Μοριακή μάζα O2 (Οξυγόνο)

Οξυγόνο είναι ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στον πλανήτη Γη και στο σύμπαν. Το οξυγόνο έχει ατομικό αριθμό οκτώ και τη μοριακή μάζα οξυγόνου είναι περίπου 15,9994. Για να κατανοήσουμε γιατί είναι σημαντική η γνώση της μοριακής μάζας του οξυγόνου, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι είναι η μοριακή μάζα και πώς σχετίζεται με τους υπολογισμούς στη χημεία.

Τι είναι η μοριακή μάζα;

Η μοριακή μάζα μιας χημικής ουσίας είναι η ποσότητα μάζας που έχει ένα γραμμομόριο αυτής της ουσίας, η μάζα που διαθέτει ένα γραμμομόριο μιας δεδομένης ουσίας. Ωστόσο, αυτός ο ορισμός δεν βοηθάει πολύ αν δεν ξέρετε τι είναι ο τυφλοπόντικας. Ένα mole είναι μια μονάδα μέτρησης, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ποσότητας μιας δεδομένης χημικής ουσίας. Οι κρεατοελιές χρησιμοποιούνται από τους επιστήμονες για να παρακολουθούν πόσες στοιχειώδεις οντότητες βρίσκονται σε ένα δείγμα χημικών. Οι στοιχειώδεις οντότητες είναι άτομα ή μόρια. Ένα mole έχει ισοδύναμο αριθμό στοιχειωδών οντοτήτων με τον αριθμό των ατόμων που βρίσκονται μέσα σε 12 g άνθρακα 12. Αυτός ο αριθμός ατόμων είναι 6,022×10^23 και αναφέρεται ως αριθμός του Avogadro.

Ο αριθμός του Avogadro και ο τυφλοπόντικας είναι σημαντικές έννοιες στη χημεία. Οι χημικές αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν δισεκατομμύρια άτομα που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και αναδιατάσσονται, ωστόσο, δεν είναι πρακτικό να προσπαθήσουμε να αναπαραστήσουμε την κίνηση δισεκατομμυρίων ατόμων ή να οπτικοποιήσουμε τα εν λόγω άτομα. Τούτου λεχθέντος, οι επιστήμονες εξακολουθούν να χρειάζονται μια μονάδα μέτρησης που να είναι ικανή να αντιπροσωπεύει δισεκατομμύρια στοιχειώδεις οντότητες. Στα 6,022×10^23 άτομα, οι κρεατοελιές επιτρέπουν υπολογισμούς που περιλαμβάνουν χημικές ουσίες. Τα βάρη των ουσιών συγκρίνονται με τον αριθμό των ατόμων εντός αυτής της ουσίας (όπως ορίζεται από έναν αριθμό moles), κάτι που γίνεται επειδή το βάρος είναι αρκετά εύκολο να παρακολουθείται σε σύγκριση με τον αριθμό των ατόμων στο χημικό δείγμα.

Όταν εκτελούνται υπολογισμοί που περιλαμβάνουν δύο ή περισσότερες διαφορετικές χημικές ουσίες, απαιτείται η χρήση και των δύο κρεατοελιών και του αριθμού του Avogadro. Ο αριθμός του Avogadro πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να ερμηνεύσει πώς αλληλεπιδρούν οι χημικές ουσίες μεταξύ τους και πώς συνδυάζονται τα μόρια στα χημικά δείγματα. Ας δούμε ένα παράδειγμα για το πώς οι κρεατοελιές μπορούν να απλοποιήσουν την αναπαράσταση και τον υπολογισμό των χημικών ουσιών. Ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου συνδυάζονται για να δημιουργήσουν ένα μόριο νερού, και επομένως ένα mole νερού αποτελείται από ένα mole οξυγόνου και δύο mole υδρογόνου. Αυτή η σχέση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

1 mole H2O =2 × 6,022×1023 υδρογόνου + 6,022×1023 οξυγόνου.

Για να συνοψίσουμε εν συντομία, η μάζα που ανήκει σε ένα mole μιας ουσίας θα είναι ίση με το μοριακό βάρος αυτής της ουσίας. Για παράδειγμα, 18.015 μονάδες ατομικής μάζας τυχαίνει να είναι το μοριακό βάρος του νερού και το βάρος ενός mol νερού είναι περίπου 18.015 g.

Η σημασία της μοριακής μάζας

Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τη μοριακή μάζα μιας ουσίας επειδή η μοριακή μάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάφραση μεταξύ της μάζας του υλικού και του αριθμού των γραμμομορίων σε ένα δείγμα μιας δεδομένης ουσίας. Δεν θα μπορούσατε να μετρήσετε απευθείας τον αριθμό των mol σε ένα δείγμα χωρίς να γνωρίζετε τη μοριακή μάζα της ουσίας. Υπάρχει μια καθορισμένη μάζα που υπάρχει για κάθε mole μιας ουσίας, και επιπλέον, κάθε ιόν ή άτομο της ουσίας έχει τη δική του μάζα. Στην περίπτωση καθαρού στοιχείου, η ατομική μάζα του στοιχείου θα είναι ισοδύναμη με τη μάζα που έχει ένα μόριο αυτού του στοιχείου. Αυτή η σχέση ισχύει ανεξάρτητα από τον τρόπο με τον οποίο γίνεται ο υπολογισμός, αν ο υπολογισμός γίνεται σε μονάδες ατομικής μάζας ή σε γραμμάρια ανά mole.

