عنصر الأكسجين: الخصائص، التفاعلات الكيميائية، نظائر، مركبات، الاستخدامات

الأكسجين هو عنصر كيميائي، يقع يمين النيتروجين ويسار الفلور في الجدول الدوري للعناصر وفي المجموعة السادسة عشر (16). ويُرمز له بالرمز "O"، وله العدد الذري 8. يوجد في الطبيعية بشكل غاز ثنائي أو ثلاثي (الأوزون) أو في مركبات. وهو يوجد في الغالب في الغلاف الجوي للأرض، حيث يشكل حوالي 21%^[1] من الهواء الذي نتنفسه. الأكسجين هو غاز عديم اللون والطعم والرائحة.

تأتي خصائص الأكسجين الذرية من كونها العنصر رقم ثمانية في الجدول الدوري حسب العدد الذري، وهذا يعني أن لديه 6 إلكترونات في غلافه الخارجي. واحتل الأكسجين أهمية كبيرة في العمليات الحيوية حيث يلعب دورًا أساسيًا في عملية التنفس للكائنات الحية وفي إنتاج الطاقة من الغذاء.

بالإضافة إلى ذلك، يتفاعل الأكسجين بسهولة مع العديد من العناصر والمركبات الأخرى في عمليات كيميائية متنوعة. تنتج هذه التفاعلات والخصائص الفيزيائية والكيميائية من البنية الإلكترونية الفريدة الخاصة به. ويستخدم الأكسجين في العديد من الصناعات مثل اللحام والتصنيع الكيميائي وأنظمة الإطفاء، وأيضًا في العلاجات الطبية لمساعدة المرضى في التنفس وتحسين تشبع الأكسجين.

يتواجد الأكسجين أيضًا في عدة مركبات مثل الماء (H2O) وأكسيد الكالسيوم (CaO)، وله عدة نظائر تختلف في عدد النيوترونات في النواة. تعتبر الوفرة الطبيعية للأكسجين عالية جدًا على سطح الأرض، نظرًا لوجوده بكميات كبيرة في الجو.

إجمالًا، الأكسجين هو عنصر أساسي وحيوي في علم الكيمياء والحياة، وله استخدامات متعددة وحيوية في العديد من الجوانب المختلفة من حياتنا.

الخصائص

الخصائص الذرية العامة

خصائص	القيمة
الرمز الكيميائي	O
الاسم	أكسجين
العدد الذري	8
الوزن الذري	15.9994
ترتيب العنصر في الجدول الدوري	16
الفئة	اللافلزات
التوزيع الإلكتروني	1s² 2s² 2p⁴
الحالة الطبيعية	غاز
تواجد العنصر في الطبيعة	21% في الهواء الجوي

الخصائص الفيزيائية

خصائص	القيمة
درجة الانصهار	-218.79 درجة سيليزية (-361.82 درجة فهرنهايت)
درجة الغليان	-182.95 درجة سيليزية (-297.31 درجة فهرنهايت)
الكثافة عند درجة الغليان والضغط القياسي	1.429 g/L
الحالة النقطية	غاز
اللون والرائحة	عديم اللون والرائحة
القابلية للذوبان في الماء	ذائب بنسبة 1.45 g/L
النقطة الحرجة	-118.4 درجة سيليزية (-181.1 درجة فهرنهايت)
الضغط الحرج	50.43 بار
الحرارة النوعية عند درجة الغليان والضغط القياسي	0.918 kJ/(kg·K)
الحرارة النوعية عند درجة الانصهار والضغط القياسي	0.444 kJ/(kg·K)
الحرارة النوعية عند درجة الغليان وضغط الحرج	2.108 kJ/(kg·K)
الحرارة النوعية عند النقطة الحرجة	0.524 kJ/(kg·K)
الضغط البخاري عند درجة الغليان والضغط القياسي	1.429 atm
التوصيل الحراري	26.58 × 10⁻³ W/(m·K)
التوصيل الكهربائي	0.000067 S/m
العدد الكتلي للنظير الأكثر استقرارًا	16
النظائر الأكثر استقرارًا	O-16, O-17, O-18

تاريخ وأصل التسمية لعنصر الأكسجين

تم تسمية العنصر بالأكسجين نسبةً إلى الكلمة اليونانية "أكسις" (oxys) والتي تعني "حمض"، وكذلك الكلمة الفرنسية "جن" (gène) والتي تعني "نشأة" أو "أصل". تم اقتراح هذا الاسم لأنه كان يُعتقد في الأصل أن الأكسجين هو عامل نشأة الحموضة.

