hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
أكسجين الإنتاج والتحضير
يمكن الحصول على كمّيّات صغيرة من الأكسجين من عمليّات صناعيّة أخرى. فعلى سبيل المثال ينتج الأكسجين عند إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء. كما يحصل عليه من امتزاز الغازات الأخرى الموجودة في الهواء بشكل نوعي، وذلك عن طريق تمرير الهواء خلال مناخل جزيئيّة مثل الزيوليت، حيث يمتز النتروجين وثنائي أكسيد الكربون عليها، ويبقى الأكسجين مع الآرغون، في مزيج غازي تتراوح فيه نسبة الأكسجين بين 90% إلى 93%. بشكل متوافق يتحرر النتروجين من سرير الزيوليت المشبع بالنتروجين من خلال تخفيض الضغط في حجرة العمليّة، وبتحويل قسم من غاز الأكسجين من سرير الإنتاج وتمريره باتجاه معاكس لمجرى التدفّق. تجرى هذه العمليّة لمرّات عدّة من أجل إعادة تنشيط الزيوليت في سرير المفاعلات، ممّا يسمح بتزويد مستمر من الأكسجين الغازي. تعرف هذه العمليّة باسم امتزاز تأرجح الضغط، وهي وسيلة غير محتاجة للتبريد.
أكسجين الإنتاج والتحضير
من بين الطرق القديمة لإنتاج الأكسجين هناك طريقة تعتمد على التفاعلات الكيميائية لتوليد الأكسجين في جهاز مولد الأكسجين الكيميائي. تعتمد تلك الطريقة على تسخين أكسيد الباريوم بوجود الهواء إلى 500 °س، حيث ينتج فوق أكسيد الباريوم، والذي يسخن بدوره إلى 700 °س، مما يؤدي إلى تحرر الأكسجين نتيجة التفكك الحراري. كانت هذه الطريقة تمثل الخيار الوحيد للحصول على الأكسجين النقي قبل تطوير طريقة ليندة.
تحرّر الأكسجين وانطلاقه، والحصول على أكسيد الباريوم مجدداً.
عادة ما يخزن الأكسجين المنتج صناعيّاً في أسطوانات غاز مضغوطة، وينقل عادة على شكل أكسجين مسيّل لأسباب اقتصاديّة، بحيث أن اللِتر الواحد من الأكسجين المسيّل يكافئ 840 لِتر من الأكسجين الغازي عند الضغط الجوي ودرجة حرارة مقدارها 20 °س.
يمكن تحضير الأكسجين مخبريّاً من تسخين بعض المركّبات اللاعضويّة الغنيّة بالأكسجين أو مفاعلتها مع مختزلات قويّة ممّا يؤدي إلى تحرير الأكسجين. من أمثلة هذه المركّبات كلّ من فوق منغنات البوتاسيوم ونترات البوتاسيوم وكلورات البوتاسيوم وكرومات البوتاسيوم. من بين الطرق الأخرى لتحضير الأكسجين مخبريّاً تفاعل تفكك الماء الأكسجيني (فوق أكسيد الهيدروجين) على صفيحة من النيكل مغطّاة بالبلاتين. أو بإجراء عملية تحليل كهربائي لمحلول من البوتاس الكاوي بوجود قطب كهربائي من النيكل.
أكسجين النظائر
للأكسجين ثلاثة نظائر مستقرة و14 نظيراً مشعّاً تتراوح كتلتها بين 12O و 28O، وكلّ النظائر المشعّة لها عمر نصف أقلّ من ثلاث دقائق. إنّ النظائر المستقرّة للأكسجين هي أكسجين-16 16O وأكسجين-17 17O وأكسجين-18 18O، لكن أكسجين-16 هو أكثرها وفرة طبيعية، حيث تبلغ نسبته في الطبيعة 99.762%، أمّا باقي النظائر فأقلّ من 1%، حيث 17O وفرته 0.037 %، في حين أنّ 18O وفرته 0.20 %.
إنّ أكثر النظائر المشعّة للأكسجين استقراراً هو النظير أكسجين-15، والذي عمر النصف له يبلغ 122.24 ثانية، والنظير أكسجين-14 بعمر نصف مقداره 70.61 ثانية. أمّا باقي النظائر المشعّة فلها قيم ضئيلة جدّاً من عمر النصف لا تتجاوز 27 ثانية، أضف إلى أنّ معظمها لا يتجاوز 83 ميلي ثانية. إنّ أكثر نمط اضمحلال للنظائر الأخفّ من 16O هو الإصدار البوزيتروني +β  والذي يعطي النتروجين. أمّا أكثر نمط اضمحلال شيوعاً بالنسبة للنظائر الأثقل من 18O فهو اضمحلال بيتا ليعطي الفلور.
