Dioxigèn
Lo dioxigèn, comunamen nomenat oxigèn, es una substància gasosa dins las condicions normalas de temperatura e de pression. Incolor, inodor e insipid, participa a de reaccions d'oxidoreduccion, subretot la combustion, la corrosion e la respiracion. Sa molecula, compausada de dos atòms d'oxigèn, e notada O2. Lo dioxigèn es una de las formas allotropicas de l'oxigèn.
|
Dioxigèn
| |||
|---|---|---|---|
 | |||
| General | |||
| Formula bruta | O2 | ||
| Nom IUPAC | |||
| Numèro CAS | 7782-44-7 | ||
| Aparéncia | gas incolor a temperatura ambianta
gas liquefiat: liquid incolor a blau | ||
| Proprietats fisicas | |||
| Massa moleculara | 31,9988 ± 0,0006 g/mol
| ||
| Temperatura de fusion |
−219 °C | ||
| Temperatura de vaporizacion |
−183 °C | ||
| Solubilitat | dins l'aiga a 20 °C : 3,1 ml/100 ml1
| ||
| Densitat | 1.429 g/l (a (0 °C e 101.325 kPa) | ||
| Viscositat | |||
| Termoquimia | |||
| ΔfH0gas | 213 kJ/kg | ||
| ΔfH0liquid | 6,82 kJ·mol-1 (1 atm, −182,95 °C) | ||
| ΔfH0solid | |||
| Unitats del SI & CNTP, exceptat indicacion contrària.
| |||
| Identificants | |||
| BNF | . | ||
| SUDOC | . | ||
| BNE | . | ||
| GND | . | ||
| VIAF | . | ||
| ISSN | . | ||
| ZDB | . | ||
| Joconde | . | ||
| Mérimée | . | ||
| IMDb | . | ||
| NOR | . | ||
| ISO standard | . | ||
| |||
Constituissent 20,95 % en volum de l'atmosfèra terrèstra (23,2 % en massa), lo dioxigèn es un gas indispensable a gaireben totas las formas de vida actualas, que fornís lo comburent necessari al foncionament de las cellulas (respiracion cellulara). Dins lo mitan aquatic, lo dioxigèn disolgut es tanben necessari a la vida de fòrça espècias[1]. Solas las arcnèas e una partida minoritària de las bacterias (dichas anaerobias), pòdon se passar de dioxigèn. Son la bacterias anaerobias produsent de dioxigèn qu'oxidèron l'atmosfèra primitiva d'en primièr reductrictz, puèi l'enriquissiá en dioxigèn: aquel darrièr es present en abondança dins l'aire dempuèi la Granda Oxidacion, fa gaireben 2,5 miliards d'annadas.
Origina e evolucion del dioxigèn de l'atmosfèra terrèstra
modificarFòrça ipotèsis existisson per explicar la preséncia de dioxigèn dins l'atmosfèra:
- la mai comunament retenguda es que s'agís d'un gas produch pendent lo foncionament de las cianobacterias, e mai sovent de vegetals clorofillians, extrasent lo carbòni del dioxid de carbòni (jos forma de compausats organics) e rebutan l'oxigèn (jos forma de dioxigèn) pel mecanisme de la fotosintèsi;
- una segonda invòca la descomposicion, dins la nauta atmosfèra, de moleculas d'aiga en dioxigèn e diidrogèn, jos l'efièch dels rais solar e cosmic. Lo diidrogèn s'escapant definitivament dins l'espaci (al ritme, aara, d'unes 3 kg/s), lo dioxigèn s'accumula dins l'atmosfèra.
Los dos fenomèns existisson, la realitat pòt èsser una combinason dels dos procediments.
