Zuurstof
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Algemeen
Naam Zuurstof
Symbool O
Atoomnummer 8
Groep Zuurstofgroep
Periode Periode 2
Blok P blok
Reeks Niet-metalen
Kleur Kleurloos
Chemische eigenschappen
Atoommassa (u) 15,999
Elektronenconfiguratie [He]2s2 2p4
Oxidatietoestanden -2
Elektronegativiteit (Pauling) 3,44
Atoomstraal (pm) 73
1e ionisatiepotentiaal (kJ×mol-1) 1313,95
2e ionisatiepotentiaal (kJ×mol-1) 3388,33
3e ionisatiepotentiaal (kJ×mol-1) 5300,51
Fysische eigenschappen
Dichtheid (kg·m-3) 1,429
Smeltpunt (K) 54,8
Kookpunt (K) 90,2
Aggregatietoestand Gas
Smeltwarmte (kJ·mol-1) 0,223
Verdampingswarmte (kJ·mol-1) 3,41
Van der Waalse straal (pm) 152
Kristalstructuur Kub
Molair volume (m3·mol-1) 14,0
Geluidssnelheid (m·s-1) 317
Specifieke warmte (J·kg-1·K-1) 920
Warmtegeleiding (W·m-1·K-1) 0,0265
SI-eenheden en standaardtemperatuur en -druk worden gebruikt,
tenzij anders aangegeven
Zuurstof is een scheikundig element met symbool O en atoomnummer 8. Het is een kleurloos niet-metaal. Zuurstof komt echter in vrije vorm (het zuurstof-radicaal O⋅ ) op aarde vrijwel niet voor. Losse atomen van dit element zijn zeer reactief en verbinden zich direct met andere stoffen; bijvoorbeeld bij het ontleden van waterstofperoxide H2O2 zal het 'losse' O atoom direct recombineren met andere O atomen tot O2. Zuurstof als element komt voornamelijk voor als zuurstofgas (O2). De eigenschappen die in dit artikel worden genoemd gelden dan ook vooral voor deze stof, dat bij kamertemperatuur een gas (O2) is.
Losse atomen zuurstof worden ook wel "in statu nascendi" genoemd.
Inhoud [verbergen]
1 Ontdekking
2 Toepassingen
3 Opmerkelijke eigenschappen
4 Verschijning
5 Isotopen
6 Toxicologie en veiligheid
7 Externe links
[bewerk] Ontdekking
Zuurstof werd in 1771 door de Zweedse apotheker Karl Wilhelm Scheele ontdekt, maar de herontdekking door Joseph Priestley maakte het pas in wijdere kring bekend. Men begreep al gauw dat dit gas, hoewel het maar een vijfde van de lucht van onze planeet uitmaakt, verbranding mogelijk maakt alsmede het ademen van mens en dier (en plant gedurende de duisternis). Het was Antoine Lavoisier die het zijn wetenschappelijke naam oxygenium (zuurvormer) gegeven heeft omdat men aanvankelijk dacht dat het element een onontbeerlijk bestanddeel van een zuur was. Vooral het feit dat de elektrolyse van een groot aantal zuren (met de waterstofhalogeniden als notoire uitzondering) aan de kathode zuurstofgas oplevert was debet aan deze overtuiging. Hoewel oxides van vele elementen inderdaad zuurvormend zijn, is het omgekeerde niet waar: om een zuur te vormen is zuurstof niet noodzakelijk.
[bewerk] Toepassingen
Zuurstofgas in zuivere vorm wordt veel toegepast in lasapparatuur en in de medische wereld voor de behandeling van mensen met ademhalingsproblemen. Ook in de luchtvaart en bij het (diep)duiken is het niet meer weg te denken (zie nitrox en trimix).
Vloeibaar O2 vindt toepassing in de ruimtevaart en bij grootverbuikers. Als chemische grondstof is het ook bijzonder belangrijk, bijvoorbeeld voor de gecontroleerde oxidatie van ethyleen naar ethyleenoxide (over een zilverkatalysator). Dit industriële proces levert een belangrijke grondstof voor de polymeerindustrie
Zuurstofgas is onmisbaar voor vele organismen op aarde, immers zonder O2 zou er nergens op aarde aerobe dissimilatie plaats kunnen vinden. Op zeeniveau bestaat de lucht voor ongeveer 21% uit zuurstofgas. Vermits het biochemisch proces van levende wezens hierop is aangepast, is dit een optimale hoeveelheid voor het lichaam in goede conditie te houden. Zodra men zich echter naar de bergen verplaatst, zal de luchtdruk, en de hoeveelheid zuurstofgas in eenzelfde volume lucht, iets dalen. Het kan dan gebeuren dat levende wezens ademhalingsproblemen krijgen.