تم اكتشاف الأكسجين بواسطة العالم السويدي كارل ويلهلم شيل في عام 1772. تم الاعتراف رسميًا بالأكسجين كعنصر كيميائي مستقل في عام 1774 عندما قام العالم البريطاني جوزيف بريستلي بتحليل الماء واكتشاف أن الأكسجين هو المسؤول عن دعم الاحتراق والتنفس.

الوفرة الطبيعية لعنصر الأكسجين

الأكسجين هو عنصر كيميائي يوجد بصورة وفيرة في الطبيعة. يشكل الأكسجين حوالي 21% من الغلاف الجوي للأرض، ويعتبر جزءًا أساسيًا من الهواء الذي نتنفسه.

يتواجد الأكسجين أيضًا في المياه، حيث يتكون بشكل رئيسي من الإلكترونات المتاحة في جزيئات الماء (H2O). كما يتواجد الأكسجين في صورة مختلفة بمشتقاته ومركباته مثل الأكسيد، وأكاسيد الهالوجين، والعديد من المركبات الأخرى.

يتم الحصول على الأكسجين أيضًا من قبل النباتات خلال عملية التمثيل الضوئي. حيث تستخدم النباتات ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين والجلوكوز في عملية تسمى التنفس النباتي.

نظائر الأكسجين

النظير	عدد البروتونات	عدد النيوترونات	فترة التحلل الإشعاعي	التوافر
أكسجين-16 (^16O)	8	8	حوالي 7 × 10^26 سنة	أكثر من 99% في الطبيعة
أكسجين-17 (^17O)	8	9	حوالي 2.36 دقيقة	حوالي 0.04% في الأرض
أكسجين-18 (^18O)	8	10	حوالي 122.24 ثانية	تستخدم في الجيولوجيا والكتائن العلمي

الطرق المختلفة لتحضير الأكسجين

الأكسجين هو عنصر كيميائي ضروري للحياة، ويستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية والطبية. يمكن الحصول على الأكسجين من مصادر مختلفة باستخدام طرق مختلفة. في هذه المقالة، سنتناول بعض الطرق الشائعة لتحضير الأكسجين والمعادلات الكيميائية المرتبطة بها.

1. تحليل الماء الكهربائي:

   يعتبر تحليل الماء الكهربائي من أكثر الطرق شيوعًا لتحضير الأكسجين.

   وفق المعادلة التالية: \[\ce{2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)}\]

2. تحليل الأكسيدات:

   تحضير الأكسجين أيضًا يمكن أن يتم عن طريق تحليل الأكسيدات الثنائية، مثل أكسيد الزئبق (II) وأكسيد الباريوم (II).

   التفاعل: \[\ce{2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g)}\]

3. تحليل بيروكسيد الهيدروجين:

   يمكن الحصول على الأكسجين أيضًا من تحليل بيروكسيد الهيدروجين (H2O2).

   المعادلة: \[\ce{2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g)}\]

4. تحليل مركبات الكلورات:

   تحليل مركبات الكلورات هو طريقة أخرى شائعة لتحضير الأكسجين.

   معادلة التفاعل: \[\ce{2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)}\]

5. تحليل المركبات العضوية:

   بعض المركبات العضوية يمكن أن تحلل لتحرير الأكسجين.

   المعادلة الكيميائية: \[\ce{2C14H10O4(s) → 14CO2(g) + 5H2O(g) + 7O2(g)}\]

هذه بعض الطرق الشائعة لتحضير الأكسجين. يجب ملاحظة أنه يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة عند التعامل مع الأكسجين النقي، حيث أنه قد يكون قابلاً للاشتعال والاحتراق. كما يجب اتباع الإرشادات الأمنية المناسبة عند استخدام أي من هذه الطرق.

