Թթվածին: թթ վ

8 Ազոտ ← Թթվածին → Ֆտոր 8O
Պարզ նյութի արտաքին տեսք
Անգույն, անհամ, անհոտ գազ Պատկեր:Oxygey spectre.jpg
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ	Թթվածին/ Oxygeyium (Oxygey)(O), O, 8
Ատոմային զանգված (մոլային զանգված)	[15,99903; 15,99977] զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա	[He] 2s2 2p4
Ատոմի շառավիղ	60 (48) պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտ 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
Իոնացման էներգիա (առաջին էլեկտրոն)	1313,1 (13,61) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Մոլյար ջերմունակություն	29,4 Ջ/(Կ·մոլ)
Մոլային ծավալ	14,0 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղային ցանց
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)
CAS համար	CAS գրանցման համար?

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 բաղադրության 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)։

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).

${\displaystyle {\mathsf {2HgO\ {\xrightarrow {^{o}t}}\ 2Hg+O_{2}\uparrow }}}$ 

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

 

Թթվածինը Երկրի կեղևի ամենատարածված էլեմենտն է։ Ազատ վիճակում գտնվում է մթնոլորտային օդում, կապված ձևով մտնում է ջրի, միներալների, լեռնային ապարների, և բոլոր այն բույսերի, որոնցից կազմված են բուսական և կենդանական օրգանիզմները։ 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։

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

${\displaystyle {\mathsf {6CO_{2}+6H_{2}O\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}\uparrow }}}$ 

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.

Լաբորատորիայում թթվածինը ստանում են թթվածին պարունակող բարդ նյութերի քայքայումից.

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O_{2}\ {\xrightarrow {MnO_{2}}}\ 2H_{2}O+O_{2}\uparrow }}}$ 

${\displaystyle \mathrm {2\,BaO_{2}\ {\xrightarrow {700\,^{\circ }C}}\ 2\,BaO+O_{2}} }$ 

${\displaystyle ~\mathrm {2H_{2}O{\xrightarrow {NaOH^{\circ }}}\ 2H_{2}+O_{2}\uparrow } }$ 

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

${\displaystyle {\mathsf {2KMnO_{4}\rightarrow K_{2}MnO_{4}+MnO_{2}+O_{2}\uparrow }}}$ 

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.

${\displaystyle {\mathsf {2HgO\rightarrow 2Hg+O_{2}\uparrow }}}$ 

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

 

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 90,19 Կ (-182,96 °C) ջերմաստիճանում,
• գոլորշիանում է 54,8 Կ (-218,35 °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. 20 °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։Թթվածնի հատկություններն ուսումնասիրելու համար այն պետք է ստանալ մաքուր վիճակում:Շվեդացի գիտնական Կարլ Շելեն 1771թ.առաջին անգամ անգամ թթվածին ստացել,ապա անգլիացի քիմիկոս Ջոզեֆ Փրիսթլին1774թ. կարմիր սնդիկի օքսիդի HgO քայքայումից.

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

• Թթվածնի փոխազդեցությունը ոչ մետաղների հետ.

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

Փոխազդում է ածխի հետ։

${\displaystyle {\mathsf {C+O_{2}\rightarrow CO_{2}\uparrow }}}$ 

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

${\displaystyle {\mathsf {2C+O_{2}\rightarrow 2CO\uparrow }}}$ 

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

${\displaystyle {\mathsf {S+O_{2}\rightarrow SO_{2}\uparrow }}}$ 

Փոխազդում է ֆոսֆորի հետ.

${\displaystyle {\mathsf {4P+5O_{2}\rightarrow 2P_{2}O_{5}}}}$ 

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

• Փոխազդեցությունը մետաղների հետ.

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

${\displaystyle {\mathsf {2Na+O_{2}\rightarrow Na_{2}O_{2}}}}$ 

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

${\displaystyle {\mathsf {2Mg+O_{2}\rightarrow 2MgO}}}$ 

${\displaystyle {\mathsf {3Fe+2O_{2}\rightarrow Fe_{3}O_{4}}}}$ 

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

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+O_{2}\rightarrow 2CuO}}}$ 

• Թթվածնով օքսիդանում են նաև բարդ նյութերը.

${\displaystyle {\mathsf {2SO_{2}+O_{2}\rightarrow 2SO_{3}}}}$ 

${\displaystyle {\mathsf {CH_{4}+2O_{2}\rightarrow CO_{2}+2H_{2}O}}}$ 

 

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.

${\displaystyle {\mathsf {C_{2}H_{2}+5O_{2}\rightarrow 4CO_{2}+2H_{2}O}}}$ 

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։

• Պարբերական աղյուսակ
• Օզոն