Ôxy

Cấu trúc

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, ôxy là chất khí không màu, không mùi và không vị có công thức phân tử là O₂, trong đó hai nguyên tử ôxy liên kết với nhau với cấu hình electron có spin mức 3. Liên kết này có bậc liên kết là 2 và thường được đơn giản hóa trong miêu tả như là liên kết đôi, hoặc như là tổ hợp của một liên kết có 2 electron và 2 liên kết có 3 electron.
Ôxy mức 3 (không phải ôzôn, O₃) mà là trạng thái năng lượng cơ bản của phân tử O₂. Cấu hình electron của phân tử này có 2 electron không tạo cặp mà tách ra riêng lẻ chiếm 2 orbital phân tử suy biến. Các orbital này được xếp vào nhóm phản liên kết (làm suy giảm bậc liên kết từ 3 xuống còn 2), vì vậy liên kết ôxy 2 nguyên tử yếu hơn liên kết 3 của 2 nguyên tử nitơ, theo đó tất cả các orbital nguyên tử liên kết đều được lấp đầy còn các orbital phản liên kết thì không đầy.
Ở dạng ôxy mức 3, phân tử O₂ là thuận từ— Chúng tạo thành nam châm trong trường từ — do mô men từ Spin của cặp đôi electron không liên kết trong phân tử, và năng lượng trao đổi âm giữa các phân tử O₂ lân cận.
Ôxy mức đơn (singlet oxygen) là tên gọi cho các phân tử O₂ ở mức năng lượng cao, ở mức đó các tất cả electron spin đều có cặp, có khuynh hướng linh động hơn đối với phân tử hữu cơ thông thường. Trong tự nhiên, singlet ôxy thường được tạo thành từ nước qua quá trình quang hợp sử dụng năng lượng mặt trời. Nó cũng được tạo ra trong tầng đối lưu bằng phản ứng quang phân ôzôn dưới ánh sáng bước sóng ngắn, và từ hệ thống miễn dịch với vai trò là nguồn ôxy chủ động. Các carotinoit trong các sinh vật quang hợp (và cũng có thể trong các động vật) đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thu năng lượng từ singlet ôxy và chuyển hóa nó thành trạng thái ổn định không bị kích thích trước khi nó có thể gây hại cho các tế bào.
Ôxy là một thành phần quan trọng của không khí, được sản xuất bởi cây cối trong quá trình quang hợp và là cần thiết để duy trì sự hô hấp của người và động vật.
Ôxy lỏng và ôxy rắn có màu xanh nhạt và cả hai đều là chất thuận từ. Ôxy lỏng thông thường được chưng cất từng phần từ không khí hóa lỏng. Cả ôzôn lỏng và ôzôn rắn (O₃) có màu xanh thẫm.
Một thù hình khác của ôxy, oxozon, O₄, mới được phát hiện gần đây là chất rắn có màu đỏ thẫm được tạo thành bằng cách ép O₂ dưới áp lực 20 GPa. Các thuộc tính của nó đang được nghiên cứu để sử dụng làm nguyên liệu cho tên lửa và các ứng dụng tương tự khác, vì nó là một chất ôxi hóa mạnh hơn nhiều so với O₂ hay O₃.

Sự phổ biến

Ôxy là nguyên tố phổ biến nhất ở vỏ Trái Đất. Ôxy là nguyên tố phổ biến thứ 3 trong vũ trụ sau hydro và heli. Khoảng 0,9% khối lượng của Mặt Trời là ôxy. Người ta ước tính nó chiếm 49,2% khối lượng của vỏ Trái Đất. và chiếm khoảng 88,8% khối lượng các đại dương (là H₂O, hay nước) và 20% theo thể tích bầu khí quyển Trái Đất (là O₂, ôxy phân tử, hay O₃, ôzôn).
Các hợp chất của ôxy, chủ yếu là ôxít của các kim loại, silicat (SiO₄⁴⁻) và cacbonat (CO₃²⁻), tìm thấy trong đất và đá. Nước đóng băng là chất rắn phổ biến trên các hành tinh khác cũng như sao chổi. Chỏm băng của Sao Hỏa là cacbon điôxít đóng băng. Hợp chất của ôxy tìm thấy trong khắp vũ trụ và quang phổ của ôxy được tìm thấy ở các ngôi sao.

