Kompendium wiedzy o tlenie, wodorze i składnikach powietrza

Fizykochemiczne właściwości tlenu ($O_2$)

• Położenie w układzie okresowym: Grupa $16$, okres $2$.
• Budowa: Atom posiada $8$ protonów i $8$ neutronów. W cząsteczce występuje wiązanie kowalencyjne ($O=O$).
• Właściwości fizyczne: Bezbarwny, bezwonny gaz, słabo rozpuszczalny w wodzie. Gęstość wynosi $1,429\,g/dm^{3}$, temperatura wrzenia $-182,96\,^\text{o}C$, a temperatura topnienia $-218,4\,^\text{o}C$.
• Właściwości chemiczne: Podtrzymuje spalanie, ale sam się nie pali. Reactuje z metalami i niemetalami, tworząc tlenki.
• Występowanie: Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w skorupie ziemskiej ($50,4\%$ objętościowych). Składnik skał, rud, piasku i wody.
• Otrzymywanie:     * Elektroliza wody: $2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$.     * Destylacja skroplonego powietrza.     * Rozkład związków bogatych w tlen (np. $2KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$ lub $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2$).
• Zastosowanie: Hutnictwo, przemysł chemiczny, aparaty tlenowe (nurkowie, alpiniści), palniki acetylenowo-tlenowe.

Korozja i ochrona metali

• Przyczyna: Tlen wraz z parą wodną powodują korozję (np. rdzewienie żelaza).
• Metody ochrony: Powłoki ochronne (cynkowanie, chromowanie, niklowanie, malowanie farbą), stosowanie stopów odpornych (stal nierdzewna), osłabienie agresywności środowiska.

Ozon ($O_3$)

• Charakterystyka: Alotropowa odmiana tlenu powstająca podczas wyładowań atmosferycznych lub przy lampach kwarcowych.
• Rola: W stratosferze chroni przed promieniowaniem UV. Przy powierzchni Ziemi jest drażniący (podrażnia oczy i drogi oddechowe).
• Zastosowanie: Dezynfekcja wody i powietrza (działanie bakteriobójcze), bielenie tkanin i produktów spożywczych.

Wodór ($H_2$)

• Właściwości: Niemetal, bezwonny, bezbarwny gaz o najmniejszej gęstości ($14$ razy mniejszej od powietrza). Tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową.
• Reakcje:     * Z tlenem: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.     * Z azotem: $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ (amoniak).     * Z chlorem: $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$ (chlorowodór).
• Zastosowanie: Paliwo rakietowe, gaz przemysłowy, utwardzanie tłuszczów roślinnych (produkcja margaryny), ogniwa paliwowe.

Tlenki i składniki powietrza

• Główne gazy powietrza: Azot ($78\%$), Tlen ($21\%$), Argon ($0,95\%$), Dwutlenek węgla ($0,03\%$).
• Tlenek węgla (IV) ($CO_2$): Produkt spalania całkowitego ($C + O_2 \rightarrow CO_2$). Powoduje mętnienie wody wapiennej. Stosowany w gaśnicach śniegowych, medycynie (krioterapia) i jako suchy lód (sublimacja).
• Tlenek węgla (II) ($CO$): Toksyczny gaz („czad”) powstający przy spalaniu niecałkowitym ($2C + O_2 \rightarrow 2CO$).
• Inne tlenki:     * $SiO_2$ (krzemionka/piasek): Produkcja szkła i zaprawy murarskiej.     * $CaO$ (wapno palone): Produkcja cementu i nawozów.     * $Al_2O_3$ (korund): Bardzo twardy minerał (rubin, szafir).     * $Fe_2O_3$ (hematyt): Produkcja stali i farb.
• Gazy szlachetne: $He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn$. Są bierne chemicznie. Hel jest najlżejszy, Radon jest promieniotwórczy.

Zanieczyszczenia i ekologia

• Źródła: Naturalne (pożary, wulkany) i antropogeniczne (transport, przemysł).
• Skutki:     * Smog: Astma, duszności.     * Kwaśne opady: Zakwaszenie gleby, niszczenie budynków.     * Efekt cieplarniany: Topnienie lodowców.     * Dziura ozonowa: Wywołana przez freony.

Zadania obliczeniowe

• Skład $CaO$: Stosunek masy $Ca:O = 5:2$. W $280\,kg$ wapna palonego znajduje się $80\,kg$ tlenu.
• Rozkład $HgO$: Z $217\,g$ tlenku rtęci(II) powstało $16\,g$ tlenu i $201\,g$ rtęci. Rtęć stanowi ok. $92,6\%$ masy tlenku.
• Rozpuszczalność $CO_2$: W temperaturze $25\,^\text{o}C$ rozpuszczalność wynosi $1,145\,g$ na $100\,g$ wody. Dla $250\,g$ wody potrzeba $0,3625\,g$ gazu, co odpowiada objętości $0,2\,dm^{3}$ (przy gęstości $1,811\,g/dm^{3}$).