التفاعلات والخواص الكيميائية للأكسجين

يتميز الأكسجين بخصائص كيميائية فريدة تجعله يشارك في العديد من التفاعلات الهامة. فيما يلي سنتطرق إلى بعض التفاعلات الكيميائية الشائعة للأكسجين:

التفاعل مع العناصر القلوية وغير المعدنية:

• التفاعل مع العناصر القلوية: الأكسجين يتفاعل مع العناصر القلوية مثل الصوديوم والبوتاسيوم والليثيوم لتكوين أكاسيد قلوية. على سبيل المثال، يتفاعل الأكسجين مع الصوديوم لتكوين أكسيد الصوديوم (Na2O).\(\ce{4Na +O2 -> 2Na2O}\)
• التفاعل مع العناصر غير المعدنية: الأكسجين يتفاعل مع العناصر غير المعدنية مثل الكربون والهيدروجين والنيتروجين والكبريت لتكوين مركبات عضوية ولاعضوية. على سبيل المثال، يتفاعل الأكسجين مع الكربون لتكوين ثاني أكسيد الكربون (CO2).\(\ce{C + O2 -> CO2}\)

تفاعلات الأكسدة:

• التفاعل مع المواد العضوية: الأكسجين يعتبر واحدًا من أهم عوامل الأكسدة. يتفاعل الأكسجين مع بعض المواد العضوية مثل الكحولات والألدهيدات لتكوين مركبات عضوية أخرى.
  التفاعل مع الألدهيدات\[\ce{CH3CHO + [O] → CH3COOH}\]
  مع الكحولات الأولية: \[\ce{CH3CH2OH + [O] → CH3CHO + H2O}\]
  مع الكحولات الثانوية: \[\ce{CH3CH(OH)CH3 + [O] → CH3COCH3 + H2O}\]
• التفاعل مع المعادن: الأكسجين يتفاعل مع بعض المعادن مثل الحديد والنحاس والرصاص لتكوين أكاسيد المعادن. هذه التفاعلات تسمى عادة التآكل أو الأكسدة.

تفاعلات الاحتراق:

• التفاعل مع الوقود: الأكسجين يعتبر ضروريًا لعملية الاحتراق. يتفاعل الأكسجين مع الوقود مثل البنزين والديزل والغاز الطبيعي لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء. هذه التفاعلات تحدث في المحركات الاحتراقية وفي عملي.

مركبات الأكسجين المختلفة

1. الأكاسيد:

   هي مركبات الأكسجين مع عناصر أخرى. واحدة من الأكاسيد الشائعة هي أكسيد الكربون (CO2)، وهو غاز ثنائي أكسيد الكربون. كما يوجد أيضًا أكسيد النيتروجين (NO2) وأكسيد الكبريت (SO2).

2. الهيدروكسيدات:

   هي مركبات الأكسجين مع الهيدروجين. مثال شائع هو هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) المعروف أيضًا باسم القلوي (الصودا الكاوية)، وهو صلب بلوري يستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية والكيميائية.

3. الأحماض الأكسجينية:

   هي مركبات حمضية تحتوي على الأكسجين. مثال شائع هو حمض الكبريتيك (H2SO4)، وهو حمض قوي يستخدم في العديد من الصناعات مثل الكيمياء والبطاريات وتكرير البترول.

4. مركبات الأكسجين العضوية:

   هي مركبات عضوية تحتوي على الأكسجين. كما ذكرت سابقًا، فإن الكحولات والفينولات والإيثرات والألدهيدات والكيتونات والأحماض الكربوكسيلية والإسترات والأميدات جميعها مثال على مركبات الأكسجين العضوية.

5. المركبات التي تحتوي على رابطة O-O:

   هي مركبات تحتوي على رابطة O-O. أحد الأمثلة المعروفة هو بروكسيد الهيدروجين (H2O2)، والمعروف أيضًا باسم الماء الأكسجيني أو الماء الأكسجني. إنه سائل عديم اللون يستخدم كمطهر ومؤكسد.

استخدامات الأكسجين في الحياة اليومية

الأكسجين له العديد من الاستخدامات في الحياة اليومية وفي العديد من الصناعات. إليك بعض الاستخدامات الشائعة للأكسجين:

1. الاستنشاق الطبي:

   يستخدم الأكسجين في الرعاية الصحية لتوفير الأكسجين للمرضى الذين يعانون من صعوبة في التنفس أو تلف في الرئتين. يتم توصيل الأكسجين عن طريق أنابيب خاصة أو أجهزة تنفس.

