Mục lục bài viết

1. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lý của Oxi (O2)

1.1. Cấu tạo phân tử và trạng thái tự nhiên

- Nguyên tố oxi, với số hiệu nguyên tử là 8, thuộc nhóm VIA và nằm ở chu kỳ 2 trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Điều này đặt oxi vào nhóm các nguyên tố có tính chất hóa học tương đồng, chẳng hạn như nitơ và phốtpho và đồng thời nằm trong chu kỳ 2, gồm các nguyên tố như lithium và beryllium.

- Nguyên tử oxi có cấu hình electron là 1s22s22p4, với lớp ngoài cùng chứa 6 electron. Tính chất này quyết định phần lớn về tính chất hóa học của oxi, đặc biệt là khả năng tạo liên kết hóa học với các nguyên tố khác.

- Trong điều kiện bình thường, phân tử oxi thường xuất hiện dưới dạng O=O, trong đó hai nguyên tử oxi liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hoá trị không cực. Liên kết này là một trong những liên kết phổ biến trong hóa học, nơi các nguyên tử chia sẻ electron để đạt được cấu hình electron ổn định.

- Ngoài ra, oxi trong không khí thường là sản phẩm của quá trình quang hợp, một quá trình sinh học quan trọng trong quá trình cây cỏ hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời và biến đổi nó thành năng lượng hóa học, trong đó oxi có vai trò quan trọng. Phương trình phản ứng thể hiện như sau:

CO2 + H20 → C6H12O6 + 6 O2 (điều kiện phản ứng: có ánh sáng)

 

1.2. Tính chất vật lý

- Khí oxi là một chất khí vô màu, không có mùi hay vị và có khối lượng riêng lớn hơn so với không khí. Các tính chất đặc trưng của oxi làm cho nó trở thành một yếu tố quan trọng trong nhiều quá trình hóa học và sinh học.

- Dưới áp suất của khí quyển, oxi có thể chuyển từ dạng khí sang dạng lỏng ở nhiệt độ cực thấp, chỉ cần -183ºC. Điều này làm cho nó trở thành một trong những chất lạnh phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học.

- Tính khả tan của khí oxi trong nước cũng là một đặc điểm đáng chú ý. Dưới điều kiện thông thường (100 ml nước ở 20ºC, 1 atm), chỉ có 3,1 ml khí oxi có thể hòa tan vào nước. Độ tan này được biểu thị bằng việc nói rằng ở 20ºC và áp suất 1 atm, mỗi 100g nước chỉ có thể hòa tan được 0,0043 g khí oxi. Điều này làm cho oxi có tính chất khả tan trong nước khá thấp so với một số khí khác, điều này có thể có tác động trong các quá trình hóa học và sinh học liên quan đến nước.

 

2. Tính chất hóa học của Oxi

Nguyên tử oxi, với khả năng nhận thêm 2 electron khi tham gia phản ứng, thường thể hiện tính chất oxi hoá mạnh. Điều này là do nguyên tử oxi có độ âm điện cao, đạt 3,44, chỉ kém so với flo (3,98). Tính chất này làm cho oxi trở thành một nguyên tố phi kim hoạt động hoá học với khả năng tạo ra các liên kết hóa học mạnh mẽ.

Trong nhiều hợp chất, trừ hợp chất với flo, nguyên tố oxi thường có số oxi hoá là -2. Điều này thể hiện rằng trong các hợp chất này, oxi thường chia sẻ hai electron để đạt được cấu hình electron ổn định, tạo thành liên kết ion âm.

Ngoài ra, oxi cũng tác dụng với nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ, tạo ra nhiều sản phẩm hóa học khác nhau. Điều này mở ra một loạt các ứng dụng trong lĩnh vực hóa học và sinh học, đồng thời làm cho oxi trở thành một nguyên tố quan trọng trong các quá trình tự nhiên và công nghiệp.