أكسجين النظائر
للنظير 17O ميزة نوويّة فريدة، وهي امتلاكه لقيمة لف مغزلي نووي تبلغ 5/2 وهي قيمة مميّزة، ممّا يجعل لها تطبيقات في قياسات الرنين المغناطيسي النووي NMR، أمّا باقي نظائر الأكسجين المستقرّة فلها لفّ مغزلي نووي مقداره 0، وبالتالي فهي غير فعّالة لتقنية NMR. يستخدم النظير 15O في تقنية التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني.
أكسجين النظائر
يستخدم قياس تراكيز النظير 18O في مجال علم المناخ القديم من أجل معرفة حال المناخ في العصور الجيولوجيّة القديمة في المناطق القطبيّة، وذلك بناءً على حقيقة أنّ جزيئات الماء الحاوية على 16O، هي أخفّ بنسبة 12% من جزيئات الماء الحاوية على النظير الأثقل 18O، بالتالي فهي تتبخر بشكل أسرع. ممّا يعني بالتالي أنّ الطبقات الجليديّة الحاوية على نسبة مرتفعة نسبياً من 18O كانت قد تشكّلت في أوقات حارّة نسبيّاً، لأنّ حالات التبخّر الشديدة تحصل فقط في الحقبات الزمنيّة الحارّة، ممّا يؤدّي إلى تشكّل الغيوم الحاوية على نسبة مرتفعة من 18O. كلّما ارتفعت درجة حرارة الأرض كلّما ازدادت نسبة 18O في الغيوم، والتي يمكن أن تكون ضمن الهطولات المطرية أو الثلجية في الأماكن القطبيّة، أمّا في الحقبات الزمنيّة الباردة، فإنّ 18O يتركّز في الترسّبات البحريّة، إذ أنّ الجليد سيتكوّن من جزيئات الماء الحاوية على النظير الأخف 16O. يرمز لهذا الأسلوب في الأوساط العلمية بالرمز δ18O. إنّ تحليل النظائر في العيّنات اللبّيّة الجليديّة أو العيّنات المأخوذة من المناطق الرسوبية في أعماق البحار، بالإضافة إلى تحديد نسبة تركيز النظيرين 18O/16O في تلك العينات بواسطة تقنية مطيافية الكتلة، يعطي معلومات عن متوسّط درجة حرارة الأرض وعن السجلّ التاريخي للاحترار العالمي في الفترات القديمة من عمر الأرض. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ تحديد عدد التفاوتات بين الأوقات الحارّة (الصيف) والأوقات الباردة (الشتاء) يفيد في معرفة عمر العيّنة اللبّيّة.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
يكون الأكسجين في الشروط العاديّة من الضغط ودرجة الحرارة جزيئاً ثنائي الذرة O2 على هيئة غاز عديم اللون والرائحة والمذاق. يبلغ طول الرابطة O–O في جزيء الأكسجين الثنائي 121 بيكومتر، أمّا طاقة الرابطة فمقدارها 498 كيلوجول/مول.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
يؤدّي تبريد الأكسجين إلى الدرجة −182.95 °س (90.20 كلفن) إلى تكثيفه بحيث يُحصل على الأكسجين السائل أزرق اللون. يحصل على الأكسجين السائل عالي النقاوة من التقطير التجزيئي للهواء المسيّل، وهي مادّة مرتفعة النشاط الكيميائي ويجب فصلها عن المواد القابلة للاشتعال. عند درجات حرارة منخفضة جدّاً دون −218.79 °س (54.36 كلفن) يتجمّد الأكسجين على هيئة بلورات زرقاء من الأكسجين الصلب. في الحالة الصلبة يكون لجزيئات الأكسجين مغناطيسيّة مسايرة، أمّا البنية البلّوريّة فتكون متعدّدة الأشكال حسب درجة الحرارة. ففي مجال عند درجات الحرارة بين −218.75 و −229.35 °س يكون الأكسجين في نظام بلّوري مكعّب، وفي المجال بين −229.35 و −249.26 °س يكون الأكسجين في نظام بلّوري ثلاثي، في حين أنّه عند درجات حرارة أقلّ من −249.26 °س يكون الأكسجين في نظام بلّوري أحادي الميل. تبلغ قيمة النقطة الثلاثيّة للأكسجين عند −218.79 °س (54.36 كلفن) و 148 باسكال (0.148 كيلوباسكال)، أمّا النقطة الحرجة فتقع عند ضغط مقداره 50.4 بار ودرجة حرارة مقدارها −118.4 °س (154.7 كلفن)، في حين أنّ الكثافة الحرجة تبلغ قيمتها 0.436 غ/سم3.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
إنّ انحلاليّة غاز الأكسجين في الماء أكبر من انحلاليّة غاز النتروجين، إلّا أنّها على الرغم من ذلك تعدّ ضعيفة. تتعلّق الانحلاليّة بالضغط ودرجة الحرارة، حيث ترتفع مع انخفاض درجة الحرارة ومع ازدياد الضغط. فعند درجة حرارة 0 °س وعند ضغط جزئي من أكسجين الهواء مقداره 212 هكتوباسكال فإنّ كمّيّة الأكسجين المنحلّة في الماء النقي تبلغ 14.6 مغ/ل، مقابل 7.6 مغ/ل عند الدرجة 20 °س.