Η μοριακή μάζα μιας ουσίας μπορεί να προσδιοριστεί λαμβάνοντας τη μάζα της ουσίας και διαιρώντας την με την ποσότητα. Το αποτέλεσμα αυτού του υπολογισμού δίνεται συνήθως σε γραμμάρια ανά mole. Η μοριακή μάζα του τιτανίου είναι περίπου 47,88 g ανά mole ή 47,8 μονάδες ατομικής μάζας. Λόγω της σχέσης μεταξύ του αριθμού του Avogadro και της μοριακής μάζας, μπορεί να συναχθεί ότι για 7,88 g τιτανίου περιέχει 6,022×10 έως τα 23 άτομα τιτανίου.

Η χαρακτηριστική μοριακή μάζα ενός στοιχείου είναι ισοδύναμη με την ατομική μάζα σε γραμμάρια ανά mole αυτού του στοιχείου. Μια άλλη μέθοδος για τον προσδιορισμό της μοριακής μάζας μιας ουσίας είναι η λήψη της σταθεράς μοριακής μάζας, η οποία είναι 1 g ανά mole, και ο πολλαπλασιασμός της με την ατομική μάζα σε AMU. Στη συνέχεια, θα πρέπει να αθροίσετε μαζί την ατομική μάζα των συστατικών ατόμων. Κάνοντας αυτό θα σας δώσει τη μοριακή μάζα μιας ένωσης που αποτελείται από διάφορα είδη ατόμων. Για παράδειγμα, εάν πρέπει να υπολογίσετε τη μοριακή μάζα του NaCl, θα πρέπει να βρείτε την ατομική μάζα και του νατρίου και του χλωρίου. Η ατομική μάζα του χλωρίου είναι 35,45 g ανά mole, ενώ η ατομική μάζα του νατρίου είναι 22,99 g ανά mol. Αυτές οι δύο μάζες συνδυάζονται για να πάρουν 58,44 g ανά mole.

Δομή Οξυγόνου

Το οξυγόνο είναι το δικό του στοιχείο, με χημικό τύπο απλώς ενός ατόμου οξυγόνου. Ωστόσο, όταν βρίσκεται στην ατμόσφαιρα, η πιο κοινή μορφή είναι αυτή του O2, δύο άτομα οξυγόνου συνδυάζονται μαζί. Αυτός ο σχηματισμός αναφέρεται ως διατομικό οξυγόνο.

Στο διατομικό οξυγόνο, τα δύο άτομα οξυγόνου συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας συγκεκριμένης διαμόρφωσης ηλεκτρονίων γνωστή ως τριπλέτα σπιν. Η διάταξη ηλεκτρονίων τριπλού spin έχει μια τάξη δεσμού δύο και οι περιγραφές αυτού του δεσμού συνήθως τον αναφέρουν ως διπλό δεσμό. Ο τριπλός δεσμός σπιν μπορεί επίσης να περιγραφεί ως συνδυασμός δύο δεσμών τριών ηλεκτρονίων και ενός απλού δεσμού δύο ηλεκτρονίων. Η βασική κατάσταση του διατομικού μορίου οξυγόνου είναι το τριπλό οξυγόνο, σημειώστε ότι το τριπλό οξυγόνο δεν είναι Ο3 ή όζον. Το μόριο O2 έχει μια διάταξη ηλεκτρονίων που αποτελείται από δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν ένα ζευγάρι εκφυλισμένων μοριακών τροχιακών. Ο δεσμός του διατομικού οξυγόνου είναι ασθενέστερος από τον τριπλό δεσμό του διατομικού αζώτου. Ορισμένα από τα τροχιακά αντι-δεσμών είναι γεμάτα με έναν διατομικό δεσμό αζώτου, αλλά όλα τα μοριακά τροχιακά δεσμών είναι γεμάτα.

