okl mt 05-2008 pomocnicze.qxd

parada
pierwiastków
1
18
O
8
Tlen
2
1
2
TEKST
Tlen jest pierwiastkiem najbardziej
rozpowszechnionym na Ziemi
(prawie 50% jej masy) oraz trzecim,,
po wodorze i helu, w całym Wszechświecie.
ŒREDNIO
D
TRUDNY
la organizmów na naszej planecie jest niezbędny
do życia, choć są takie, które potrafią się bez niego obyć, a dla niektórych jest wręcz zabójczy. Poznajmy bliżej bohatera naszego artykułu – dzięki niemu żyjemy, choć czasem bywa niebezpieczny.
Tlen w układzie okresowym pierwiastków leży
w 2. okresie i 16. grupie. Jest bezbarwnym gazem,
aktywnie reagującym z większością pozostałych pierwiastków, chociaż często dopiero w podwyższonej
temperaturze. Oprócz niego do rodziny tlenowców
należą: siarka, selen, tellur i, odkryty przez Marię
Skłodowską-Curie, polon. Są one niemetalami, jedynie
ostatni z nich wykazuje własności metaliczne.
W związkach to pierwiastki dwu-, cztero- i sześciowartościowe (tlen jest tylko dwuwartościowy). Dwa
pierwsze pierwiastki tej grupy mają wielkie znaczenie (zarówno dla gospodarki, jak i organizmów żywych), pozostałe znalazły jedynie marginalne zastosowania.
Tlen
Krzysztof Orliński
30
Obecność tlenu na Ziemi to zasługa organizmów żywych. Pierwotna ziemska atmosfera była
praktycznie beztlenowa. Niewielkie jego ilości powstały w wyniku fotolizy (rozpadu pod wpływem
światła) pary wodnej. Tak minimalne stężenie tlenu,
wynoszące początkowo około 0,1%, wystarczyło, aby
zahamować dostęp szkodliwego promieniowania
ultrafioletowego do powierzchni planety i umożliwić
powstanie pierwszych komórek. W wyniku opanowania procesu fotosyntezy zawartość tlenu w atmosferze
zaczęła wzrastać. W karbonie (265–210 milionów lat
temu), okresie największego rozwoju roślin, przekraczała 30%, obecnie wynosi niecałe 21%.
Już alchemicy domyślali
się obecności w powietrzu substancji umożliwiającej spalanie i
oddychanie. Często także otrzymywali tlen w wyniku rozkładu
różnych jego związków. Nie zbadali jednak dokładnie otrzymanego w ten sposób „powietrza” lub
„ducha”, jak wtedy mówiono, i
to nie im przypadła sława odkrywców. Dopiero w latach 70.
Ciekły tlen o błękitnej barwie.
3
3
4
5
6
7
8
9
Co
27
Kobalt
4
5
6
*
7
**
*
Lantanowce
**
Aktynowce
10
Ni
28
Nikiel
13
14
15
16
17
C
6
Wêgiel
S
16
Siarka
11
12
Cu
29
MiedŸ
Zn
30
Cynk
Ag
47
Srebro
Cd
48
Kadm
Sn
50
Cyna
Au
79
Z³oto
Hg
80
Rtêæ
Pb
82
O³ów
XVIII wieku kilku uczonych poddało systematycznym
badaniom powietrze i otrzymało jego składniki – azot
i tlen. Historia chemii za odkrywcę tlenu uważa angielskiego pastora J. Priestleya (1774).
Nazwę dla nowego pierwiastka zaproponował
Lavoisier, nadając mu miano „oxygenium”, co z łaciny
znaczy „tworzący kwasy”. Twórca współczesnej chemii uważał, że wszystkie kwasy muszą zawierać ten
pierwiastek i to, już po kilkunastu latach, po odkryciu
chloru i fluoru, okazało się nieprawdą. Ojciec polskiego słownictwa chemicznego, Jędrzej Śniadecki, spolszczył tę nazwę na „kwasoród” (podobnie postąpiono
w innych krajach, np. niemiecki „Sauerstoff” czy rosyjski „kisłorod”). Obecną
nazwę nadał
mu J. Oczapowski, wskazując
na zdolność
podtrzymywania palenia
(od czasownika
„tlić się”).
Tlen wyWoda – najważniejszy związek tlenu.
stępuje w postaci dwóch
odmian alotropowych. Pierwsza to, znane wszystkim,
dwuatomowe cząsteczki. Czytelnicy zapewne wielokrotnie pisali w szkole ich wzór, łącząc w nim atomy
podwójnym wiązaniem. Jest to jednak tylko przybliżenie – cząsteczka tlenu zawiera wolne, niesparowane elektrony, odpowiedzialne za reaktywność tego
pierwiastka. Taka cząsteczka zwana jest rodnikiem.
Reagując z innymi substancjami, wytwarza następne
rodniki, które, jeżeli proces zachodzi wewnątrz żywej
komórki, powodują jej uszkodzenia i mutacje genetyczne. Dlatego organizmy bronią się przed niekontrolowanymi reakcjami z, niezbędnym przecież do życia,
tlenem – procesy utleniania zachodzą w wydzielonych organellach komórkowych.
