنه كان يعتقد أن كل الأحماض تحتوى على أكسجين . تعريف الحمض تم تغيره بعد ذلك إلى أنه لا يجب احتواء الحمض على أكسجين فى تركيبه الجزيئى .

الأكسجين السائل والصلب لهما لون أزرق فاتح وكلاهما مغناطيسي مساير (بارا مغناطيسي) قوى . يتم الحصول على الأكسجين السائل غالبا من التقطير الجزئي للهواء المسال . وكل من الأوزون O3 الصلب والسائل له لون أزرق غامق .

تم اكتشاف شكل اخر متأصل للأكسجين وهو الأكسجين الرباعي (O4), وهو مادة صلبة ذات لون أحمر غامق ويتم الحصول عليه بتأثير الضغط على الأكسجين O2 بمقدار 20 GPa . وتم دراسته ليتم استخدامه فى وقود الصواريخ والتطبيقات المشابهه ، وهو مادة مؤكسدة أقوى من O2 أو O3.

استخداماته

يتم استخدام الأكسجين بكثرة كمادة مؤكسده ، ولا يوجد عنصر أعلى منه فى السالبية الكهربية سوى الفلور . ويتم استخدام الأكسجين السائل كمادة مؤكسدة فى دفع الصواريخ .كما أن الأكسجين أساسي فى عمليات التنفس ، ولذا فإن له دور أساسي فى الطب . كما أن متسلقى الجبال ومن يقومون باستخدام الطائرات يكون لديهم إمدادات إضافية من الأكسجين . ويستخدم الأكسجين أيضا فى اللحام . وفى صناعة كل من الصلب وميثانول .

الأكسجين من العناصر التى تثير ابهجة ، ولذا فإنه يتم استخدامه فى المنتجعات حتى الأوقات الحديثة . كما يلاحظ وجود أعمدة الأكسجين حتى الآن فى الحفلات . فى القرن التاسع عشر كان يتم خلطه مع أكسيد النيتروز لعمل نوع من أنوع المسكنات ، ويتم استخدام نوعية من هذه المسكنات إلى الآن .

تاريخ الأكسجين:

تجربة فيلو ألهمت الباحثين اللاحقين أحد أول التجارب المعروفة عن العلاقة بين الاحتراق والهواء أجراها في القرن الثاني ق.م. الكاتب اليوناني في علم الميكانيكا، فيلو من بيزنطيوم. ففي كتابه, لاحظ فيلو أن قلب وعاء فوق شمعة مشتعلة وإحاطة عنق الوعاء بالماء ينتج عنه ارتفاع بعض الماء إلى العنق. وقد أخطأ فيلو في استنتاج أن أجزاء الهواء في الوعاء تحولت إلى العنصر الكلاسيكي نار وبذلك تمكنت من الهروب عبر مسام الزجاج. وبعد عدة قرون لاحقاً، بنى ليوناردو داڤنشي على عمل فيلو بملاحظة أن جزءاً من الهواء يـُستهلك أثناء الاحتراق والتنفس.

التمثيل الضوئي يفصم الماء ليحرر O2 و ويثبـِّت CO2 في السكر واكتشف الأكسجين عالم الصيدلة السويدي كارل وليام شيلى تقريبا قبل عام 1773، ولم يتم نشر اكتشافه قبل الاكتشاف المستقل للعالم جوزيف بريستلي في الأول من أغسطس عام 1774 والذي أطلق على الغاز اسم معاكس الفلوجستون (شاهد الفلوجستون. وقام بريستلى بنشر اعماله عام 1775 وشيلى عام 1777، وعادة ما يأخذ بريستلى الاهتمام لأنه قام بالنشر أولا.

وأطلق أنطوان لاڤوازييه على الغاز اسم أوكسجين في عام 1778 م. وكما ذكر أعلاه الاسم مشتق من كلمتين إغريقيتين وهما أوكسى بمعنى حامض الطعم أو مَضِر وجين ومعناها ما يَنتُج عن الشئ (متسسب ) وأيضا ما يُنتِج الشئ (مسبب). وقد اختار لافوازييه هذه الاشتقاق اللغوى نظرا للإعتقاد السائد آنذاك (خاصة بعد اكتشافات بريستلي عام 1775) بأن جميع الأحماض تحتوى على الأكسجين، وقد صحح هذا الإعتقاد بعد عدة إعادات لتعريف المواد الحمضية.