 

2.1. Tác dụng với phi kim

Với Lưu huỳnh:

Lưu huỳnh cháy trong không khí tạo ra hiện tượng đặc trưng với ngọn lửa nhỏ và màu xanh nhạt. Tuy nhiên, nếu lưu huỳnh cháy trong khí oxi, phản ứng sẽ diễn ra manh liệt hơn, tạo thành khí lưu huỳnh dioxit (SO2), còn được gọi là khí sunfuro. Ngoài ra, có một ít lưu huỳnh trioxit (SO3) cũng được tạo thành trong quá trình này. Phương trình phản ứng được biểu diễn như sau:

S + O2 ​ → SO2 ​

Với Photpho:

Photpho cháy mạnh trong oxi với hiện tượng ngọn lửa sáng chói và tạo ra khói trắng dày đặc. Kết quả của phản ứng này là điphotpho pentaoxit (P2O5), một chất có cấu trúc hóa học quan trọng. Phương trình phản ứng được biểu diễn như sau:

4 P + 5 O2 ​ → 2 P2O5 ​

Những phản ứng này chỉ là một số ít trong hàng loạt các tương tác giữa oxi và các nguyên tố khác. Điều đáng chú ý là oxi có khả năng tương tác với phi kim khi ở nhiệt độ cao, như đã thấy trong các phản ứng trên. Nó cũng thể hiện tính chất oxi hóa với hóa trị II, làm cho nó trở thành một tác nhân quan trọng trong nhiều quá trình hóa học và các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Điều này làm cho oxi trở thành một nguyên tố chủ chốt đối với nhiều quá trình hóa học và biến đổi vật chất.

 

2.2. Tác dụng với kim loại

Oxi tác dụng với hầu hết các kim loại, trừ một số kim loại quý như vàng (Au), platinum (Pt) và một số phi kim nhóm halogen. Các phản ứng này thường liên quan đến sự chuyển động của electron và tạo thành oxides. Sự tương tác này làm cho oxi trở thành một yếu tố quan trọng trong nhiều quá trình hóa học và công nghiệp.

Khi đưa một mẩu than hồng vào lọ chứa khí oxi và cuốn dây sắt vào, mẩu than cháy trước, tạo ra một lượng nhiệt độ đủ cao để kích thích quá trình cháy của sắt. Quá trình này dẫn đến sự cháy mạnh của sắt, không tạo ngọn lửa và không sinh ra khói. Thay vào đó, quá trình tạo ra các hạt nhỏ nóng chảy màu nâu. Kết quả của phản ứng là sự hình thành của oxit sắt với công thức hóa học là Fe3O4, thường được gọi là oxit sắt từ. Phương trình hóa học của phản ứng này có thể được biểu diễn như sau:

3 Fe + 2 O2 ​ → Fe3O4 ​

Ở đây, sắt tham gia phản ứng với khí oxi và kết quả là sự tạo thành của oxit sắt Fe3O4, một chất có màu nâu do sự kết hợp của sắt với oxi trong tỷ lệ cụ thể. Quá trình này không chỉ thú vị từ góc độ hóa học mà còn thể hiện sự tương tác đặc biệt giữa các nguyên tố và chất, đồng thời mang lại thông tin quan trọng về tính chất và ứng dụng của oxit sắt trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

 

2.3. Tác dụng với hợp chất

Metan, một thành phần chính có mặt trong khí bùn, ao và các nguồn khí sinh học như bioga, có khả năng cháy khi tương tác với oxi trong không khí. Quá trình cháy này tạo ra một lượng lớn nhiệt độ, làm cho metan trở thành một nguồn năng lượng quan trọng.

Phương trình hóa học của phản ứng cháy metan với oxi có thể được biểu diễn như sau:

CH4 ​+ 2 O2​ → CO2 ​+ 2H2O

Ở đây, metan (CH4) phản ứng với khí oxi (O2) trong không khí để tạo ra carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Phản ứng này là một quá trình oxi hóa, nơi mà metan cung cấp electron cho oxi để tạo thành sản phẩm cuối cùng. Sự cháy của metan không chỉ tạo ra nhiệt độ mà còn tạo ra các sản phẩm khí như CO2, đó là một khía cạnh quan trọng trong quá trình xử lý và sử dụng năng lượng từ khí sinh học.

 

3. Điều chế Oxi

3.1. Điều chế trong phòng thí nghiệm

Trong môi trường phòng thí nghiệm, quá trình điều chế khí oxi thường được thực hiện bằng cách phân huỷ các hợp chất chứa oxi, đặc biệt là những hợp chất giàu oxi và ít bền đối với nhiệt độ cao. Các chất như KMnO4 (manganat kali) và KClO3 (cloat kali) thường được sử dụng trong quá trình này.