Pierwiastkowy tlen jest używany jako gaz intensyfikujący procesy utleniania i spalania, np. w metalurgii i palnikach do cięcia i spawania metali (przechowywany jest w niebieskich, ciśnieniowych butlach) oraz do ułatwienia oddychania, np. przy zabiegach medycznych. Ciekły tlen (skroplili go po raz
pierwszy w 1883 roku profesorowie UJ Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski) to bardzo silny czynnik
utleniający (stosowany np. do napędu rakiet), mogący
eksplodować w kontakcie z substancjami organicznymi. Tę właściwość wykorzystuje się do produkcji specjalnych materiałów wybuchowych, oksylikwitów, na-
sycając ciekłym tlenem np. węgiel czy cukier (w ten
sposób uwolnili się z pułapki bohaterowie powieści
„Astronauci” Stanisława Lema).
Drugą odmianą alotropową tlenu jest ozon. Jego
charakterystyczny zapach nadaje „świeżość” powietrzu po burzy. Powstaje on w czasie wyładowań elektrycznych (np. błyskawice), pracy lamp kwarcowych
oraz kserokopiarek, a w górnych warstwach atmosfery
w wyniku działania promieni ultrafioletowych. Te trójatomowe cząsteczki stały się obecnie tematem wielu
ożywionych dyskusji z powodu tzw. dziury ozonowej,
czyli okresowego spadku stężenia tego gazu nad Antarktydą. Ozon znajduje się w stratosferze (12–40 km
nad powierzchnią Ziemi), pełniąc rolę filtra przeciwko
szkodliwemu promieniowaniu Słońca i umożliwiającego, jak przed miliardami lat powstanie, tak teraz istnienie życia na Ziemi. Zmniejszenie się zawartości
ozonu powoduje, że do powierzchni planety dociera
więcej promieni ultrafioletowych, wywołujących zmiany nowotworowe i mutacje
genetyczne
organizmów.
Jeszcze przed
kilku laty powszechnie
oskarżano o powstanie dziury
ozonowej freony (fluorowe
pochodne węglowodorów,
Dziura ozonowa nad Antarktydą.
stosowane np.
w chłodnictwie,
urządzeniach klimatyzacyjnych i przemyśle kosmetycznym), obecnie wielu naukowców zmiany stężenia
ozonu przypisuje także naturalnym zjawiskom klimatycznym na Ziemi. Pewne jest jednak, że ludzie (np.
poprzez loty odrzutowców na dużych wysokościach)
również mają swój udział w tym zjawisku.
Ozon jest bardziej aktywny niż tlen ze względu
na łatwe odłączanie jednego z atomów. Stosowany
jest do odkażania wody oraz wybielania tkanin i innych materiałów. Podobno, jak twierdzą producenci
rozmaitych ozonizatorów powietrza i wody, ma zdolność regeneracji organizmu, ale naukowcy zalecają
dużą ostrożność w jego stosowaniu. Nadmierne stężenie ozonu powoduje wręcz przyspieszone starzenie
komórek oraz niszczenie różnych substancji, np. gumy. Ozon jest konieczny do życia, ale tylko wysoko
nad naszymi głowami!
Zapewne wszyscy słyszeli o „zegarach wieków”. Są to promieniotwórcze pierwiastki, których zawartość zmienia się w miarę upływu lat. Badając ich
ilość, można określić wiek danego przedmiotu: skały,
minerału czy substancji organicznej. Mało jednak kto
wie, że istnieje także „termometr wieków”, oparty na
tlenie. W skład naturalnego tlenu wchodzą trzy izotopy o liczbach masowych 16, 17 i 18. Wzajemny stosunek ich zawartości zależy od temperatury, w której
tworzyła się dana substancja. I tak, badając skamieniałe pancerzyki skorupiaków, można określić, jak ciepłe było morze, w którym żyły one miliony lat temu!
Największą grupę związków na Ziemi stanowią
tlenki. Czytelnicy zapewne w szkole pisali ich wzory
Butle tlenowe umożliwiają nurkowanie.
i równania reakcji z ich
udziałem. Jednakże
nie wszyscy wiedzą,
że istnieją także nadtlenki i ponadtlenki.
Powstają one w wyniku przyłączenia jednego (ponadtlenki)
lub dwóch (nadtlenki)
elektronów do całej
cząsteczki tlenu (bez
jej rozpadu na atomy,
jak dzieje się w procesie tworzenia zwykłych tlenków). PowSpawanie z użyciem tlenu.
stały w ten sposób
jon łączy się z kationem, zazwyczaj z grupy 1. lub 2. Związki te są dość
nietrwałe i łatwo wydzielają tlen, czego przykładem
jest nadtlenek wodoru (jego roztwór to woda utleniona, perhydrol). Także ozon nie jest „gorszy” i ma własne związki – ozonki (powstają przez przyłączenie
jednego elektronu do jego cząsteczki), jeszcze bardziej nietrwałe niż nadtlenki i ponadtlenki.
Nie jest możliwe opisanie wszystkich związków tlenu, choćby tylko tych najprostszych – tlenków.
Warto jednak wiedzieć, że tlen tworzy z krzemem
i glinem związki stanowiące ponad 80% masy Ziemi.
Na co dzień nie zdajemy sobie sprawy, że żyjemy
w świecie tlenków. Pijemy wodę (tlenek wodoru),
mieszkamy w domach zbudowanych z tlenku krzemu
i wapnia, nosimy ozdoby z tlenku glinu (rubiny i szafiry) oraz narzekamy na niszczącą nasze samochody
rdzę (tlenki żelaza).
Tlen to jeden z najważniejszych pierwiastków
na Ziemi, a my jesteśmy „skazani” na życie z nim.
Jest dla nas niezbędny, ale warto pamiętać, że potrafi
być także groźny. Od naszej rozwagi i mądrości zależeć będzie, którą stronę swej natury nam ukaże. 31
Tlen podtrzymuje palenie.