گاز اکسیژن چیست؟ – به زبان ساده + کاربرد و مثال

گاز اکسیژن با نماد شیمیایی $$O_2$$ گازی بی‌رنگ، بدون بو و بدون مزه است که در طبیعت به شکل مولکول دواتمی‌ وجود دارد. گاز اکسیژن حدود ۲۱ درصد از اتمسفر را تشکیل می‌دهد و پس از گاز نیتروژن فراوان‌ترین گاز اتمسفر است. گاز اکسیژن یکی از اساسی‌ترین عوامل برای انجام بسیاری از واکنش‌های شیمیایی است. این گاز که یکی از مهم‌ترین مولکول‌های طبیعت زنده است، هنگامی‌ که با اتم‌های هیدروژن ترکیب می‌شود، مولکول‌های آب $$(H_2O)$$ را تشکیل می‌دهد که اساسی‌ترین عامل حیات موجودات زنده است. مولکول آب از دو اتم هیدوژن و مولکول اکسیژن تشکیل شده است. حدود ۸۸ درصد وزنی آب موجود در طبیعت را مولکول اکسیژن تشکیل داده است. ارگانیسم‌های زنده نیز درصد زیادی اکسیژن درون خود دارند. برای مثال، ۶۵ درصد بدن انسان از اکسیژن تشکیل شده است. این مسئله اهمیت وجود این عنصر را برای فرایند‌های بیوشیمی‌و تولید انرژی نشان می‌دهد. در این مطلب از مجله فرادرس یاد می‌گیریم که گاز اکسیژن چیست و با خواص، کاربرد‌ها و واکنش‌های این عنصر مهم و فراوان آشنا می‌شویم.

آشنایی با عنصر و مولکول اکسیژن به دلیل کاربرد‌های بسیار آن در محیط زیست و زندگی انسان بسیار‌ اهمیت دارد. در این مطلب درباره این عنصر و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن توضیح می‌دهیم. همچنین تاثیر اکسیژن را در اتمسفر و زندگی گیاهان و جانوران درمی‌یابیم و بررسی می‌کنیم گرمایش زمین و دیگر مشکلات محیط زیستی چگونه بر غلظت این گاز تاثیر می‌گذارد. سپس با فایده گاز اکسیژن در صنایع مختلف مانند صنایع فلزی، پزشکی، صنایع شیشه و صنایع غذایی آشنا می‌شویم. در ادامه خطرات کم یا زیاد بودن غلظت اکسیژن در محیط‌های مختلف را بررسی می‌کنیم و درباره تاریخچه کشف گاز و اتم اکسیژن می‌خوانیم. با مطالعه این مطلب تا انتها با این عنصر حیاتی و کاربرد‌های آن آشنا شوید.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش شیمی در فرادرس

کلیک کنید

تعریف گاز اکسیژن چیست؟

اکسیژن نام یکی از عناصر جدول تناوبی با عدد اتمی‌ ۸ است. این عنصر در گروه ۱۸ جدول تناوبی که گروه اکسیژن ( کالکوژن‌ها) است قرار دارد. این عنصر یک نافلز بسیار فعال است که به سرعت با بسیاری از مواد واکنش‌داده و آن‌ها را اکسید می‌کند. گاز اکسیژن که ۲۱ درصد اتمسفر را به خود اختصاص داده است، به فرم‌های متفاوتی در طبیعت وجود دارد. این گاز به صورت حل شده در آب اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها وجود دارد. همچنین در پوسته زمین، خاک، سنگ‌ها و گیاهان نیز وجود دارد. وجود گاز اکسیژن در محیط‌های مختلف نقشی مهم در بسیاری از پدیده‌های شیمیایی و زیستی را ایفا می‌کند.

بسیاری از فلزات استخراج شده از معادن پوسته زمین، به فرم اکسید شده‌ یافت می‌شوند. اکسیژن نقش اصلی را در اکسید شدن فلزات ایفا می‌کند. در صنعت نیز از گاز اکسیژن بسیار استفاده می‌شود. فرایند‌های تولید اکسیژن بنا به استفاده‌های گوناگون از این گاز بسیار گسترده هستند. این گاز در صنایعی مانند متالورژی، شیمی، خدمات درمانی و آب و فاضلاب استفاده می‌شود.

