اکسیژن

شنبه ۲۹ مرداد ۰۱ | ۱۶:۲۴ ۱۳۷ بازديد

اکسیژن (O) عنصر شیمیایی و غیرفلزی گروه 16 جدول تناوبی یا همان گروه خانواده اکسیژن است. فرمول شیمیایی مولکول اکسیژن به صورت O₂ است که در آن دو اتم اکسیژن توسط یک پیوند دوگانه به یکدیگر متصل شده‌اند. حضور این گاز بی رنگ، بی بو و بی مزه برای موجودات زنده ضروری است؛ مولکول آن توسط بدن جانوران جذب شده و در نهایت به دی اکسید کربن تبدیل می‌شود. گیاهان نیز به نوبه خود از دی اکسید کربن به عنوان منبع کربن استفاده کرده و اکسیژن را به جو برمی‌گردانند. در این مقاله به بررسی مهمترین خواص گاز اکسیژن و مشخصات آن خواهیم پرداخت.

مشخصات گاز اکسیژن

مولکول اکسیژن در دمای زیر 183- درجه سانتیگراد (297- درجه فارنهایت)، مایعی یه رنگ آبی کم رنگ است. در حدود -218 درجه سانتیگراد (361- درجه فارنهایت) نیز به حالت جامد در می‌آید. قابل ذکر است که اکسیژن خالص 1.1 برابر سنگین‌تر از هوا است.

اکسیژن طبیعی مخلوطی از سه ایزوتوپ پایدار است: اکسیژن-16 (99.759 درصد)، اکسیژن-17 (0.037 درصد) و اکسیژن-18 (0.204 درصد). همچنین چندین ایزوتوپ رادیواکتیو به طور مصنوعی تهیه و شناخته شده است که ناپایدار هستند. طولانی‌ترین نیم عمر متعلق به اکسیژن 15 (نیمه عمر 124 ثانیه) است که به منظور مطالعه فرآیند تنفس در پستانداران استفاده می‌شود.

مهمترین خواص گاز اکسیژن در زیر ذکر شده است:

بی رنگ، بی بو و بی مزه است.
به راحتی در آب سرد حل می‌شود.
بسیار واکنش پذیر است و تقریباً با همه عناصر به جز گازهای نجیب، اکسید تشکیل می‌دهد.
اکسیژن مایع به شدت پارامغناطیس است.
به سه شکل آلوتروپیک تک اتمی، دو اتمی و سه اتمی وجود دارد.

فراوانی و ترکیبات اکسیژن

اکسیژن فراوان ترین عنصر در پوسته زمین است که 496 درصد جرمی آن را تشکیل می‌دهد. نسبت حجمی آن در جو 21 درصد و نسبت وزنی آن در آب دریا 89 درصد است. مولکول اکسیژن در سنگ‌ها با فلزات و نافلزات به شکل اکسیدهایی اسیدی (مانند گوگرد، کربن، آلومینیوم و فسفر) یا بازی (مانند کلسیم، منیزیم و آهن) پیدا شده و به صورت ترکیبات نمکی نیز یافت می‌شود. امکان تشکیل اکسیدهای اسیدی و بازی مانند سولفات‌ها، کربنات‌ها، سیلیکات‌ها، آلومینات‌ها و فسفات‌ها نیز توسط اکسیژن وجود دارد.

اما نکته مهم اینجاست که با وجود فراوانی بسیار این ترکیبات جامد، منابع چندان مفید و کاربردی نیستند؛ زیرا جداسازی اکسیژن از این ترکیبات به دلیل پیوند محکمی که با فلزات برقرار کرده است، بسیار پر هزینه و گران قیمت خواهد بود.

خواص و نقش مولکول اکسیژن در تنفس جانوران و گیاهان

در طول فرآیند تنفس، حیوانات و برخی از باکتری‌ها مولکول اکسیژن را از جو گرفته و پس از واکنش‌های پیچیده، دی اکسید کربن را به جو باز می‌گردانند. از طرف دیگر، گیاهان سبز طی فرآیند فتوسنتز، دی اکسید کربن را در حضور نور خورشید جذب کرده و مولکول اکسیژن را تولید می‌کنند؛ به طوری که می‌توان گفت تمام اکسیژن آزاد موجود در جو به دلیل فتوسنتز ایجاد شده است.

مهمترین کاربردها و خواص گاز اکسیژن در صنایع

صنعت فولاد بزرگترین مصرف کننده اکسیژن خالص است. این صنعت از خواص گاز اکسیژن به منظور تبخیر دی اکسید کربن و سایر ناخالصی‌های غیرفلزی استفاده می‌کند. استفاده از اکسیژن باعث می‌شود که این فرآیند سریع‌تر و راحت‌تر از زمانی که هوا استفاده می‌شود، انجام شود.

تصفیه فاضلاب‌ها و پساب‌های مایع توسط اکسیژن نیز نسبت به روش‌های شیمیایی دیگر موثرتر است. همچنین سوزاندن زباله‌ها در سیستم‌های سر بسته با استفاده از اکسیژن خالص اهمیت و کاربرد زیادی دارد.

هوای غنی شده با اکسیژن نیز جایگزین هوای معمولی در صنایع شیمیایی برای تولید مواد شیمیایی کنترل شده با اکسیداسیون مانند استیلن، اتیلن اکسید و متانول شده است.

نحوه تولید و جداسازی گاز اکسیژن

در صورت نیاز به مقادیر زیاد اکسیژن، آن را با تقطیر جزء به جزء هوای مایع با در نظر گرفتن خواص گاز اکسیژن تهیه می‌کنند. از میان اجزای اصلی هوا، اکسیژن بالاترین نقطه جوش را دارد و بنابراین نسبت به نیتروژن و آرگون فراریت کمتری دارد. فرآیند تقطیر جزء به جزء هوای مایع نیز از این خاصیت اکسیژن استفاده کرده و آن را از هوا جا می‌کند.

مراحل اصلی عملیات شامل موارد زیر است:

هوا برای حذف ذرات فیلتر می‌شود.
رطوبت هوا و دی اکسید کربن حذف می‌شوند.
هوا فشرده شده و گرمای فشرده سازی با روش‌های خنک کننده حذف می‌شود.
هوای فشرده و خنک شده به کویل‌های موجود در یک محفظه منتقل می‌شود.
بخشی از هوای فشرده به محفظه منتقل شده و در آنجا منبسط می‌شود.
گاز منبسط شده با چندین مرحله انبساط و فشرده سازی به کمپرسور بازگردانده می‌شود که در نهایت منجر به مایع شدن هوای فشرده در دمای -196 درجه سانتیگراد می شود.
هوای مایع گرم می‌شود تا ابتدا گازهای نجیب سبک و سپس نیتروژن موجود در آن تقطیر شود.
مولکول اکسیژن با خلوص 99.5 درصد برای اکثر استفاده‌های صنعتی تولید می‌شود.