التواجد

الأكسجين هو ثانى أكبر مكون للغلاف الجوي ( 20.947 % بالحجم ), وهو أكثر العناصر الكيمياوية وفرة في القشرة الأرضية (47% كتلة) وهو يكوّن 89% من كتلة المحيطات، و23% من كتلة الهواء؛ علماً بأن المادة الحية تحوي نحو 65% من الماء، ويتدخل الأكسجين أيضاً في الأوساط البروتينية وفي الشحميات والسكريات. وما الصخور إلا أكسجين اتحد بالسيليسيوم والمعادن (ولاسيما الألمنيوم والحديد والكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم والمغنسيوم).

ذرته

الأكسجين هو العنصر ذو العدد الذري 8= Z الواقع في رأس العمود السادس، وتوافق بنيته الإلكترونية الأساسية التشكيل 1S2, 2S2 , 2P2. وتبلغ طاقات التشارد (التأين) المتتالية فيه ما يأتي: 13.61 إ - ف (إلكترون فلط)؛ 35.1 إ - ف؛ 54.8 إ - ف؛ 114.1 إ - ف؛ 137.8 إ- ف؛ 73704 إ -ف؛ 839.5 إ -ف. ويبلغ نصف قطر الذرة 0.74 ْA (أنغستروم =10-10متر)، ونصف قطر الصاعدة O2- (anion) 1.40 ْA وتساوي الألفة الإلكترونية الموافقة لتكوّن 52- المقدار -7.28 إ - ف، مع أن الأكسجين يأخذ الشكل 52- في عدد من الأكاسيد المعدني المصهورة، وهذا يوافق أيضاً واقع كهرلة الألومين Al2O3 المصهور في حوض من الكريوليت NA3AlF6 والفلورين CaF2، وانطلاق الأكسجين عند المصعد نتيجة لتفرُّغ شحنة الشوارد 52- على هذا المصعد.

الجسم البسيط

يتكون الأكسجين في جميع الحالات الفيزيائية من جزيئات صيغتها O2، وبإمكان الذرات أن توجد حرة بفعل الانفراغ الكهربائي أو بفعل إشعاع ما فوق البنفسجي يقل طوله الموجي عن 1900 ْA. وبفعل الدفق الكهربائي تحصل جزيئات صيغتها O3 تُعدُّ أنها تنتمي إلى نوع كيمياوي آخر يدعى الأوزون.

والأكسجين مكوّن مهم للهواء حيث يكون ممزوجاً مع الآزوت، وهو يحضَّر اليوم صناعياً بتسييل الهواء ثم تقطيره تقطيراً تجزيئياً. يغلي الأكسجين في الدرجة -183.0ْس وينصهر في الدرجة -218.9ْس. وهو قليل الانحلال جداً في الماء عندما يكون في حالته الغازية في الشروط العادية من درجة الحرارة والضغط، إلا أن قابلية انحلاله الضعيفة هذه تكفي لإتاحة بعض الظواهر كتنفس الأسماك أو الائتكال المعدني.

يتفاعل الأكسجين مع أغلب الأجسام البسيطة ومع كثير جداً من المركبات، ويحتاج عدد كبير من هذه التفاعلات إلى إزكاء بالتسخين إلى درجة حرارة كافية، وتكون هذه التفاعلات غالباً ناشرة للحرارة، وهي تتتابع بالحفاظ على درجة حرارتها مرتفعة (الاحتراق الشديد). ويأتي الجزء الأعظم من الطاقة، التي تستعملها الصناعة اليوم من الحرارة المنطلقة من احتراق ضروب الوقود الطبيعية (النفط أو الفحم أو الغازات الطبيعية المكونة أساساً من الميتان).

تعطي الأجسام البسيطة باتحادها مع الأكسجين أكاسيد، وتعطي المعادن القلوية مزيجاً من أكسيد وفوق أكسيد. ويُعطي كثير من العناصر عدة أكاسيد. ولتفاعلات أكسدة المعادن أهمية كبيرة، ذلك أنها تَحْدُث بدءاً من درجة الحرارة العادية، ويتيح بطؤها في هذه الدرجة من الحرارة انطلاق الحرارة من دون ارتفاع في درجتها. ويبدأ تأثر الجسم الصلب بالغاز (كما في تأثر قطعة معدنية بأكسجين الهواء) بتَكَوّن منتجات التفاعل على سطح المعدن، وبالفعل يتغطى المعدن (باستثناء الذهب والبلاتين) بطبقة رقيقة من أكسيد عند تعرضه لفعل أكسجين الهواء. وعلى العموم يتوقف التفاعل بسرعة عند تكوّن طبقة متصلة، إلا في المعادن القلوية أو القلوية الترابية التي تكوّن أكسيداً ذا حجم أصغر من حجم المعدن الذي وَلَّدَهُ.