يمكن للأكسجين أن يتوهّج داخل أنبوب تفريغ وذلك بلون أبيض. لتحقيق ذلك ينبغي ضبط شروط التشغيل كالتالي: الضغط داخل الأنبوب (التخلية) حوالي 5-10 ميلي بار، جهد عالي مقداره 1.8 كيلوفولط، شدّة تيّار مقدارها 18 ميلي أمبير، وتردّد مقداره 35 كيلوهرتز. تترافق ظاهرة التوهّج الطيفي للأكسجين الجزيئي مع حالات توهّج طبيعيّة مثل الشفق القطبي والتوهّج الليلي. إنّ امتصاص الأشعّة فوق البنفسجيّة في طبقات الجوّ العليا يعطي الأكسجين الذرّي، والذي له دور مهم في كيمياء الغلاف الجوّي.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
بالإضافة إلى الأكسجين الجزيئي O2 (ثنائي الأكسجين)، والذي يمثّل الشكل الشائع من العنصر على سطح الأرض، فإنّ للأكسجين متآصلات أخرى، أشهرها الأوزون O3، مع وجود متآصلات أقلّ شهرة مثل الأكسجين الذرّي بالإضافة ثماني الأكسجين O8.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
يعدّ الأوزون من متآصلات الأكسجين المعروفة، وهو يتألّف من ارتباط ثلاث ذرّات أكسجين (ثلاثي الأكسجين)، ويكون على شكل غاز أزرق اللون له رائحة مميّزة. من خواص الأوزون أنّه نشيط كيميائيّاً وفعّال بشكل كبير، إذ يصنّف من ضمن المؤكسدات القويّة، كما يصنّف ضمن المواد المؤذية للأنسجة الرئويّة. ينتج الأوزون في طبقات الجو العليا من تفاعل اتحاد O2 مع الأكسجين الذرّي O، الناتج عن انفصام الرابطة بين ذرتي الأكسجين في جزيء الأكسجين الثنائي تحت تأثير الأشعّة فوق البنفسجيّة. كما ينتج الأوزون أيضاً من تفاعل ثنائي أكسيد النتروجين مع الأكسجين تحت تأثير الأشعّة فوق البنفسجيّة. يعدّ الأوزون الأساس في تشكيل طبقة الأوزون، التي تلعب دوراً مهمّاً في امتصاص الأشعّة فوق البنفسجيّة القادمة إلى الأرض، وبالتالي الوقاية من الإشعاع. بالمقابل، عند وجود الأوزون بالقرب من سطح الأرض فإنّه يعدّ من ملوّثات الهواء عندما يتشكّل كناتج ثانوي من عوادم السيارات.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
عند تعريض الأكسجين إلى ضغوط مرتفعة تتجاوز 10 غيغا باسكال تتشكّل مادة صلبة حمراء اللون، والتي أظهر تركيبها بادئ الأمر بواسطة تقنيّة مطيافيّة الكتلة أنّها مكوّنة من الأكسجين الرباعي O4 شبه المستقر. تبيّن لاحقاً سنة 2006 أنّه عند تعريض الأكسجين لضغوط تصل إلى 20 غيغا باسكال فإنّ المادّة الحمراء المتشكّلة تتكوّن من حلقات من ثماني الأكسجين O8. يكون لهذا التجمّع من الذرّات بنية بلّوريّة حسب النظام البلّوري الثلاثي، ويحتمل أن يكون للمادة خواص مؤكسدة قويّة أكبر من الأكسجين الثنائي O2 أو الأوزون O3، لذلك فمن المقترح استخدامها من أجل وقود الصواريخ.
