Zuurstof

Zuurstof is het chemische element met het symbool O en atoomnummer 8. Het is het derde meest voorkomende element in het universum, na waterstof en helium. Alleen al door twee zuurstofatomen wordt zuurstof (O2), een kleurloos gas, meestal gebonden. Het heeft geen smaak of geur. Het is een lichtblauw als een vloeistof en een vaste stof. Zuurstofgas maakt 20,8% van de atmosfeer van de aarde uit. Zuurstof maakt deel uit van de chalcogeengroep op het periodiek systeem, en zijn atoomnummer is 8. Het is een zeer reactief niet-metaal. Het maakt ook oxiden met veel elementen. Oxiden maken bijna de helft van de aardkorst uit.

Het meeste leven op aarde neemt zuurstofgas (O2) op om te gebruiken bij de ademhaling. Veel organische moleculen in levende wezens hebben zuurstof in zich, zoals eiwitten, nucleïnezuren, koolhydraten en vetten. Zuurstof is een onderdeel van water, dat al het bekende leven nodig heeft om te leven. Planten maken de zuurstof van de aarde door fotosynthese, waarbij ze het licht van de zon gebruiken om zuurstof te scheiden van water en kooldioxide. Ozon (O3) bevindt zich aan de top van de atmosfeer van de aarde in de ozonlaag. Het absorbeert ultraviolette straling, die de straling die het grondniveau bereikt vermindert.

Zuurstof werd voor 1604 door Michael Sendivogius geïsoleerd. Vaak wordt gedacht dat het element werd ontdekt door Carl Wilhelm Scheele, in Zweden, in 1773, of door JosephPriestley, in Engeland, in 1774. Priestly wordt meestal verondersteld de belangrijkste ontdekker te zijn omdat zijn werk als eerste werd gepubliceerd, ook al noemde hij het "dephlogisticated air", en dacht hij niet dat het een chemisch element was. Antoine Lavoisier kwam in 1777 met de naam zuurstof en was de eerste persoon die zei dat het een chemisch element was. Hij had ook gelijk over hoe het de verbranding helpt werken.

Zuurstof wordt gebruikt voor het maken van staal, kunststoffen, textiel, raketstuwstof en voor het lassen.

Geschiedenis

Vroege experimenten

Een van de eerste bekende experimenten over hoe verbranding lucht nodig heeft werd uitgevoerd door Grieks Philo van Byzantium in de 2e eeuw voor Christus. Hij schreef in zijn werk Pneumatica dat het omdraaien van een vat over een brandende kaars en het plaatsen van water rond dit vat betekende dat er wat water in het vat ging. Philo dacht dat dit kwam doordat de lucht werd omgezet in het klassieke element vuur. Dit was verkeerd. Lang daarna heeft Leonardo da Vinci goed uitgedokterd dat de lucht werd opgebruikt bij de verbranding, waardoor er water in het vat kwam.

Aan het eind van de 17e eeuw vond Robert Boyle dat er lucht nodig is voor de verbranding. De Engelse chemicus John Mayow voegde daar nog aan toe door aan te tonen dat vuur slechts een deel van de lucht nodig had. We noemen dit nu zuurstof (in de vorm van zuurstof). In een van zijn experimenten vond hij dat door het plaatsen van een kaars in een gesloten container het water steeg om een veertiende van het luchtvolume in de container te vervangen, voordat het naar buiten ging. Hetzelfde gebeurde toen er een muis in de doos werd gestopt. Hij kwam erachter dat zuurstof wordt gebruikt voor de ademhaling en de verbranding.

Phlogistontheorie

Robert Hooke, Ole Borch, Michail Lomonosov en Pierre Bajen maakten allemaal zuurstof in experimenten in de 17e en 18e eeuw. Geen van hen dacht dat het een chemisch element was. Dit kwam waarschijnlijk door het idee van de phlogistontheorie. Dit was wat de meeste mensen dachten dat het verbranding en corrosie veroorzaakte.