یادگیری بخش شیمی‌علوم پایه نهم با فرادرس

در این مطلب با گاز اکسیژن که یکی از مهم‌ترین ترکیبات کووالانسی موجود در طبیعت است آشنا می‌شویم. برای شناخت ترکیبات کووالانسی ابتدا باید با مفهوم اتم و عنصر و چگونگی تشکیل مواد آشنا شویم. سپس جدول تناوبی و جای‌گیری هرکدام از عناصر را در آن فراگیریم. همچنین در ادامه این مطلب می‌آموزیم که اکسیژن نقشی حیاتی در زندگی انسان و محیط زیست ایفا می‌کند. برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم پیشنهاد می‌کنیم از مجموعه فیلم‌های آموزشی پایه نهم، خصوصا آموزش علوم تجربی در بخش شیمی‌ بهره ببرید که با زبانی ساده ولی کاربردی این مطالب را توضیح می‌دهد. در فهرست زیر به چند مورد از این آموزش‌ها اشاره کرده‌ایم.

فرادرس فیلم‌های آموزشی متنوعی را منتشر کرده است که در فهرست زیر به چند مورد آن‌ها اشاره کرده‌ایم:

• فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش شیمی
• فیلم آموزش مهندسی محیط زیست 
•  مجموعه فیلم آموزش محیط زیست 
• فیلم آموزش سوخت و احتراق Fuels and Combustion سطح مقدماتی

ویژگی‌ های گاز اکسیژن

گاز اکسیژن مانند دیگر مولکول‌ها از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی تشکیل شده است که در زیر به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.

ویژگی‌های فیزیکی اکسیژن

مولکول اکسیژن در دمای اتاق به صورت گاز اکسیژن یافت می‌شود. اتم اکسیژن نقطه ذوبی برابر ۲۱۸٫۷۹- درجه سانتی‌گراد و نقطه جوشی برابر ۱۸۲٫۹۶- درجه سانتی‌گراد دارد. این گاز بدون بو و رنگ و مزه است و همواره در دمای اتاق به صورت گاز دو اتمی‌اکسیژن یافت می‌شود. در دماهای بسیار پایین اکسیژن می‌تواند به فرم مایع نیز وجود داشته باشد.

ویژگی‌های شیمیایی اکسیژن

اتم‌های اکسیژن با پیوند‌های کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند و مولکول دواتمی‌اکسیژن را تولید می‌کنند. اتم اکسیژن در گروه ۱۶ جدول تناوبی و ردیف دوم قرار دارد. عدد اتمی‌آن ۱۵٫۹۹۹ و آرایش الکترونی آن به صورت $$[He] 2s^22p^4$$ است. اکسیژن به سه فرم ایزوتوپ $$^{16}O$$، $$^{17}O$$ و $$^{18}O$$ وجود دارد.

اکسیژن در جدول تناوبی

اتم اکسیژن در گروه ۱۶ جدول تناوبی (گروه اکسیژن) قرار دارد. این اتم هشتمین اتم جدول تناوبی است و در ردیف دوم جدول جای گرفته‌ است. علامت شیمیایی این اتم با حرف انگلیسی O نشان داده‌می‌شود و عدد اتمی آن ۱۶ است.

اهمیت گاز اکسیژن در زندگی

گاز اکسیژن اساس زندگی بسیاری از جانوران و گیاهان را تشکیل داده است همچنین بسیاری از پدیده‌های شیمیایی تنها در حضور گاز اکسیژن صورت می‌گیرند. همانطور که اشاره شد بیشتر درصد اتمسفر زمین را اکسیژن تشکیل داده است و اساس بسیاری از پدیده‌های بیولوژی مانند تنفس سلولی اکسیژن است. در ادامه به توضیح این نقش‌های اکسیژن می‌پردازیم.