Cianobacterias
modificarFa 4 miliards d'anadas, la Tèrra èra gaireben tota cobèrta d'oceans e son atmosfèra compausada de metan, d'amoniac e de dioxid de carbòni. Las bacterias presentas dins l'ocean utilisavan sonque la fermentacion coma font d'energia, puèi de mutants apareguèron. Èran capables d'utilizar la lutz solara coma font d'energia, lo CO2 coma font de carbòni e H2O o H2S coma font d'idrogèn. Èra la primièra apreisson de la fotosintèsi. Aqueles organismes autotrofs, es a dire capables de crear los lors nutriments, se generalizèron puèi mutèron, creant atal la primièras cianobacterias fa 3,2 miliard d'annadas. Aquelas utilizavan l'aiga coma font d'idrogèn e rebutavan de l'oxigèn, un poison mortal per totas las autres bacterias anaerobias.
Las bacterias son sempre en competicion per lor desvelopament mas lo fach que las cianobacterias sián capablas de tuar las autras bacterias per emanacion d'oxigèn foguèt un cambiament decisiu. Se pensa que la proliferacion de las cianobacterias dins los oceans permetèt de completament modificar l'atmosfèra. Dins lo meteis temps, de bacterias comencèron a mutar per poder utilizar l'oxigèn coma font d'energia puslèu que la fermentacion. E, l'energia quimica de la molecula d'oxigèn es fòrça mai superiora a çò que se poiriá obténer per fermentacion.
A un cert moment, aquela bacterias capablas de crear d'energia a partir de l'oxigèn foguèt literalament fagocitadas per d'autras bacterias/organismes qu'o podavan pas far. Es considerat mai que los mitocondrias presentas dins totas las cellulas, son de bacterias que foguèron fagocitadas e que permeton a las cellulas d'utilizar l'oxigèn coma font d'energia. Encara se pòt notar que las mitocondrias an lo lor ADN, sempre eissit de l'ovul, donc de la maire.
Evolucion del taus de dioxigèn dins l'atmosfèra terrèstra
modificarLo dioxigèn èra gaireben inexistent dins l'atmosfèra terrèstra abans que las arcnèas e las bacterias se desvelopèron, benlèu fa 3,5 miliars d'annadas. L'oxigèn a l'estat liure aparéis pel primièr còp en quantitat significativa pendent lo paleoproterozoïc (fa entre 2,5 e 1,6 miliars d'annadas). Pendent lo primièr miliard d'anadas, tot l'oxigèn produch per aqueles organismes se combina a de fèrre disolgut dins los oceans per formar de jaces de fèrre ribanats. Quand aqueles poses d'oxigèns son saturats, l'oxigèn libèra comença a èsser relargat dels oczans, fa 2,7 miliards d'annadas. Sa concentracion atenh 10 % de son nivèl actual fa 1,7 miliards d'annadas[2].
La preséncia d'una granda quantitat de dioxigèn disolgut dins los oceans e dins l'atmosfèra pòt aver menat a l'atudament los organismes anaerobias que vivon alara, pendent la crisi ecologica nomenada la Granda Oxidacion, fa 2,4 miliards d'annadas. Pasmens, la respiracion cellulara utilizant lo dioxigèn permet als organismes aerobias de produire fòrça mai d'ATP que los organismes anaeobias, los ajudant atal a dominar la biosfèra terrèstra[3].
Dempuèi lo començament del Cambrian fa 540 milions d'annadas, la concentracion d'oxigèn dins l'atmosfèra evoluèt, representant amb lo temps entre 15 % e 30 % de son volum[4]. Cap a la fin del Carbonifèr fa 300 milion d'annadas, lo taus de dioxigèn atmosferic atenht un maxim: repreenta alara 35 % del volum de l'atmosfèra çò que poiriá aver contribuit a la granda talha dels insèctes e dels amfibians de l'epòca[5]. Aquela culminacion de sa proporcion dins l'atmosfèra terrèstra a aquela epòca se deu a l'espandiment massís dels boscs de falguièras gigantas sus la Pangèa, e a l'aclapament progressiu dels produchs organics que venguèron lo jaces de carbon. Las activitats umanas, amb la combustion de 7 miliards de tonas de combustibles fossils cada annada an un fòrç fèble impacte sus la quantitat d'oxigèn liure dins l'atmosfèra. Al ritme actual de la fotosintèsi, caldriá près de 2000 ans per produire la totalitat del dioxigèn present ara dins l'atmosfèra[6].