J. J. Becher kwam er in het jaar 1667 mee op de proppen en Georg Ernst Stahl voegde er in 1731 aan toe. De phlogistontheorie stelt dat alle brandbare materialen uit twee delen bestaan. Het ene deel, phlogiston genaamd, werd afgegeven toen de stof die het bevatte werd verbrand.

Zeer brandbare materialen die slechts een kleine hoeveelheid residu's achterlaten, zoals hout of kolen, werden verondersteld gemaakt te zijn van phlogiston. Dingen die corroderen, zoals ijzer, werden verondersteld slechts een kleine hoeveelheid te bevatten. Lucht maakte geen deel uit van deze theorie.

Ontdekking

De Poolse alchemist, filosoof en arts Michael Sendivogius sprak over een stof in de lucht, die het "voedsel van het leven" wordt genoemd, en deze stof is zuurstof. Sendivogius vond, tussen de jaren 1598 en 1604, dat de stof hetzelfde is als wat er wordt gemaakt tijdens de thermische afbraak van kaliumnitraat. Sommigen geloven dat dit de ontdekking van zuurstof was, terwijl anderen het daar niet mee eens zijn.

Vaak wordt ook gezegd dat zuurstof voor het eerst werd ontdekt door de Zweedse apotheker Carl Wilhelm Scheele. Hij maakte zuurstof door het verhitten van kwikoxide en enkele nitraten in 1771. Scheele noemde het gas dat hij maakte "vuurlucht", omdat het het enige gas was waarvan bekend was dat het verbranding mogelijk maakte. Hij publiceerde zijn ontdekking in 1777.

Op 1 augustus 1774 richtte een experiment van de Britse geestelijke Joseph Priestley het zonlicht op kwikoxide in een glazen buis. Dit maakte een gas dat hij "dephlogisticated air" noemde. Hij vond ook dat de kaarsen helderder brandden in het gas en dat muizen langer leefden tijdens het inademen ervan. Toen hij het gas inademde, zei hij (vereenvoudigd) "Het voelde als normale lucht, maar mijn longen voelden na afloop lichter en makkelijker aan. Zijn bevindingen werden gepubliceerd in 1775. Omdat zijn bevindingen eerst werden gepubliceerd, wordt er meestal gezegd dat hij de ontdekker van zuurstof is.

De Franse chemicus Antoine Lavoisier zei later dat hij de stof ook had ontdekt. Priestelijk bezocht hij hem in 1774 en vertelde hem over zijn experiment. Scheele stuurde Lavoisier in dat jaar ook een brief waarin hij over zijn ontdekking sprak.

De bijdrage van Lavoisier

Lavoisier voerde de eerste grote experimenten met oxidatie uit en gaf de eerste juiste uitleg over de werking van de verbranding. Hij gebruikte deze en andere experimenten om te bewijzen dat de phlogistontheorie niet klopt. Hij probeerde ook te bewijzen dat de door Priestley en Scheele ontdekte stof een chemisch element was.

In één experiment ontdekte Lavoisier dat er geen toename van de massa was toen tin en lucht in een gesloten container werden verhit. Hij vond ook dat er lucht naar binnen stroomde toen de container werd geopend. Daarna vond hij dat het blik evenveel was toegenomen in massa als de lucht die naar binnen stroomde. Hij publiceerde zijn bevindingen in 1777. Hij schreef dat de lucht uit twee gassen bestond. Een daarvan noemde hij "vitale lucht" (zuurstof), die nodig is voor de verbranding en de ademhaling. De andere noemde hij "azote" (stikstof), wat in het Grieks "levenloos" betekent. Dit is nog steeds de naam van stikstof in sommige talen, waaronder het Frans.

Lavoisier hernoemde "vitale lucht" naar "oxygène", wat in het Grieks "producent van zuren" betekent. Hij noemde het zo omdat hij dacht dat zuurstof in alle zuren zat, wat verkeerd was. Veel chemici realiseerden zich dat Lavoiser zich vergiste in zijn naamgeving, maar de naam was toen al te algemeen om te veranderen.

"Oxygen" werd de naam in de Engelse taal, ook al waren Engelse wetenschappers ertegen.