نقش گاز اکسیژن در اتمسفر

همانطور که اشاره شد، گاز اکسیژن یکی از کلیدی‌ترین ترکیبات موجود در هوا برای ادامه زندگی گیاهان و جانوران است. حال می‌خواهیم بدانیم در هوایی که اطراف زمین را گرفته‌ است، نقش گاز اکسیژن چیست. گاز اکسیژن یکی از مولکول‌های کلیدی برای دستیابی به اطلاعات اجزای تشکیل دهنده هوایی است که استشمام می‌کنیم. اکسیژن به صورت سنگین و سبک در فرم ایزوتوپ‌های مختلف وجود دارد. مانند همه اتم‌ها، اکسیژن از هسته و الکترون تشکیل شده است. همه اتم‌های اکسیژن از ۸ الکترون تشکیل شده‌اند اما هسته آنها می‌تواند ۸، ۹ یا ۱۰ نوترون داشته باشد. اکسیژن سبک ۱۶ با ۸ پروتون و ۸ نوترون بیشترین فراوانی را بین ایزوتوپ‌های اکسیژن دارد. حدود ۲۱ درصد گاز‌های اتمسفر را گاز اکسیژن تشکیل داده است. برای بسیاری از موجودات بین ۱۷ تا ۲۵ درصد اکسیژن برای بقا نیاز است. گیاهان در طبیعت با استفاده از فرایند فوتوسنتز با مصرف انرژی خورشید و به همراه مصرف آب و کربن دی اکسید، همواره در حال دوباره تامین کردن اکسیژن هستند.

واکنش فرایند فوتوسنتز در ادامه آورده شده است.

$$6CO_2 + 6H_2O → C_6H_{12}O_6 + 6O_2$$

برای مطالعه بیشتر درباره جو زمین و لایه‌های آن می‌توانید با مطالعه مطلب جو زمین چیست؟ — به زبان ساده در مجله فرادرس با این مطلب بیشتر آشنا شوید.

چرخه گاز اکسیژن چیست

چرخه اکسیژن به جریان اکسیژن به شکل‌های متفاوت در طبیعت گفته می‌شود. این شکل‌ها می‌تواند فرم اکسیژن حل شده در آب و آزاد در هوا به شکل گازی باشد. همانطور که اشاره شد اکسیژن پس از نیتروژن دومین گاز فراوان اتمسفر است. گیاهان و جانوران اکسیژن را برای تنفس مصرف می‌کند و آن را به شکل کربن دی اکسید به هوا و آب بازمی‌گردانند. کربن دی اکسید سپس توسط جلبک‌ها و برخی از گیاهان سبز موجود در خشکی مصرف شده و طی فرایند فوتوسنتز به کربوهیدرات تبدیل شده و اکسیژن به عنوان محصول جانبی تولید می‌شود. فرمول واکنش شیمیایی این فرایند در ادامه آورده شده است.

$$6 \mathrm{CO}_2 (g) + 6 \mathrm{H}_2\mathrm{O} (l)\rightarrow \mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}\mathrm{O}_6 (aq) + 6 \mathrm{O}_2 (g)$$

منابع آب روی زمین بزرگ‌ترین منابع تولید کننده اکسیژن بیوسفر هستند. تخمین‌های انجام شده نشان می‌دهد جلبک‌های موجود در این آب‌ها حدود ۹۰ درصد اکسیژن مصرفی زمین را تامین می‌کنند. اکسیژن همچنین در برخی دیگر از فعالیت‌های چرخه‌ای زیست گیاه شناسی شیمیایی نیز شرکت می‌کند.

با وجود استفاده فراوان از سوخت‌های فسیلی و کاهش پوشش‌های گیاهی روی زمین و داخل آب‌های طبیعی، میزان اکسیژن اتمسفر کاهش نیافته و تقریبا ثابت مانده است. این پدیده به دلیل افزایش تولید گیاهان در فرایند‌های کشاورزی است.

اوزون: فرم دیگر گاز اکسیژن

گاز اکسیژن به فرم‌مولکول دو یا سه اتمی‌در اتمسفر یافت می‌شود. اوزون فرم دیگر اکسیژن خالص است که از سه اتم اکسیژن تشکیل شده است. این مولکول در تروپوسفر جو زمین وجود دارد. اشعه فرابنفش مولکول‌های گاز اکسیژن $${O}_2 (g)$$ را به دو تک اتم اکسیژن $${O}$$ تقسیم می‌کنند. تک اتم‌های اکسیژن به مولکول‌های دواتمی‌اکسیژن متصل شده و مولکول‌های اوزون را تشکیل می‌دهند.

در معادله زیر واکنش تشکیل مولکول‌های اوزون آورده شده است.

$$3 \mathrm{O}_2 (g) \rightarrow 2 \mathrm{O}_3 (g)$$

یک‌ لایه از مولکول‌های اوزون در اتمسفر وجود دارد که به آن لایه اوزون گفته می‌شود. لایه اوزون زمین‌ را از ورود اشعه‌های فرابنفش‌ که برای انسان‌ها و برخی موجودات مضر هستند، محافظت می‌کند.