Tlen jest pierwiastkiem chemicznym ($\text{O}$), zajmującym pierwsze miejsce pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej. Występuje w postaci związków chemicznych (np. tlenków), ale głównie w postaci wolnej. Powietrze zawiera aż $21\%$ tego pierwiastka. Jest również niemetalem, który leży w drugim okresie i w szesnastej grupie układu okresowego pierwiastków (tlenowce). Odkrycie tlenu szacuje się na $\text{XVIII}$ w. Występuje w trzech odmianach alotropowych i jest to jedyny przykład alotropiialotropiaalotropii w stanie gazowym: ditlen (${\text{O}}_2$), ozon (${\text{O}}_3$) i tetratlen (${\text{O}}_4$).

Ciekawostka

RM3iLhhX0Lk7m1

Ilustracja przedstawia prostopadłościan o podstawie kwadratu. W narożach ma czerwone kulki - w sumie jest ich osiem. Zaznaczono krawędzie prostopadłościanu - łączą one czerwone kulki.

W 2006 r. naukowcy L.F. Lundegaard, G. Weck, M.I. McMahon,S. Desgreniers oraz P. Loubeyre podali informację na temat istnienia czwartej odmiany alotropowej tlenu, mianowicie oktatlenu ${\text{O}}_8$. Jego istnienie potwierdzili przy zastosowaniu badań rentgenograficznych na otrzymanych kryształach tlenu. Badaczom udało się je uzyskać poprzez zastosowanie ciśnienia rzędu od $13 \mathrm{GPa}$ do $18 \mathrm{GPa}$. Naukowcy podejrzewają, że wcześniej znana forma tetratlenu (${\text{O}}_4$) mogła być w rzeczywistości oktatlenem (${\text{O}}_8$), składającym się z czterech cząsteczek ${\text{O}}_2$.

Ditlen (${\text{O}}_2$)

Tlen, zawierający cząsteczki dwuatomowe, jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, który jest cięższy od powietrza.

RvpOxPBivTmOb

Ilustracja przedstawia dwie czerwone kulki połączone wiązaniem pojedynczym.

Ditlen jest jedyną formą tlenu, która posiada niesparowane elektrony, dlatego cechuje go paramagnetyzmparamagnetyzm. Jego struktura elektronowa nie posiada formalnych wiązań podwójnych miedzy atomami tlenu, lecz wiązanie pojedyncze. Jest ono słabsze niż wiązanie podwójne, ale silniejsze od wiązania pojedynczego. Taka struktura cząsteczki ditlenu jest związana z teorią orbitali wiążących i antywiążących oraz z regułą Hundareguła Hundaregułą Hunda.

Tlen ${\text{O}}_2$ wrze w temperaturze $-\mathrm{182,95}°\mathrm{C}$ ($\mathrm{90,20} \mathrm{K}$) i zamarza w temperaturze $-\mathrm{218,79}°\mathrm{C}$ ($\mathrm{54,36} \mathrm{K}$). W postaci cieczy i ciała stałego jest jasnoniebieską, przezroczystą substancją. Ta odmiana alotropowa tlenu wykorzystywana jest przez organizmy w procesie oddychania tlenowego.

R2LhH3ynvRcQV

Ilustracja przedstawia połączone ze sobą wiązaniem pojedynczym dwa atomy tlenu. Atomy tlenu mają po dwie kreski - to pary elektronów. Nad każdym atomem jest jedna kropka - jeden elektron.

Ciekawostka

R1JjKGBuVu2xJ

Fotografia przedstawiająca kosmonautę znajdującego się w stanie nieważkości w kosmosie. W tle jest kula ziemska.

Oddychanie czystym ${\text{O}}_2$ jest szkodliwe dla ludzi. Dlaczego? Podanie go pacjentowi sprawia, że jego oddech przyspiesza, w efekcie czego z krwi szybko usuwany jest dwutlenek węgla, co skutkuje zwężeniem naczyń krwionośnych, które dostarczają tlen do ważnych organów, m.in. mózgu, płuc, serca (dr Steve Iscoe, Uniwersytet Queen’s). Inaczej jednak wygląda to w kosmosie – tam oddychanie czystym ${\text{O}}_2$, w kombinezonach lub na statkach kosmicznych, nie powoduje szkód astronautom, ze względu na obniżone ciśnienie.

Ozon (${\text{O}}_3$)

RDJJZFKpfEYP41

Na ilustracji znajdują się trzy połączone ze sobą czerwone kulki. Nad grubymi dwoma wiązaniami pojedynczymi znajdują się przerywane linie.