Chẳng hạn, quá trình phân huỷ KClO3 (cloat kali) có thể được biểu diễn theo phương trình hóa học sau:

2 KClO3 ​→ 2 KCl + 3 O2 (điều kiện phản ứng: nhiệt độ)

Trong đó, khi KClO3 được đun nóng, nó phân hủy thành KCl (clo kali) và ba phân tử khí oxi (O2). Quá trình này giúp tách lấy oxi từ các hợp chất giàu oxi và khí oxi được thu thập để sử dụng trong các phản ứng hóa học khác.

Cũng giống như trường hợp của KMnO4, khi chất này được đun nóng, nó cũng phân hủy và giải phóng khí oxi theo phương trình hóa học tương tự.

Khí oxi sau đó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong phòng thí nghiệm, từ các phản ứng oxi hóa khí khác đến việc hỗ trợ sự cháy trong các phản ứng cháy hoặc làm giàu môi trường oxi để tạo điều kiện thí nghiệm cụ thể. Quá trình điều chế oxi từ các hợp chất giàu oxi là một phần quan trọng của quá trình nghiên cứu và thực nghiệm hóa học trong phòng thí nghiệm.

 

3.2. Điều chế trong công nghiệp

- Khí oxi có thể được sản xuất từ không khí thông qua một quy trình phức tạp và kỹ thuật cao. Ban đầu, không khí được làm sạch để loại bỏ hơi nước, bụi và khí cacbon đioxit. Sau đó, không khí đã được tinh chế này được hoá lỏng. Quá trình chưng cất phân đoạn không khí lỏng giúp tách oxi từ các thành phần khác và kết quả là thu được khí oxi tinh khiết. Oxi sau đó được đóng gói và vận chuyển trong những bình thép có dung tích lớn, thường là 100 lít, dưới áp suất cao lên đến 150 atm để đảm bảo tính ổn định và thuận tiện trong quá trình vận chuyển.

- Một cách khác để sản xuất khí oxi là thông qua quá trình điện phân nước. Trong quá trình này, nước (thường được thêm một ít axit sulfuric hoặc nước xút như H2SO4 hoặc NaOH để tăng khả năng dẫn điện) được điện phân để tạo ra oxi và hiđro. Oxi được tạo ra tại cực dương, trong khi khí hiđro xuất hiện ở cực âm. Quá trình này tận dụng khả năng dẫn điện của nước để tách oxi ra khỏi nước, tạo ra một nguồn oxi tinh khiết có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

 

4. Ứng dụng của Oxi (O2) 

Oxi là một trong những nguyên tố quan trọng nhất, đóng một vai trò không thể phủ nhận trong sự sống của con người và động vật. Không khí, chủ yếu bao gồm oxi và nitơ, là nguồn cung cấp oxi quan trọng để duy trì quá trình hô hấp và sự sống của sinh vật.

Mỗi ngày, con người cần một lượng lớn không khí để thở. Khoảng 20-30m3 không khí hàng ngày là lượng cần thiết để cung cấp đủ oxi cho quá trình hô hấp của cơ thể. Quá trình này diễn ra thông qua sự hấp thụ oxi từ không khí qua đường hô hấp và sau đó tham gia vào các phản ứng hóa học trong cơ thể để tạo năng lượng.

Oxi cũng là một thành phần quan trọng trong quá trình đốt cháy năng lượng trong cơ thể, giúp duy trì sự sống và hoạt động của tất cả các tế bào. Nó tham gia vào quá trình oxi hóa các chất hữu cơ để tạo ra năng lượng, quá trình mà không có oxi, sự sống không thể duy trì được.

Ngoài ra, oxi cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học khác như quá trình trao đổi khí ở cấp độ tế bào, quá trình hình thành năng lượng trong mitochondria và quá trình oxy hóa các chất cản trở, giúp duy trì sự ổn định của môi trường nội bào.

Như vậy, không chỉ là nguồn cung cấp oxi quan trọng, mà oxi còn tham gia vào nhiều khía cạnh của sự sống và sinh hoạt của con người và động vật. Sự hiểu biết sâu sắc về vai trò của oxi có thể giúp chúng ta đánh giá cao giá trị quý báu mà nguyên tố này mang lại cho cuộc sống.

Xem thêm: Phản ứng oxi hóa khử là gì? Ví dụ về phản ứng oxi hóa khử lớp 10?