Ròtles biologics
modificarFotosintèsi
modificarDins la natura, l'oxigèn a l'estat liure se realiza per fotolisi de l'aiga mercéa la fotosintèsi. Segon d'estimacions, las algas verdas e las cianobacterias presentas en mitan marin donan gaireben 70 % de l'oxigèn a l'estat liure produch sus Tèrra, lo rèste essentt produch per las plantas terrèstras[7]. D'autras estimacions afirman que la contribution dels oceans a l'apòrt d'oxigèn atmosferic es mai importante, d'autres encora afirmisson lo contrari, suggerissent que los oceans produson gaireben 45 % de l'oxigèn atmosferic cada annada.
Una formula globala e simplificada tradusent la fotosintèsi s'escriu[8] :
6 CO2 + 6 H2O + fotons → C6H12O6 + 6 O2
o simplament: dioxid de carbòni + aiga + lutz solar → glucòsa + dioxigèn.
L'evolucion fotolitica de l'oxigèn se produch dins la tilacoïda dels organismes fotosintetics e demanda l'energia de quatre fotons. Fòrça estapas sont complèxas mas lo resultat s'acaba amb la formacion d'un gradient electroquimic mejans la tilacoïda qu'es utilizat per sintetizar l'adenosina trifosfat (ATP) via lo procediment de fotofosforilacion[9]. Lo dioxigèn demorant après l'oxidacion de la molecula d'aiga es largat dins l'atmosfèra.
Respiracion
modificarLo dioxigèn es essencial dins la respiracion cellulara per totes los organismas aerobias. Las mitocondrias l'utilizan per ajudar a la produccion d'ATP pendent lo procediment de fosforilacion oxidativa. La reaccion modelizant la respiracion aerobia es globalament lo contrari d'aquela modelizant la fotosintèsi e s'escriu de biais simplificat[10]:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2 880 kJ·mol-1.
Pels vertebrats, lo dioxigèn difusa mejans las membranas de las cellulas dins las palmons e los globuls roges. L'emoglobina se liga al dioxigèn e provòca un cambiament de color de la proteïna que passa del roge azurejat al roge viu[11],[12]. D'autres animal n'utilizan pas l'emoglobina pel transpòrt del dioxigèn: los molluscs e d'artropods utilizan l'emocianina alara que las aranèas e los ligombaus utilizan l'emeritrina[13]. Un litre de sang pòt dissòlvre 200 cm3200 cm3 de dioxigèn.
Los derivats reactius de l'oxigèn, coma l'ion superoxid O2- e lo peroxid d'idrogèn H2O2, son de sosproduchs toxiques del dioxigèn utilizats pels organismes. Pasmens, de partidas del sistèma imunitari dels organismes evoluats produson de peroxid, de superoxid e d'oxigèn singlet per eliminar los micro-organismes envasidors[14]. Los drivats reactius de l'oxigèn jògan tanben un ròtle important dins la responsa ipersensitiva de las plantas contre las atacas patogènas.
Un adult al repaus inala entre 1,8 e 2,4 gramas d'oxigèn per minuta[15]. Aquò equival a mai de sièis miliard de tonas d'oxigèn inaladas per l'umanitat cada annada[16].
La respiracion aerobia consistís a absorbir lo dioxigèn necessari al catabolisme oxidatiu e a l'apòrt d'energia a las cellulas. Los organismes an una capacitat limitada d'absorptcion, nomenada consomacion maximala d'oxigèn.
La consomacion de dioxigèn es un indici d'activitat cellulara. Aquela remarca es a l'origina d'una caracterizacion de la pollucion biodegradabla d'un escadalh d'aiga, la demanda biologica en oxigèn.