اكتشف سنة 1990 أنّه عند تعريض الأكسجين الصلب إلى ضغوط تتجاوز 96 غيغا باسكال فإنّه يحصل على طور فلزّي من الأكسجين، كما بيّنت التجارب لاحقاً سنة 1998 أنّ ذلك الطور يصبح ذا موصلية فائقة عند درجات حرارة منخفضة جدّاً.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
يكون الأكسجين في الشروط العاديّة على شكل غاز ثنائي الذرة، يسمّى في الأوساط العلميّة باسم ثنائي الأكسجين، وله الصيغة O2. إنّ التوزيع الإلكتروني للأكسجين يكون على الشكل He] 2s2 2p4]. ترتبط ذرتا الأكسجين كيميائيّاً في الجزيء O2 برابطة مضاعفة، تكون ناشئة عن ملء المدارات الجزيئيّة الناتجة عن تداخل المدارات الذريّة لكلّ ذرة أكسجين. يمكن تمثيل البنيّة الجزيئية للأكسجين باستخدام مخطّط المدارات الجزيئيّة، والذي توزّع فيه الإلكترونات مع تزايد الطاقة بشكل تدريجي حسب مبدأ أوفباو (البناء) وذلك من المدارات منخفضة الطاقة إلى الأعلى حتى الامتلاء. لا تسهم المدارات σ و *σ للإكترونات 2s في الرابطة بين ذرتي الأكسجين؛ بالمقابل فإنّ تداخل مدارين ذريّين (إلكترونين اثنين) من المدارات 2p يسهم في تشكيل رابطة سيغما σ تتموضع على طول محور الرابطة الجزيئيّة [O-O]. من جهة أخرى يعطي تداخل زوج من المدارات الذرّيّة 2p (أربعة إلكترونات) رابطة من باي π، والتي تكون عمودية على محور الرابطة الجزيئيّة [O-O]. بالتالي يبقى إلكترونين اثنين من المدارات 2p غير مقترنين وموجودين في المدار *π المضاد للترابط، واللّذان يسهمان في تشكيل الرابطة المضاعفة في جزيء O2، كما يسهمان في مقدرة الأكسجين على تشكيل نوع كيميائي ثنائي الجذر.
أكسجين الخواص الفيزيائيّة
تميل المدارات الجزيئيّة متساوية الطاقة والحاوية على إلكترونات غير مقترنة إلى الانفطار، وهذا ما يحصل بالنسبة للزوج الإلكتروني في المدار *π لجزيء الأكسجين، بحيث نحصل على حالة تخص اللف المغزلي تعرف باسم الحالة الثلاثيّة. لذلك فإن الحالة القاعيّة لجزيء O2 تعرف باسم الأكسجين الثلاثي. تكون جزيئات الأكسجين في الحالة الثلاثيّة ذات مغناطيسية مسايرة، أي أنّها تتميّز بخاصّة مغناطيسيّة عند وجود مجال مغناطيسي، وذلك بسبب العزم المغناطيسي الناتج عن الإلكترونات غير المقترنة في الجزيء.
في الحالة المثارة يوجد الأكسجين في حالة تعرف باسم الأكسجين الأحادي، وتنشأ هذه الحالة من اقتران اللف المغزلي للإلكترونات. يكون الأكسجين في هذه الحالة أشدّ نشاطاً كيميائيّاً، وهو يتشكّل في حالات عديدة في الطبيعة، مثل عمليّة التركيب الضوئي حيث يتشكّل من الماء باستخدام طاقة الشمس، كما تتشكل في طبقة التروبوسفير من التفكّك الضوئي للأوزون من الأشعّة فوق البنفسجيّة، بالإضافة إلى تشكّله في الجهاز المناعي كمصدر للأكسجين الفعّال. تسهم الكاروتينات في النباتات في عمليّة امتصاص الطاقة المرتفعة للأكسجين الأحادي وتحويله إلى الأكسجين الثلاثي منخفض الطاقة ممّا يقلّل من أضرار إلحاق الأذى بالأنسجة.
يمكن إجراء عمليّة تحضير الأكسجين الأحادي مخبريّاً بعدّة طرق إمّا بطريقة كيميائيّة ضوئيّة من الأكسجين الثلاثي، أو كيميائيّاً من مركّبّات حاوية على الأكسجين. لا يمكن الحصول على الأكسجين الأحادي بشكل مباشر من تعريض الأكسجين الثلاثي لإشعاع كهرومغناطيسي (مثل الضوء) وذلك لأسباب كموميّة تتمثّل في قواعد الاختيار بالنسبة لامتصاص الأشعّة الكهرومغناطيسيّة. لتجاوز حالة المنع هذه يمكن التعريض للإشعاع الكهرومغناطيسي بالفوتونات بشكل متزامن مع تصادم جزيئين اثنين. يحدث نتيجة هذا الفعل امتصاص في المجال الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي، ولذلك يظهر الأكسجين السائل بلون أزرق. يمكن إجراء العمليّة باستخدام مواد كيميائيّة مساعدة كالصباغ مثل أزرق الميثيلين أو الإيوسين، ممّا يسهّل من الحصول على الأكسجين الأحادي بأسلوب كيميائي ضوئي. يمكن الحصول على الأكسجين الأحادي كيميائيّاً من فوق الأكاسيد، فعند معالجة فوق أكسيد الهيدروجين (الماء الأكسجيني) مع تحت كلوريت الصوديوم يتشكّل حمض فوق أوكسو حمض الكلوريك وهو غير مستقرّ، ويتفكّك بسرعة مع تحرّر الأكسجين الأحادي. يمكن الحصول أيضاً على الأكسجين الأحادي مخبريّاً من تفاعل الكلور في وسط قلوي من الماء الأكسجيني.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
الأكسجين نشيط كيميائياً وله تفاعليّة مرتفعة، بحيث أنّه لا يوجد في الشروط العادية على شكل عنصر حر، إنّما على شكل جزيئي. تتّسم تفاعلات الأكسجين أنّها تفاعلات أكسدة-اختزال، يقوم فيها الأكسجين باستقبال إلكترونين اثنين لتشكيل الأكسيد الموافق، بالتالي يصنّف العنصر ضمن المؤكسدات. يكون للشكل السائل من الأكسجين قوّة أكسدة أكبر من غاز الأكسجين، وهو الحال أيضاً مع الشكل الذرّي O، والذي يعدّ من المواد الأكالة، بحيث أنّه على سبيل المثال، يسبّب تآكلاً للمركبات الفضائية عند المدار الأرضي المنخفض.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
يتفاعل الأكسجين الذرّي بشكل مباشر مع أغلب العناصر الكيميائيّة الأخرى، مع وجود استثناءات من اللافلزّات والفلزّات النبيلة. يمكن أن يتفاعل الأكسجين مع النتروجين تحت شروط خاصة مثل البرق في طبقات الجو أو داخل محرك الاحتراق الداخلي.