Ozon, będący jedną z odmian alotropowych tlenu, posiada trójatomowe cząsteczki. W stanie gazowym jest bezbarwny lub ma niebieskawą barwę i zapach przypominający woń powietrza po burzy. Cząsteczka ozonu ma budowę kątową, w której poprzez linie przerywane należy rozumieć elektrony zdelokalizowane, a więc takie, których nie można przypisać konkretnym atomom w cząsteczce. Jego struktura elektronowa nie posiada niesparowanych elektronów, dlatego też charakteryzuje go diamagnetyzmdiamagnetyzm.

Rsxgl9tGFHGhX

Zdjęcie przedstawia trzy atomy tlenu. Są ze sobą połączone. Pod dwoma wiązaniami pomiędzy atomami tlenu poprowadzono linie przerywane.

Ozon jest bardzo reaktywnym alotropem tlenu. Jego odkrycie datuje się na $\text{1840}$ r. Wówczas Christian Friedrich Schönbein otrzymał ozon w wyniku elektrolizy wody. Występuje w troposferze oraz w stratosferze.

Ozon troposferyczny, inaczej przyziemny, powstaje na skutek wyładowań elektrycznych i reakcji fotochemicznych tlenków azotu z lotnymi związkami organicznymi w atmosferze. Jest niekorzystny dla organizmów żywych. Natomiast ozon stratosferyczny powstaje na skutek oddziaływania promieniowania słonecznego na cząsteczki ditlenu (${\text{O}}_2$), w wyniku czego rozpadają się one na dwa atomy tlenu ($\text{O}$), a następnie reagują z tlenem cząsteczkowym, tworząc cząsteczki ozonu (${\text{O}}_3$).

REn5aeXupuQVr

Schemat przedstawia powstawanie ozonu w stratosferze. Promieniowanie ultrafioletowe o długości fali mniejszej niż 240 nanometrów pada na cząsteczkę tlenu ${\mathrm{O}}_2$. Cząsteczka tlenu rozpada się na dwa atomy tlenu zgodnie z reakcją: ${\mathrm{O}}_2$ + hv daje 2O. W związku z dużą gęstością atmosfery prawdopodobieństwo potrójnego zderzenia atomu tlenu, cząsteczki tlenu i cząsteczki neutralnej M jest wysokie. Następuje zderzenie potrójne: $\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2+\mathrm{M}\to {\mathrm{O}}_3+\mathrm{M}$ Powstaje ozon ${\mathrm{O}}_3$. Do powstania ozonu potrzebne jest silne promieniowanie ultrafioletowe.

W górnej warstwie atmosfery – stratosferze – ozon tworzy niezwykle ważną dla życia na Ziemi ochronną warstwę (około $30 \mathrm{km}$ od powierzchni Ziemi). Jest to warstwa ozonowa (ozonosfera)warstwa ozonowa (ozonosfera). Absorbuje prawie całkowicie szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie nadfioletowe o długości fali poniżej $295 \mathrm{nm}$. Chroni tym samym organizmy żywe przed szkodliwym wpływem promieni UV, których do powierzchni Ziemi dociera zaledwie kilka procent. Niszczenie warstwy ozonowej grozi zachorowaniem na raka skóry, zaćmę oraz ma niekorzystny wpływ na uprawy rolne i lasy. Wynikiem spadku stężenia ozonu w stratosferze jest dziura ozonowadziura ozonowa.

Dziura ozonowa powstaje w wyniku niekorzystnej działalności człowieka, który do atmosfery dostarcza tlenki azotu (poprzez samoloty i wybuchy nuklearne), halonyhalony oraz freonyfreony, kiedyś stosowane w lodówkach chlorowcopochodne węglowodorów (np. ${\text{CCl}}_3\text{F}$). Ponadto ozon powstaje również w wyniku pracy silników elektrycznych, drukarek laserowych i kserokopiarek.

Christian Friedrich Schönbein ($\text{1799-1868}$)

R19Z3eCJ3fFW01

Fotografia Christiana Friedricha Schönbeina. Zdjęcie przedstawia mężczyznę w średnim wieku. Siedzi na krześle. Lewą rękę opiera na stole. Ma krótkie włosy. Ubrany jest w surdut. Pod nim ma kamizelkę. Mężczyzna jest tęgi.