Later

John Dalton's theorie van atomen zei dat alle elementen één atoom hadden en atomen in verbindingen waren meestal alleen. Hij dacht bijvoorbeeld ten onrechte dat water (H2O) de formule van alleen HO had. In 1805 toonden Joseph Louis Gay-Lussac en Alexander von Humboldt aan dat water bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. In 1811 werkte Amedeo Avogadro op basis van de wet van Avogadro correct uit waar water van gemaakt was.

Tegen het einde van de 19e eeuw ontdekten wetenschappers dat lucht in een vloeistof kon worden omgezet en dat de verbindingen daarin konden worden geïsoleerd door ze te comprimeren en af te koelen. De Zwitserse chemicus en natuurkundige Raoul Pictet ontdekte vloeibare zuurstof door het verdampen van zwaveldioxide om kooldioxide in een vloeistof om te zetten. Dit werd vervolgens ook verdampt om zuurstofgas af te koelen om er een vloeistof van te maken. Hij stuurde op 22 december 1877 een telegram naar de Franse Academie van Wetenschappen om hen te vertellen over zijn ontdekking.

Lavoisier van de Academy-Louis Ernest Barrias
Lavoisier van de Academy-Louis Ernest Barrias

Lavoisier ontbindingslucht
Lavoisier ontbindingslucht

Kenmerken

Eigenschappen en moleculaire structuur

Bij standaardtemperatuur en -druk heeft zuurstof geen kleur, geur of smaak en is het een gas met de chemische formule O
2
genaamd dioxygen.

Als zuurstof zijn twee zuurstofatomen chemisch aan elkaar gebonden. Deze binding kan men veel dingen noemen, maar gewoon een covalente dubbele binding. Zuurstof is zeer reactief en kan met veel andere elementen reageren. Oxiden worden gemaakt wanneer metalen elementen reageren met zuurstof, zoals ijzeroxide, dat bekend staat als roest. Er zijn veel oxideverbindingen op aarde.

Allotropen

De veel voorkomende allotroop (type) zuurstof op aarde wordt dioxygen (O2) genoemd. Dit is het tweede grootste deel van de aardse atmosfeer, na dinitrogenen (N2). O2 heeft een bindingslengte van 121 pm en een bindingsenergie van 498 kJ/mol. Door zijn energie wordt O2 gebruikt door complex leven als dieren.

Ozon (O3) is zeer reactief en beschadigt de longen bij inademing. Ozon wordt gemaakt in de bovenste atmosfeer wanneer O2 wordt gecombineerd met zuivere zuurstof wanneer O2 wordt gesplitst door ultraviolette straling. Ozon absorbeert veel straling in het UV-gedeelte van het elektromagnetisch spectrum en dus beschermt de ozonlaag in de bovenste atmosfeer de aarde tegen straling.

In 2001 werd Tetraoxygen (O4) ontdekt. Het bestaat alleen in extreme omstandigheden als er veel druk op O2 wordt uitgeoefend.

Fysieke eigenschappen

Zuurstof lost gemakkelijker op uit de lucht in het water dan stikstof. Wanneer er dezelfde hoeveelheid lucht en water is, is er één molecuul O2 voor elke 2 moleculen van N2 (een verhouding van 1:2). Dit is anders dan bij lucht, waar er een verhouding van 1:4 is tussen zuurstof en stikstof. Het is ook gemakkelijker voor O2 om op te lossen in zoet water dan in zeewater. Zuurstof condenseert bij 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) en bevriest bij 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Zowel vloeibare als vaste O2 zijn doorzichtig met een lichtblauwe kleur.

Zuurstof is zeer reactief en moet uit de buurt worden gehouden van alles wat kan branden.

Isotopen

Er zijn drie stabiele isotopen van zuurstof in de natuur. Ze zijn 16O, 17O en 18O. Ongeveer 99,7% van de zuurstof is het 16O-isotoop.