أمّا الفلور فيتفاعل مع الأكسجين فقط عند درجات حرارة منخفضة وتحت تفريغ كهربائي. بالمقابل فإنّ غاز الأكسجين يتفاعل ببطء شديد عند الشروط العاديّة من الضغط ودرجة الحرارة؛ يعود السبب في ذلك إلى أنّ التفاعل يحتاج إلى طاقة تنشيط مرتفعة والتي يمكن تجاوزها برفع درجة الحرارة أو باستخدام الأشعّة فوق البنفسجيّة أو باستخدام حفّاز ملائم. يلزم لبعض التفاعلات وجود آثار من جذر كيميائي حرّ، كما هو الحال في مخلوط هيدروجين وأكسجين الانفجاري، حيث تسهم في دور تحفيز التفاعل التسلسلي. من جهة أخرى، تشكّل الكثير من الفلزّات، مثل الألومنيوم والتيتانيوم، أثناء تفاعلها مع الأكسجين طبقة من الأكسيد على سطحها تقوم بدور مخمّل يمنع استمرار التفاعل، ممّا يحميها من التآكل.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
يمكن للأكسجين أن يتصرّف كيميائيّاً على هيئة ربيطة مع الفلزّات الانتقاليّة مشكّلاً معقّدات تناسقيّة ثنائيّة الأكسجين. يتضمّن هذا الصنف من المركّبات كلّ من بروتينات الهيم مثل الهيموغلوبين والميوغلوبين.
يؤكسد الأكسجين المنحل أيونات المنغنيز الثنائي في المحاليل إلى المنغنيز بحالات أكسدة أعلى. يعدّ هذا التفاعل الكيميائي أساس اختبار فينكلر لتحديد كمّيّة الأكسجين المنحلّ، والذي يعتمد على إضافة فائض من اليود، والذي يقوم عند تحميض الوسط باختزال المنغنيز مرّة أخرى إلى المنغنيز الثنائي، ويتحرّر بذلك اليود الثنائي، والذي تحدّد كمّيّته باستخدام المعايرة اليوديّة باستخدام أيون ثيوكبريتات (ثيوسلفات)، ممّا يعطي بالتالي مؤشّراً على كمّيّة الأكسجين المنحلّة.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
تستخدم حسّاسات الأكسجين (حسّاس لامدا) من أجل تحديد كمّيّة غاز الأكسجين في الوسط المحيط داخل محرّكّات البنزين مثلاً وذلك لأعراض بيئيّة. لتحقيق ذلك يمرّر المزيج الغازي الصادر عن عادم السيارات عبر الحسّاس، والذي يكون على شكل أنبوب يحوي الإتريوم المطعّم بالزركونيا والمغلّف بالبلاتين على هيئة قطب إلكتروني. تؤدّي الضغوط الجزئيّة المختلفة للأكسجين إلى حدوث فرق كمون مختلف على الأقطاب الكهربائيّة، ممّا يمكّن من قياس نسبة الأكسجين بنسب تصل إلى بضعة أجزاء في المليون وذلك في مجالات مختلفة من درجات الحرارة تتراوح بين 300 °س إلى 1500 °س.