فبوجود بخار الماء وغاز الكربون يتكوّن المنتج السطحي من هدروكسيدات وهدروكسي كربونات هشة قابلة للتفتت، قليلة الالتصاق بالمعدن تتيح تتابع التأثير وتخرب القطعة المعدنية تخرباً بطيئاً (صدأ الحديد، زنجار النحاس)؛ ومن هنا نشأت الفائدة من إلباس بعض المعادن القابلة للتأثر بطبقة مستمرة من معدن آخر يقاوم فعل الجو (رقاقة نيكل).

ويستعمل في عدد من الأكسدات وسيط كالبلاتين مثلاً في التفاعل المستعمل في الصناعة للحصول على حمض الآزوت:

إذ يتحول التيار الغازي من النشادر وأكسجين الهواء بوجود شبكة من البلاتين إلى أحادي أكسيد الآزوت بنسبة لاتقل عن 98%، ثم يتحول أحادي أكسيد الآزوت، بتفاعله مع أكسجين الهواء في الدرجة العادية من الحرارة، إلى ثنائي أكسيد الآزوت NO2 الذي يتحول بوجود الماء إلى حمض الآزوت.

وتتم الأكسدة الصناعية لثنائي أكسيد الكبريت SO2 إلى ثلاثي أكسيد الكبريت بأكسجين الهواء نحو الدرجة 400ْ -450ْس بوجود وسيط أساسه V2O5 ويحصل حمض الكبريت بإماهة ثلاثي الأكسيد. كما تحصل أكسدات صناعية شتى للمنتجات العضوية (البنزن إلى بلا ماء المالئيك مثلاً) باستعمال أكسجين الهواء بوجود وسيط.

ويزداد في الصناعة استعمال الغازات التي يزيد محتواها من الأكسجين على ما يوجد عادة في الهواء، ولا سيما في تنقية حديد الصب.

المركبات

نظرا لأن الأكسجين له كهرسالبية ، فإنه يكون روابط كيميائية مع كل العناصر الأخرى تقريبا ( وكان ذلك أصل كلمة أكسدة ) . العناصر القليلة التى إستطاعت الهروب من الأكسدة هى الغازات النبيلة . وأكثر الأكاسيد شهرة هو ثانى أكسيد الهيدروجين أو الماء H2O). كما أن هناك مركبات أخرى مشهورة تتضمن الكربون والأكسجين مثل ثانى أكسيد الكربون (CO2), الكحولات(R-OH), ألهيد (R-CHO), والأحماض الكربوكسيلية (R-COOH). كما أن الراديكالات المتأكسدة مثل كلورات (ClO3−), بيركلورات (ClO4−), كرومات (CrO42−), ثنائي كرومات (Cr2O72−), برمنجنات (MnO4−), والنيترات (NO3−) عوامل مؤكسدة قوية . وهناك فلزات عديدة مثل الحديد ترتبط مع الأكسجين أكسيد حديد ثلاثي (Fe2O3). أوزون (O3) يتكون بالتفريغ الكهرستاتيكي فى وجود الأكسجين الجزيئي . جزيء الأكسجين الثنائي (O2)2 معروف ويتواجد كمكون بسيط فى الأكسجين السائل . إيبوكسيد هو إثير تكون ذرة الأكسجين فيه جزء من حلقة ثلاثية الذرات . 

استخداماته

يستخدم الأكسجين التجاري في المعالجة الحرارية للمعادن كلحم المعادن وقطعها وفي التقسية السطحية، وفي التعدين، وفي الطيران، وفي الغواصات المائية وغيرها. ويستعمل الأكسجين في الصناعة الكيمياوية في تحضير الوقود السائل الاصطناعي، وزيوت التشحيم، وحمض الكبريت، وحمض الآزوت، والميتانول، والنشادر، والأسمدة الآزوتية، وفوق أكاسيد المعادن، ونواتج أخرى.

ويستعمل الأكسجين السائل في الأعمال التفجيرية، وفي المحركات النفاثة، وفي الأعمال المختبرية. كذلك يستعمل الأكسجين الصرف المعبأ في أسطوانات للتنفس على ارتفاع عال في الطيران الفضائي وفي السباحة تحت الماء، وفي الإنعاش والإسعاف.