Niemiecko‑szwajcarski chemik i fizyk, zagorzały eksperymentator. Niejednokrotnie jego doświadczenia kończyły się masą zniszczeń, czym szczególnie narażał się swojej żonie. Zwłaszcza, że jako laboratorium służyła mu własna kuchnia. Pewnego razu ($\text{1845}$ r.), pod nieobecność małżonki, wylały mu się kwas azotowy($\text{V}$) i kwas siarkowy($\text{VI}$). Aby zatrzeć ślady, pospiesznie wytarł kałużę bawełnianym fartuchem żony. Za chwilę odwiesił go do wyschnięcia, lecz po pewnym czasie, ku zaskoczeniu naukowca, fartuch zapalił się i w oka mgnieniu spłonął. Naukowiec w ten sposób odkrył wybuchową nitrocelulozę. Był również odkrywcą zasady działania ogniw wodorowych ($\text{1838}$ r.) oraz ozonu ($\text{1839}$ r.).

Ozon to bardzo silny utleniacz. Wynika to z jego zdolności do łatwego rozkładu na ditlen (${\text{O}}_2$) i tlen atomowy ($\text{O}$). Z łatwością utlenia substancje, które z ditlenem (${\text{O}}_2$) reagują bardzo wolno, przy czym nie wymaga stosowania podwyższonej temperatury. Co więcej, jest wykorzystywany do dezynfekcji wody pitnej, basenów, pomieszczeń oraz produktów spożywczych. Takie zastosowanie wynika ze zdolności ozonu do usuwania bakterii. To sprawia, że produkty mają przedłużony okres przydatności, a woda odzyskuje przejrzystość bez nieprzyjemnego zapachu, jak w przypadku powszechnie stosowanego chloru. Istnieją również szkody wynikające z wpływu ozonu – powoduje psucie materiałów, takich jak gumy bądź tkaniny. Jest również szkodliwy dla organizmów żywych, ponieważ uszkadza tkankę płucną (oddychanie powietrzem zawierającym więcej niż $2 \mathrm{ppm}$ ozonu (${\text{O}}_3$) jest dla ludzi toksyczne).

Tetratlen (${\text{O}}_4$)

RoHjxKajucQ3d

Na ilustracji są dwa modele kulkowe. Jeden z nich to centralnie położona czerwona kulka połączona wiązaniami pojedynczymi z trzema czerwonymi kulkami rozchodzącymi się od położonej centralnie kulki w równych odległościach na boki. Drugi model to cztery czerwone kulki połączone ze sobą. Model kształtem przypomina kwadrat.

Tetratlen to odmiana alotropowa tlenu, odkryta w $\text{2001}$ r. przez włoskich naukowców. Od początku $\text{XX}$ w. podejrzewano występowanie cząsteczek o masie atomowej, odpowiadającej dimerowi ${\text{O}}_4$. Są one jednak bardzo nietrwałe i rozpadają się ponownie, tworząc dwie cząsteczki dwuatomowego tlenu (${\text{O}}_2$).

Dowód na istnienie tetratlenu zdobyto dopiero poprzez zastosowanie wysokiego ciśnienia rzędu $20 \mathrm{GPa}$ (na ${\text{O}}_2$), wówczas ditlen ma tendencję do występowania w postaci czteroatomowych cząsteczek. Badania te zostały potwierdzone poprzez zastosowanie spektrometrii mas. Metoda ta jest metodą spektroskopową i polega na pomiarze stosunku masy do ładunku jonu.

Tetratlen ma jasnoczerwoną barwę. Nadal nie ma pewności, jak wyglądają cząsteczki tetratlenu. Obliczenia teoretyczne sugerują, że mogą one występować w postaci cząsteczek w kształcie rombu z atomem w każdym jego rogu lub jako trójkąt atomów z czwartym atomem w centrum. Inne przypuszczenia sugerują, że ${\text{O}}_4$ składa się z dwóch molekuł ${\text{O}}_2$ w kształcie hantli, luźno połączonych siłami dyspersji dipolowej. Tetratlen posiada silniejsze właściwości utleniające niż ditlen i ozon. Ze względu na to jest badany pod kątem zastosowania jako utleniacz w paliwach rakietowych.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Cacace F., de Petris G., Troiani A., Experimental detection of tetraoxygen, „Angewandte Chemie International Edition” 2001, 40, pp. 4062 - 4065.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.

Lundegaard L. F., Weck G., McMahon M. I., Desgreniers S., Loubeyre P., Observation of an O8 molecular lattice in the phase of solid oxygen, „Nature” 2006, 443, s. 201–204.