يعتمد قطب كلارك على استخدام طرق أمبيريّة لتحديد تركيز الأكسجين المنحلّ. يتكون القطب (المسرى) من مجموعة من أقطاب من البلاتين ومن الفضّة/كلوريد الفضّة Ag/AgCl الموجودة في وسط من كهرل مفصول بغشاء من التفلون عن العيّنة. يستطيع الأكسجين المنحل الانتشار والنفوذ عبر الغشاء إلى المحلول الكهرلي، وعند ذلك يمكن اختزاله في مجال جهد يتراوح بين −600 إلى -800 ميلي فولت في المهبط، بحيث تتناسب كمّيّة الأكسجين المنحلّ مع شدّة التيّار.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
يمكن تحديد كمّيّة الأكسجين بطرق بصريّة عن طريق الاعتماد على حقيقة أنّ الأكسجين يستطيع إخماد فلوريّة الجزيئات المثارة. بالتالي أصبح من الممكن تطوير حسّاسات بصريّة تعتمد على مبدأ تخامد فلوريّة جزيئات خاصّة تصطنع كيميائيّاً من معقّدات تناسقيّة مصمّمة على ذرّة مركزيّة من فلزّات انتقاليّة مثل الروثينيوم (Ru(II والإريديوم (Ir(II والبلاتين (Pt(II والبالاديوم (Pd(II، أما الربيطات فتكون من مشتقّات البيبيريدين والفينانثرولين والبورفيرين. تغلّف تلك الحسّاسات ضمن شبكة بوليمرية، ويكفي لإثارة الحسّاس وجود مصدر ضوئي من ليزر أشباه الموصلات. تصل الدرجة الحدّيّة لقياس تركيز الأكسجين إلى 5 جزء في البليون حجماً.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
يشكّل الأكسجين مركّبات كيميائيّة مع كافّة العناصر الكيميائيّة تقريباً ما عدا الغازات النبيلة التالية: الهيليوم والنيون والآرغون. للأكسجين كهرسلبيّة مرتفعة، لذلك فإنّ حالة الأكسدة -2 هي السائدة في أغلب مركّباته على شكل أكاسيد. لا يكون للأكسجين حالة أكسدة موجبة إلّا في المركّبات التي يرتبط فيها الأكسجين مع عنصر أكثر كهرسلبيّة منه، مثل الفلور، والذي يشكّل معه مركّب ثنائي فلوريد ثنائي الأكسجين O2F2 (حالة الأكسدة +1)، ومركّب ثنائي فلوريد الأكسجين OF2 (حالة الأكسدة +2). بما أنّ استقطاب الشحنة السالبة في المركّبات المذكورة يكون عند ذرّة الفلور، بالتالي فإنّ تلك المركّبات تصنّف ضمن الفلوريدات وليس ضمن الأكاسيد.
بالإضافة إلى مركّبات الأكاسيد، يوجد الأكسجين أيضاً في مركّبات أيونيّة على شكل فوق أكسيد 2−O2 (حالة أكسدة −1) و أكسيد فائق −O2 (حالة أكسدة −1/2) وأوزونيد −O3 (حالة أكسدة −1/3)، بالإضافة إلى كاتيون ثنائي أكسجينيل +O2.
تتعلّق نوعيّة الرابطة الكيميائيّة للأكسجين في مركّباته مع العنصر الشريك فيها، فهي إمّا أن تكون رابطة تساهميّة أو رابطة أيونيّة.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
يشكّل الأكسجين مركّبات الأكاسيد مع معظم العناصر الكيميائيّة تقريباً، وذلك بسبب الكهرسلبيّة المرتفعة للعنصر. يعدّ الماء H2O أشهر مركّبات الأكسجين الكيميائيّة، وهو من الناحية الكيميائيّة أكسيد للهيدروجين. يرتبط الهيدروجين مع الأكسجين برابطة تساهميّة في جزيء الماء، ولكنّ الشحنة الكهربائيّة السالبة الموجودة على ذرّة الأكسجين من الزوج الإلكتروني الحرّ تؤدّي إلى تشكيل روابط هيدروجينيّة مع جزيئات ماء مجاورة، ممّا يؤدّي إلى ترابط الذرّات واقترابها من بعضها البعض بنسبة تصل إلى 15% من أيّ سائل عادي تترابط ذرّاته بمجرد قوى فان دير فالس.
تعدّ أكاسيد اللافلزّات من المركّبات واسعة الانتشار في الطبيعة ذات صفة تساهميّة، مثل أكاسيد الكربون (أحادي وثنائي أكسيد الكربون)، بالإضافة إلى أكاسيد النتروجين وأكسيد الكبريت.
يكون نوع الرابطة الكيميائيّة بين الأكسجين والفلزّات المختلفة في الأكاسيد ذات صفة أيونيّة على الغالب. يتفاعل الأكسجين مع الفلزّات القلويّة والقلويّة الترابيّة ليعطي أكاسيد ذات صفات قاعديّة، مثل أكسيد الصوديوم Na2O وأكسيد الكالسيوم CaO.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
مع ارتفاع رقم الأكسدة يكون لبعض الأكاسيد صفة مذبذبة (أمفوتيريّة، يتفاعل المركّب مع كلّ من الأحماض والقواعد) مثل أكسيد الألومنيوم، في حين أنّ لبعض الأكاسيد صفة حمضيّة واضحة كما هو الحال مع أكسيد الكروم السداسي.
توجد الكثير من الفلزّات في الطبيعة على هيئة أكاسيد، والتي تمثّل بالتالي المصدر الطبيعي لإنتاج وتعدين تلك الفلزّات. من أمثلة هذه المعادن في القشرة الأرضيّة كلّ من ثنائي أكسيد السيليكون SiO2 (السيليكا) والموجود في صخور الغرانيت والكوارتز، وأكسيد الألومنيوم الموجود في صخور البوكسيت والكوروند، وأكسيد الحديد الثلاثي الموجود في الهيماتيت والصدأ.