2. اللحام والقطع:

   يستخدم الأكسجين مع الغازات الأخرى في اللحام والقطع الحراري. يحترق الأكسجين مع الوقود الأخرى مثل الأسيتيلين لإنتاج درجات حرارة عالية جدًا، وهذا يساعد في اللحام والقطع الدقيق للمعادن.

3. العلاج الطبيعي والتجميل:

   يستخدم الأكسجين في بعض العلاجات الجلدية والتجميلية. يتم تطبيق الأكسجين المركز على البشرة لتحفيز تجديد الخلايا وتحسين مرونة الجلد.

4. الصناعات الكيميائية:

   يستخدم الأكسجين في العديد من الصناعات الكيميائية. يستخدم في عمليات الأكسدة والاحتراق في تصنيع المواد الكيميائية والأسمدة والمبيدات الحشرية والمواد البتروكيماوية.

5. الغوص:

   يستخدم الأكسجين في الغوص العميق لتوفير الهواء للغواصين. تستخدم أسطوانات الأكسجين لتأمين التنفس تحت الماء أثناء الغوص في عمليات الإصلاح أو البحث العلمي.

6. الحماية والسلامة:

   يستخدم الأكسجين في أجهزة الإطفاء وأنظمة السلامة للحماية من الحرائق. يقوم الأكسجين بتغذية الحرائق وزيادة قوتها، ولكنه أيضًا يساعد في إطفاء الحرائق بفعالية.

هذه بعض الاستخدامات الرئيسية للأكسجين، وهناك العديد من الاستخدامات الأخرى في مجالات مثل الصناعات الفضائية والغذاء والطيران.

الأسئلة الشائعة

ما هو الأكسجين؟

الأكسجين هو عنصر كيميائي يمثل بالرمز O ورقمه الذري 8. يعتبر الأكسجين غازًا عديم اللون والطعم والرائحة وهو جزء هام في الهواء الذي نتنفسه.

كيف يتم الحصول على الأكسجين؟

يتم الحصول على الأكسجين عن طريق عملية فصل الهواء. يتم تبريد الهواء إلى درجة حرارة منخفضة جدًا لتكثيف العناصر الأخرى فيه، مما يترك الأكسجين في حالة غازية.

ما هي أهمية الأكسجين في الحياة؟

الأكسجين ضروري للحياة على الأرض. يعتبر عنصرًا أساسيًا في عملية التنفس حيث يساعد في إنتاج الطاقة من الغذاء في خلايا الجسم. كما يساعد الأكسجين في الاحتراق والتنفس الخلوي والعديد من العمليات الحيوية الأخرى.

هل يمكن استخدام الأكسجين في العلاجات الطبية؟

نعم، يستخدم الأكسجين في العديد من العلاجات الطبية. يمكن توصيل الأكسجين للمرضى الذين يعانون من صعوبة في التنفس أو تلف في الرئتين لتحسين التشبع بالأكسجين وتوفير الدعم التنفسي.

هل للأكسجين استخدامات في الصناعة؟

نعم، يستخدم الأكسجين في العديد من الصناعات. يستخدم في العمليات الكيميائية واللحام والقطع الحراري وتصنيع المواد الكيميائية والمزيد. كما يستخدم أيضًا في الغوص العميق وأنظمة الإطفاء للحماية والسلامة.

هل يمكن أن يكون للأكسجين آثار جانبية؟

في العادة، الأكسجين آمن للاستخدام في الجرعات العادية. ومع ذلك، قد تحدث بعض الآثار الجانبية مثل الجفاف والتهيج في الجهاز التنفسي عند استخدامه لفترات طويلة أو بجرعات عالية. من الأهمية بمكان استشارة الطبيب قبل استخدام الأكسجين بشكل مطول أو غير عادي.

لماذا لا يوجد الأكسجين في شكل أحادي الذرة في الطبيعة؟

الأكسجين عنصر نشط وغير مستقر بسبب عدم اكتمال غلافه الأخير بثمانية إلكترونات لذلك تحاول أن تحصل على هذا الاستقرار عن طريق الاتحاد مع نفسه أو بروابط تساهمية أو مع عناصر أخرى.

المصادر

1. أيمن سليمان مزاهرة. (2011). البيئة والمجتمع. الأردن: ‪Al Manhal‬. ص:100.