Preséncia dins lo còrs dels vertebrats
modificarEs dins lo sistèma respiratòri que la pression parciala del dioxigèn dins lo còrs d'un vertebrat vivent es la mai nauta. Es mai fèble dins las artèrias, puèi dins los teissuts periferics, e mai encara dins les venas. La pression parciala del dioxigèn es la pression qu'auriá lo dioxigèn s'ocupava sol lo volum considerat[17].
| Unitat | Pression del gas dins las alveòlas palmonàrias |
Gas del sang arterial | Gas del sang dins las venas |
|---|---|---|---|
| kPa | 14,2 | 11–13[18] | 4,0–5,3 |
| mmHg | 107 | 75–100[19] | 30–40[20] |
Estructura
modificarEstructura geometrica
modificarLa molecula es diatomica e la distança mejana entre ambedos atòms es 120,74 pm120,74 pm dins son estat fondamental.
Dins sos dos primièrs estats excitats, aquela distança aumenta a 121,55 pm121,55 pm dins lo primièr estat e fins a 122,77 pm122,77 pm dins lo segond.
Representacion de Lewis
modificarLa representacion correnta de Lewis del dioxigèn, per que ambedos atòms respectan la règla de l'octet, es un ligam doble, cada atòm portant mai dos doblets d'electrons non partejats. Pasmens, aquela estructura mòstra pas lo paramagnetisme d'aquela molecula. Es possible de prepausar un esquèma de Lewis que respecte aquela observacion experimentala amb un liagam simple (e non pas un liagam doble) e un electron celibatari per atòm d'oxigèn.
La representacion pauc classica, amb un simple ligam, presenta lo desavantge l'inconvénient de mostrar pas la corta distança de liagam (d = 120,74 pm120,74 pm), fòrça mai corta qu'un ligam simple O-O coma dins lo peroxid d'idrogèn H-O-O-H per que la longor de ligam es 145,7 pm121,55 pm. Aquò explica subretot perque, dins la practica, aquela estructura es utilizada sonque per la pedagogia, per insistir sul caractèr diradicalar de la molecula. Une descripcion mai performanta se dona obtenue amb lass orbitalas molecularas.
Diagrama d'orbitalas molecularas
modificar
Dins l'encastre teoric de las orbitalas molecularas (metòde CLOA), l'interaccion entre dos atòmes d'oxigèn per formar una molecula se traduch pel diagrama çai costat.
Las doas orbitalas 2s dels dos atòms d'oxigèn, d'en primièr de meteissa energia, subisson una degenerescéncia, formant una orbitala σ145,7 pm liganta e una orbitala σ*2s; antiliganta, ambedoas complètament ocupadas, ne resultant en pas cap de ligam entre los dos aòms. Las sièis orbitalas 2p delsdos atòms subisson elas tanben una degenerescéncia, formant tres orbitalas σ2px, σ2s e σ*2s ligantas e tres orbitalas σ2px, σ*2py; e σ*2pz antiligantas. Los uèit (2×4) electrons 2p se destrian atal:
- sièis electrons ocupant las tres orbitalas ligantas de bassa energia;
- los dos electrons demorant ocupan cadun una orbitala antiliganta.
Aquela combinason d'orbitalas 2p resulta donc en tres orbitalas molecularas ligantas e una antiliganta, siá un indici de liagam de 2. La reparticion dels dos electrons sus las doas orbitalas antiliganta explica tanben lo caractèr diradicalari del dioxigèn. Aquela proprietat d'èsser radicalara alara que lo nombre d'electrons de la moleculas es par es unic d'entre las moleculas diatomicas. Aquela reparticion explica tanben lo caractèr paramagnetic del dioxigèn, çò que permet pas de marcar sa representacion de Lewis « classica ».