هناك بعض الحالات التي لا يكون فيها الأكسجين في مركّباته حسب قياس اتحاديّة العناصر، حيث تبدي العناصر تكافؤاً مختلفاً عند اتّحادها مع الأكسجين، وتعرف تلك المركّبات باسم دون الأكاسيد، ومن أمثلتها دون أكسيد البورون ودون أكسيد الكربون.
أكسجين الخواص الكيميائيّة
يستطيع الأكسجين تشكيل مركّبات عدّة حاوية على الرابطة أكسجين-أكسجين O-O مثل مركّبات فوق الأكاسيد والأكاسيد الفائقة والأوزونيد. لفوق الأكاسيد مثل الماء الأكسجيني (فوق أكسيد الهيدروجين) بنية حاوية على الأيون 2−O2، ويكون الأكسجين برقم أكسدة مقداره -1. نتيجة الانفصام السهل للرابطة O-O تستطيع مركّبات فوق الأكاسيد تشكيل جذور كيميائيّة بشكل سهل، وهي مركّبات مؤكسدة قويّة وتستخدم كمواد قاصرة.
يكون للأكسجين حالة أكسدة مقدارها −½ في الأكاسيد الفائقة، والتي تحوي على أنيون −O2، وهي تعدّ من أنواع الأكسجين التفاعليّة. من أمثلة تلك المركّبات كلّ من فائق أكسيد الصوديوم وفائق أكسيد البوتاسيوم وفائق أكسيد الليثيوم. أمّا الأوزونيدات فهي مركّبات مشتقّة من الأوزون وتحوي في بنيتها على الأنيون −O3. يوجد هناك أملاح من مركّبات أوزونيد، بالإضافة إلى مركّبات أوزونيد عضويّة، والتي تتشكّل من تفاعل إضافة الأوزون إلى الألكينات.
تمثّل مركّبات الهيدروكسيد مجموعة واسعة من مركّبات الأكسجين، والحاوية على الهيدروجين أيضاً في تركيبها. للهيدروكسيدات طبيعة أيونيّة في الغالب، وذلك لوجود أيون هيدروكسيد فيها، ومن أشهر أمثلتها هيدروكسيد الصوديوم NaOH وهيدروكسيد البوتاسيوم KOH.
يحصل على الأحماض الأكسجينيّة من أكاسيد اللافلزّات وأكاسيد الفلزّات ذات أرقام الأكسدة العليا مع الماء (الأكاسيد الحمضيّة). من أمثلة تلك الأحماض كل من حمض الكبريتيك وحمض النتريك.
عادة ما تزداد قيمة ثابت تفكّك الحمض بازدياد عدد ذرّات الأكسجين فيه.
يمثّل الأكسجين بالإضافة إلى الكربون والهيدروجين والنتروجين والكبريت أحد أهمّ العناصر في الكيمياء العضويّة، حيث يدخل في تركيب العديد من المجموعات الوظيفيّة، والتي تشكّل الوحدات البنائيّة المميّزة للمركّبات العضويّة.
يمكن للأكسجين أن يرتبط مع الكربون إمّا على هيئة رابطة أحاديّة كما هو الحال في مركّبات الإيثر، أو على هيئة رابطة مضاعفة كما هو الحال في مركّبات الكربونيل.
هناك أصناف عدّة من مركّبات الأكسجين العضويّة وهي تشمل:
الكحولات: وهي مركّبات عضويّة تحوي على مجموعة الهيدروكسيل الوظيفيّة -HO، ويرتبط فيها الكربون مع الأكسجين برابطة أحاديّة. أبسط مركّبات الكحولات وأشهرها هي الميثانول CH3OH والإيثانول C2H5OH.
الألدهيدات: وهي مركّبات عضويّة تحوي على المجموعة الوظيفيّة R–CHO، حيث يمثّل R الباقي العضوي، أمّا CHO فتكون على شكل مجموعة كربونيل طرفيّة، يرتبط فيها الكربون الطرفي مع ذرّة هيدروجين. أشهر مركّبات الألدهيد وأبسطها هو فورمالدهيد HCOH.
توجد أيضاً مركّبات عضويّة أخرى للأكسجين مثل المركّبات الحلقيّة غير المتجانسة مثل الفوران ورباعي هيدرو الفوران و4،1-ديوكسان.
هناك العديد من المركّبات العضويّة الحاوية على الأكسجين في تركيبها والتي لها دور حيوي كبير مثل السكريّات والدهون والأحماض الدهنيّة والأحماض الأمينيّة والبروتينات، بالإضافة إلى مركّبات الفوسفات العضويّة والتي تدخل في تركيب الجزيئات الحاملة للطاقة مثل ثلاثي فوسفات الأدينوسين ATP وثنائي فوسفات الأدينوسين ADP.