Voorval

Tien meest voorkomende elementen in het Melkwegstelsel worden spectroscopisch geschat

Z

Element

Massafractie in delen per miljoen

1

Waterstof

739,000

71 × massa zuurstof (rode balk)

2

Helium

240,000

23 × massa zuurstof (rode balk)

8

Zuurstof

10,400

10400

 

6

Koolstof

4,600

4600

 

10

Neon

1,340

1340

 

Zuurstof is het meest voorkomende massale element op aarde. Het is het derde meest voorkomende element in het universum, na waterstof en helium. Ongeveer 0,9% van de massa van de zon is zuurstof. Zuurstof maakt 49,2% van de aardkorst uit als onderdeel van oxideverbindingen zoals siliciumdioxide. Het is ook het grootste deel van de oceanen op aarde, met 88,8% van de massa. Zuurstofgas is het tweede meest voorkomende deel van de atmosfeer, met 20,8% van zijn massa en 23,1% van zijn volume. De aarde is vreemd in vergelijking met andere bekende planeten, omdat een groot deel van de atmosfeer uit zuurstofgas bestaat. Mars heeft 0,1% O2 in volume en de rest van de planeet heeft minder dan dat.

De grote hoeveelheid zuurstofgas op aarde komt door de zuurstofcyclus. Dit wordt voornamelijk gecontroleerd door fotosynthese, waarbij zuurstofgas wordt gemaakt uit kooldioxide, water en de energie van de zon. Ademhaling haalt het zuurstofgas dan uit de atmosfeer en zet het weer om in kooldioxide en water. Dit gebeurt in hetzelfde tempo, zodat de hoeveelheid zuurstofgas en kooldioxide niet verandert.

Gebruikt

Medisch

O2 is een zeer belangrijk onderdeel van de ademhaling. Daarom wordt het gebruikt in de geneeskunde. Het wordt gebruikt om de hoeveelheid zuurstof in het bloed van een persoon te verhogen, zodat er meer ademhaling kan plaatsvinden. Hierdoor kunnen ze sneller gezond worden als ze ziek zijn. Zuurstoftherapie wordt gebruikt voor de behandeling van emfyseem, longontsteking, sommige hartproblemen en elke ziekte die het moeilijker maakt voor een persoon om zuurstof in te nemen.

Levenslange ondersteuning

Lage druk O2 wordt gebruikt in ruimtepakken, die het lichaam met het gas omringen. Er wordt zuivere zuurstof gebruikt, maar met een veel lagere druk. Als de druk hoger zou zijn, zou het giftig zijn.

Een zuurstofconcentrator in het huis van een emfyseempatiënt
Een zuurstofconcentrator in het huis van een emfyseempatiënt

Veiligheid

De NFPA 704 van Oxygen zegt dat samengeperst zuurstofgas niet gevaarlijk is voor de gezondheid en niet brandbaar is.

Toxiciteit

Bij hoge druk kan zuurstofgas (O2) gevaarlijk zijn voor dieren, ook voor mensen. Het kan stuiptrekkingen en andere gezondheidsproblemen veroorzaken. Zuurstofvergiftiging begint meestal bij een druk van meer dan 50 kilopascal (kPa), gelijk aan ongeveer 50% zuurstof in de lucht bij een standaarddruk (de lucht op aarde heeft ongeveer 20% zuurstof).

Vroeger werden premature baby's in dozen met lucht met een hoge hoeveelheid O2 geplaatst. Dit werd gestopt toen sommige baby's blind werden van de zuurstof.

Het inademen van zuivere O2 in ruimtepakken veroorzaakt geen schade omdat er een lagere druk wordt gebruikt.

Verbranding en andere gevaren

Geconcentreerde hoeveelheden zuiver O2 kunnen een snelle brand veroorzaken. Wanneer geconcentreerde zuurstof en brandstoffen dicht bij elkaar worden gebracht, kan een lichte ontsteking een grote brand veroorzaken. De Apollo 1-bemanning werd allemaal gedood door een brand vanwege de geconcentreerde zuurstof die in de lucht van de capsule werd gebruikt.

Als er vloeibare zuurstof wordt gemorst op organische verbindingen, zoals hout, kan deze exploderen.



AlegsaOnline.com - 2020 - License CC3