Aqul estatut d'estat triplet dona a la molecula de proprietats magneticas e pòt èsser la causa de son inercia quimica a temperatura ambianta. En efièch, la reaction de OModèl:ExpInd amb una autra molecula (H2, moleculas organicas) qu'es gaireben sempre dins un estat singlet per formar una molecula en estat singlet se debana sens la conservacion del pivòt total; es la causa d'una granda lentor de las reaccions quimicas implicant lo dioxigèn a temperatura e pression ordinària.
Espectroscopia
modificarLos dos primièrs nivèls excitats del dioxigèn son dos estats singlets a 15 800 cm-1O2 (94.72kJmol-1) e 21 100 cm-121 100 cm-1 (157,85 kJ⋅mol-1). Aquela transicions son enebidat de far pivòt, çò que mèna a çò que lo dioxigèn siá incolor. Es lo cas en fasa gasosa, la color blava de l'atmosfèra essent deguda a la difusion Rayleigh[21].
La color blava a l'estat liquid resulta de l'absorpcion de dos fotons a 7 918 cm-1⋅mol-1 sus una associacion de doas moleculas de dioxigèn (dimèr O4).
Magnetisme
modificarLo dioxigèn es paramagnetic. Aquela proprietatfoguèt observada per Faraday en 1848.
Lo diagrama d'orbitala moleculara del dioxigèn traçat pel metòde CLOA o mòstra. La configuracion electronica conten en efièch dos electrons celibataris sus las doas orbitalas Π* (estat triplet).
En resonància magnetica nucleara (RMN), per de mesuras primas, es important de desgasar l'escandalh per eliminar l'oxigèn molecular qu'es paramagnetic e empacharà la deteccion venent un alargament dels pics. Aquel desgasatge es, mai sovent, complit fasent en faisant bofigar un gas inèrte (azòt o argon) dins la solucion per remplaçar los gases dissolguts per aquel gas inèrte e non pas paramagnetic.
Reactivitat
modificarLo dioxigèn es termodinamicament f réactif, et la plupart de ses réactions sont fortement exothermiques. Cette grande réactivité n'a généralement pas lieu à température ambiante. Les raisons cinétiques ont été détaillées ci-dessus.
Amb los còrs simples
modificarPauc de còrs simples capitan pas se combinar dirèctament amb lo dioxigèn: lo tungstèn W, lo platin Pt, l'aur Au e los gases nòbles. cal notar que de compausats oxigenats de gases nòbles existisson pasmens (XeO3), mas jamai se realizèron per action dirècta amb O2.
Lo fach que los oxids existisson per gaireben totes los elements quimics ajudèt plan Mendeleiev a classificar los elements (1869). E lo fach que d'elements possedisson mai d'un oxids destriats (per exemple l'azòt) foguèt a l'origina de l'emergéncia de la nocion d'atòm per Dalton (1800).
Los ions d'O2
modificarSe coneis fòrça ions d'O2:
- L'ion dioxigenil, O2+, dins de fòrça pauc compausats;
- L'ion superoxid, O2-, anion frequent dins los sistèmas biologics per que l'oxidoreduccion es sovent monoelectronic; es una entitat pauc establa;
- L'ion peroxid O22-, anion sovent present dins los peroxids metallics coma lo peroxid de bari BaO2; l'oxigèn i a lo meteis gra d'oxidacion que dins lo peroxid d'idrogèn H2O2.
Reaccion del dioxigèn singlet 1O2
modificarLo dioxigèn singlet serealiza per radiacion luminosa de dioxigèn triplet (son estat fondamental) 3O2 amb un fotosensibilisator. Cal per aquò que l'estat excitat d'aquel darrièr siá superior a 94,7 kJ·mol-194,7 kJ/mol-1 (vejatz la partida espectroscopia).
3O2 + 1Sensibilisateur — hν → 1O2 + 3Sensibilisateur.
Lo dioxigèn singlet se pòt tanben realizar quimicament, per exemple en solucion alcolica, amb una mescla d'aiga oxinada e d'aiga de Javel[22] :
H2O2 + ClO- → Cl- + H2O + 1O2.