أكسجين الدور الحيوي
لم يكن غاز الأكسجين الحر O2 موجوداً في الغلاف الجوّي للأرض عند بداية تشكّله، وذلك قبل حوالي 3.5 بليون سنة، أي قبل وجود الحياة البدائية على سطح الأرض مثل البكتيريا القديمة. ظهر الأكسجين الحرّ بكمّيّات جيّدة أثناء حقبة الطلائع القديمة قبل فترة زمنيّة تتراوح بين 2.7 إلى 2.3 بليون سنة مضت. في البليون سنة الأولى كانت كمّيّات الأكسجين المنتجة من المتعضّيات الحيّة البسيطة تتّحد مع مصهور الحديد في المحيطات من أجل تشكيل حزم من خامات الحديد في طبقات الأرض. بعد انتهاء تلك المرحلة وتشبّع المحيطات، بدأ الأكسجين الحرّ بالانطلاق من تلك الخزّانات لتصل إلى نسبة 10% من القيمة الحاليّة للأكسجين قبل حوالي 1.7 بليون سنة مضت.
منذ بداية حقبة العصر الكامبري منذ 540 مليون سنة مضت، ارتفعت مستويات غاز الأكسجين O2 في الغلاف الجوّي إلى نسب تتراوح بين 15% و 30% حجماً. إلى نهاية العصر الفحمي قبل حوالي 300 مليون سنة وصلت مستويات O2 في الغلاف الجوّي إلى نسبة أعظميّة تبلغ 35% حجماً، والتي لربما ساهمت في تكوين الأحجام الكبيرة من الحشرات والبرمائيات في ذلك الوقت.
أكسجين الدور الحيوي
ساهمت التباينات في نسبة الأكسجين في الغلاف الجوّي في تحديد شكل المناخ في الحقبات والعصور الموافقة. عند تناقص نسبة الأكسجين في الجوّ تقلّ كثافة الغلاف الجوّي، ممّا يرفع من تبخّر مياه المسطّحات المائيّة، فتزداد بالتالي نسبة الهطولات، ممّا يؤدّي إلى الوصول إلى درجات حرارة أكثر دفئاً. حسب المعدّل الحالي من التركيب الضوئي، فإنه يلزم حوالي 2000 سنة لإعادة توليد كافّة كمّيّة غاز الأكسجين O2 في الغلاف الجوّي الحالي.
أكسجين الدور الحيوي
كان شكل الحياة السائد على الأرض قبل فترة تكون الأكسجين في الغلاف الجوّي هو الكائنات اللاهوائيّة، والتي يمكن أن تكون قد انقرضت كمّيّات كبيرة منها عندما أصبحت نسبة الأكسجين في الغلاف الجوّي مرتفعة. على سبيل المثال، إنّ الأكسجين سامّ بالنسبة للبكتيريا اللاهوائيّة الإجباريّة، والتي كانت هي الشكل السائد على الأرض إلى أن بدأ الأكسجين في التجمّع في الغلاف الجوّي للأرض قبل حوالي 2.5 بليون سنة خلال عمليّة الأكسجة العظيمة، أي بعد حوالي بليون سنة من ظهور تلك المتعضيّات. يتيح التنفّس الخلوي باستخدام الأكسجين O2 إنتاج كمّيّات أكبر من الجزيئات الحاملة للطاقة مثل ATP بالمقارنة مع التنفّس اللاهوائي. يحدث التنفّس الخلوي للأكسجين في جميع حقيقيّات النوى بما فيها المتعضيّات المعقّدة من نباتات وحيوانات وصولاً للإنسان.
أكسجين الدور الحيوي
ينتج الأكسجين الحر في الطبيعة على شكله الجزيئي O2 من عمليّة التركيب الضوئي والتي تتضمّن عمليّة تفكّك ضوئي لجزيئات الماء. تشير بعض التقديرات إلى أنّ حوالي 70% من الأكسجين الحرّ الموجود في الأرض ينتج من الأشنيّات الخضراء والزراقم الموجودة في البيئة البحريّة، في حين أنّ الباقي هو من النباتات الموجودة على اليابسة، في حين أنّ تقديرات أخرى تشير إلى أنّ المحيطات تساهم بحوالي 45% من الأكسجين الجوّي سنويّاً.
يمكن تمثيل عمليّة التركيب الضوئي بالصيغة العامّة التاليّة:
تحدث عملية التركيب الضوئي في البلاستيدات الخضراء في النباتات، وتتطلّب لحدوثها طاقة أربع فوتونات، وتتمّ العمليّة في عدّة خطوات، والتي تكون نتيجتها تشكيل بروتون عبر الأغشية الخلويّة لاصطناع ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) عن طريق الفسفرة الضوئيّة. يتحرر جزيء O2 المتبقي بعد أكسدة جزيء الماء وينطلق إلى الهواء المحيط.