Ứng dụng

Ôxy được sử dụng làm chất ôxy hóa, chỉ có flo có độ âm điện cao hơn nó. Ôxy lỏng được sử dụng làm chất ôxy hóa trong tên lửa đẩy. Ôxy là chất duy trì sự hô hấp, vì thế việc cung cấp bổ sung ôxy được thấy rộng rãi trong y tế. Những người leo núi hoặc đi trên máy bay đôi khi cũng được cung cấp bổ sung ôxy. Ôxy được sử dụng trong công nghệ hàn cũng như trong sản xuất thép và rượu methanol.
Ôxy, như là một chất kích thích nhẹ, có lịch sử trong việc sử dụng trong giải trí mà hiện nay vẫn còn sử dụng. Các cột chứa ôxy có thể nhìn thấy trong các buổi lễ hội ngày nay. Trong thế kỷ XIX, ôxy thường được trộn với nitơ ôxít để làm các chất giảm đau.

Khám phá

Ôxy được phát hiện bởi dược sĩ người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele năm 1772 bằng cách đun nóng oxit đồng và một hỗn hợp vài muối nitrat. Scheele gọi oxy là "khí cháy" vì nó là khí hỗ trợ sự cháy duy nhất được phát hiện lúc đó. Ông đã viết một báo cáo về phát hiện này trong một bản thảo của mình với tựa đề  Treatise trên Air và Fire, sau đó gửi cho nhà xuất bản trong năm 1775. Tài liệu này sau đó được xuất bản vào năm 1777.
Tên hệ thống nguyên tố của ôxy là octium.

Hợp chất

Vì thế điện âm cao của nó, ôxy tạo thành các liên kết hóa học với phần lớn các nguyên tố khác (đây chính là nguồn gốc của định nghĩa nguyên thủy của từ ôxy hóa). Các nguyên tố duy nhất có thể tránh không bị ôxy hóa chỉ là một số khí trơ. Nổi tiếng nhất trong số các ôxít tất nhiên là hiđrô ôxít, hay nước (H₂O). Các chất khác cũng được nhắc đến nhiều là hợp chất của cacbon và ôxy, như cacbon điôxít (CO₂), các chất như rượu (R-OH), alđêhít (R-CHO), và axít cacboxylic (R-COOH). Các gốc ôxy hóa như clorat (ClO₃⁻), peclorat (ClO₄⁻), crômat (CrO₄²⁻), đicrômat (Cr₂O₇²⁻), pemanganat (MnO₄⁻), và nitrat (NO₃⁻) là những chất ôxy hóa rất mạnh. Rất nhiều kim loại như sắt chẳng hạn liên kết với các nguyên tử ôxy, tạo thành ôxít sắt (III) (Fe₂O₃). Ôzôn (O₃) được tạo thành trong quá trình phóng tĩnh điện với sự có mặt của ôxy phân tử. Ôxy phân tử đôi (O₂)₂ hiện nay đã biết và tìm thấy như là một phần nhỏ trong ôxy lỏng. Các êpôxít là các ête trong đó nguyên tử ôxy là một phần của vòng gồm ba nguyên tử.

Trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, O₂ được điều chế bằng cách phân hủy những hợp chất giàu ôxi và ít bền đối với nhiệt như KMnO₄(rắn),KClO₃ (rắn)...
VD: 
2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
2KClO3 → 2KCl + 3O₂
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
2H₂O → 2H₂ + O₂
Ag₂O + H₂O₂ → 2Ag + H₂O + O₂
2KI + O₃ + H₂O → I₂ + 2KOH + O₂
5H₂O₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5O₂ + K₂SO₄ + 8H₂O