L'oxigèn singlet es fòrça reactiu, que siá quimicament que biologicament.
Utilizacions
modificarLo dioxigèn, dins l'aire, es utilizt per las combustions (caufatge, transpòrt)[23].
Separat del diazòt, son usatge màger es la siderurgia. Lo fèrre, en sortida dels nauts fornèls, es jos forma de carbur Fe3C, inutilisable car contenent mai de 4 % en massa de carbòni. Aquel carbòni es brutlat per injeccion de dioxigèn directament dins lo fèrre fondut. Es lo principi dels convertissors. Cal 60 m360 m3 CNTP d'O2 per tona de fèrre. La consomacion d'un site siderurgic va fins a de milièrs de tonas d'O2 per jorn.
La petroquimia es tanben una importanta consomatritz quand se cal produire de l'oxid d'etilèn, de l'oxid de propièn, del clorur de vinil per oxicloracion, dins lo rafinatge dels produchs petrolièrs, per regenerar de catalisors, etc.
D'autres procediments demandan tanben fòrça tonatges de dioxigèn:
- la sintèsi del dioxid de titan pel procedimement al diclor;
- lo blanquiment de la pasta de papièr, çò que limita la consomacion en diclor Cl2 que demora l'agent de blanquiment màger;
- lo tractament de rebuts quimics per exemple, los rebuts sofrats eissits de la produccion de metacrilat de metil, çò que dona a recuperar lo H2SO4.
Los autres usatges pontuals son per exemple:
- la produccion de flamas de nauta temperatura, coma aquela del calamèl oxidric;
- coma gas medical:
- oxigenoterapia normobara (a la pression atmosferica): per l'ajuda respiratòria de las personas amb de dificultats respiratòrias (malautiás coma l'asma o l'insufiséncia respiratòria cronica, o pendent una anestesia), per la ventilacion artificiala (arrèst de la respiracion);
- oxigenoterapia iperbara (de nauta pression): pel tractament d'unas intoxicacions amb gases (subretot al monoxid de carbòni), d'accidents de decompression en sotada o de quemaras, unas patologias arteriticas.
-
Esquèma d'un convertissor amb l'apòrt de dioxigèn dirèctament dins lo metal fondut. -
Convertissor en foncionament; la reaccion del fèrre fondut amb lo dioxigèn dona de garbas de lutz. -
Dioxigèn medical en botelha.
Nòtas e referéncias
modificarNòtas
modificarReferéncias
modificar- ↑ (en) University of Wisconsin. (2006), Dissolved oxygen:aquatic life depends on it, Water Action Volunteers-Volunteer Stream Monitoring Factsheet Series.
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ {{{2}}},
- ↑ Modèl:Citer doi
- ↑ {{{2}}},
- ↑ (en) William Fenical, « Marine Plants: A Unique and Unexplored Resource », dans Plants: the potentials for extracting protein, medicines, and other useful chemicals (workshop proceedings), DIANE Publishing, (ISBN 1-4289-2397-7, en linha), p. 147Modèl:Capitol
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ .
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ Lo dioxid de carbòni es liberat d'una autra partida de l'emoglobina via l'efièch Bohr
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ .
- ↑ (1,8 grama/minuta per persona) × (60 minutas/ora) × (24 oras per jorn) × (365 jorns/an) × (6,6 miliards de personas) ÷ (1 000 000 gramas per tona) = 6,24 miliards de tonas
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ Resultat obtengut a partir de la valor en mmHg utilisant per la conversion 0,133322 kPa/mmHg
- ↑ .
- ↑ .
- ↑ N. N. Greenwood e A. Earnshaw 1997, p. 606.
- ↑ {{{títol}}}.
- ↑ Vigne J.-L., Données industrielles.
Vejatz tanben
modificarArticles connèxes
modificarBibliografia
modificar- Davis J.C. (1975), Waterborne dissolved oxygen requirements and criteria with particular emphasis on the Canadian environment, in : Associate Committee on Scientific Criteria for Quality, National