Φυσικές ιδιότητες του οξυγόνου

Επειδή το νερό έχει περίπου ένα μόριο Ο2 για κάθε δύο μόρια Ν2, το άζωτο είναι λιγότερο διαλυτό από το οξυγόνο στο νερό. Η υδατοδιαλυτότητα του οξυγόνου εξαρτάται από τη θερμοκρασία του νερού. Όταν γύρω στους 20°C το νερό διαλύει μόνο το μισό οξυγόνο από ό,τι όταν το νερό είναι στους 0°C, διαλύοντας 7,6 mg/L έναντι 14,6 mg/L αντίστοιχα. Σε μια τυπική ατμόσφαιρα και στους 25°C, υπάρχουν περίπου 6,04 mL οξυγόνου για κάθε λίτρο γλυκού νερού. Αντίθετα, το θαλασσινό νερό έχει μόνο περίπου 4,95 mL ανά λίτρο οξυγόνου υπό τις ίδιες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Το οξυγόνο παγώνει στους 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F), ενώ συμπυκνώνεται στους 90,20 K (−182,95 °C, −297,31 °F). Τόσο στη στερεή όσο και στην υγρή του μορφή, το οξυγόνο έχει ανοιχτό μπλε χρωματισμό, ο οποίος προκύπτει από την απορρόφηση κόκκινων μηκών κύματος.

Χημικές ιδιότητες του οξυγόνου

Το οξυγόνο είναι άοσμο, άγευστο και άχρωμο. και το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα σχηματίζεται σε κανονικές/τυποποιημένες πιέσεις και θερμοκρασίες. Το οξυγόνο είναι ένα μη μεταλλικό στοιχείο και στον περιοδικό πίνακα, είναι μέλος της ομάδας χαλκογόνων. Το οξυγόνο είναι επίσης εξαιρετικά αντιδραστικό, σχηματίζοντας ενώσεις με τα περισσότερα άλλα στοιχεία πολύ εύκολα. Από όλα τα αντιδρώντα στοιχεία, το Οξυγόνο έχει τη δεύτερη υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα, που ξεπερνιέται μόνο από το φθόριο. Το οξυγόνο είναι επίσης ένας ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας. Μετά τα στοιχεία ήλιο και υδρογόνο, το οξυγόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Το οξυγόνο αποτελεί επίσης περίπου το μισό του φλοιού της γης και από άποψη μάζας, είναι το πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό.

Επειδή το ελεύθερο οξυγόνο είναι εξαιρετικά χημικά αντιδραστικό, δεν εμφανίζεται στη Γη εκτός από το φωτοσυνθετικό σύστημα που εκτελείται από ζωντανούς οργανισμούς. Το στοιχειακό οξυγόνο παράγεται από φυτά που χρησιμοποιούν την ενέργεια του ήλιου και του νερού για να δημιουργήσουν χρησιμοποιήσιμη ενέργεια για τον εαυτό τους. Πιστεύεται ότι πριν από περίπου 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια, το διατομικό οξυγόνο μόλις άρχιζε να συσσωρεύεται στην ατμόσφαιρα, λόγω της εμφάνισης φωτοσυνθετικών οργανισμών.

Χρήσεις για οξυγόνο

Το οξυγόνο χρησιμοποιείται με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Χρησιμοποιείται τόσο από βιολογικά συστήματα για την παραγωγή ενέργειας όσο και από τον άνθρωπο για διάφορους ιατρικούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Όσον αφορά τις βιολογικές χρήσεις για το οξυγόνο, τα μιτοχόνδρια στο κύτταρο χρησιμοποιούν οξυγόνο για να βοηθήσουν στη δημιουργία τριφωσφορικής αδενοσίνης ή ATP. Αυτό συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας γνωστής ως οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και αυτή η διαδικασία είναι κρίσιμη για τη δημιουργία της ενέργειας που χρειάζεται το κύτταρο για να λειτουργήσει. Ορισμένα είδη αντιδραστικού οξυγόνου όπως το υπεροξείδιο του υδρογόνου ή το H2O2 και το αρνητικό υπεροξείδιο 02 είναι υποπροϊόντα της χρήσης οξυγόνου στα ζωντανά κύτταρα.

Όσον αφορά την ιατρική χρήση του οξυγόνου, η οξυγονοθεραπεία πραγματοποιείται για την αύξηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο στο αίμα και το κυκλοφορικό σύστημα ενός ατόμου. Η αυξημένη ποσότητα οξυγόνου στο αίμα μειώνει την πίεση που ασκείται στην καρδιά, καθώς μειώνει την αντίσταση στη ροή του αίματος που συνοδεύει πολλές πνευμονικές παθήσεις. Για το λόγο αυτό, η οξυγονοθεραπεία χρησιμοποιείται συχνά για τη θεραπεία ορισμένων τύπων καρδιακών διαταραχών όπως η συμφορητική καρδιακή ανεπάρκεια καθώς και η πνευμονία και το εμφύσημα. Ορισμένοι θάλαμοι οξυγόνου υψηλής πίεσης που αναφέρονται ως υπερβαρικοί θάλαμοι, αυξάνουν την πίεση οξυγόνου γύρω από ένα άτομο, βοηθώντας το άτομο να εισπνεύσει οξυγόνο. Αυτοί οι υπερβαρικοί θάλαμοι χρησιμοποιούνται συνήθως σε περιβάλλοντα χαμηλού οξυγόνου.