[bewerk] Opmerkelijke eigenschappen
O2 is een gas onder standaardcondities.Het element zuurstof komt normaal gezien voor als een twee-atomig gas, O2, dat 21% van de atmosfeer van de aarde vormt. Dit bestaat in twee toestanden: de grondtoestand triplet zuurstof en twee aangeslagen toestanden singlet zuurstof. Ook de drie-atomige vorm O3 (ozon) komt in de natuur voor, vooral in de hogere luchtlagen waar het onder invloed van de kosmische straling waaraan de aarde blootgesteld is, gevormd wordt. Door luchtverontreiniging kan het ook aan de grond voorkomen. In proeven op uiterst hoge druk zijn zes kristalstructuren van vast O8 aangetoond.
Het element is een gas bij kamertemperatuur maar kan vrij eenvoudig vloeibaar gemaakt worden. De vloeistof en de vaste stof die bij nog iets lagere temperaturen stabiel is, hebben een licht blauwe kleur. De meeste vormen van zuurstof zijn paramagnetisch. Dit wordt veroorzaakt door de moleculaire elektronische structuur. Het molecuul heeft een dubbele binding. Als we de as van het molecuul als de z-as kiezen, kunnen de pz een sigma binding aangaan. De px en py banen moeten echter zijdelings overlappen in een combinatie met pi-symmetrie. Iedere interactie leidt tot een bindende en een antibindende moleculaire baan. Omdat bij het vullen van de banen de antibindende banen die in totaal vier elektronen kunnen bevatten er maar met twee gevuld worden, zullen de twee elektronen met evenwijdige spin deze toestanden opvullen. Dit leidt tot een totale spin van S = 1/2+1/2 = 1 met drie waarden (-1,0,1) voor het spinmagnetisch kwantumgetal. Deze triplettoestand heeft een lagere energie dan de singlettoestand waar de spins gepaard worden. De ongepaarde elektronen van de triplettoestand maken het molecuul een paramagnetisch biradicaal. Singlet zuurstof kan onder bepaalde omstandigheden ook in kleine hoeveelheden gevormd worden; het is vooral voor levende wezens een gevaarlijke stof, die tot allerlei ontsporingen in de stofwisseling, mogelijk ook tot kanker, kan leiden. Daar staat tegenover dat witte bloedcellen zelf singletzuurstof maken om ongewenste cellen te vernietigen. Ook voor energiecycli is omzetting van triplet naar singlet nodig.
Vanwege zijn merkwaardige elektronenstructuur en zijn hoge elektronegativiteit is elementaire zuurstof een agressieve oxidator, die met vrijwel alle andere elementen stabiele verbindingen vormt. Uitzonderingen zijn enkele van de lichtere edelgassen en het metaal goud, waarvan alleen metastabiele oxides bekend zijn.
In oxides neemt het element twee elektronen op en vormt de oxidatietoestand -2. Oxides van elementen in hun hoogste oxidatietoestand zoals nitraten, chromaten, chloraten enz. kunnen zelf ook bijzonder sterke oxidatoren zijn. Naast oxiden zijn er echter ook peroxides bekend, zoals waterstofperoxide H2O2. Nominaal is hier het oxidatie getal -1 en er is nog een enkele zuurstof-zuurstof binding (H-O-O-H). Peroxiden zijn niet erg stabiel en kunnen afhankelijk van onder andere de zuurgraad als oxidator of als reductor optreden.
Vloeibare zuurstof kan uit vloeibare lucht gewonnen worden.
[bewerk] Verschijning
Zuurstof is naar voorkomen het eerste element in de aardkorst, het maakt daar ongeveer 46,7% van uit, het meest in de vorm van metaaloxiden, silicaten, carbonaten en andere zouten. Ook van de oceanen is het het hoofdbestanddeel (87%), omdat het een van de twee elementen is waaruit water (H2O) bestaat. Hetzelfde geldt voor het ijs waaruit de poolkappen hier op aarde bestaan.
Op andere hemellichamen, bijvoorbeeld Mars, bestaat het ijs mogelijk uit kooldioxide, dat overigens ook zuurstof bevat. Jupiters maan Europa is geheel bedekt met waterijs en kometen bestaan grotendeels uit waterijs.
Het feit dat zuurstof in vrije vorm in de atmosfeer voorkomt, is geheel het gevolg van het leven op aarde en met name de fotosynthese van groene planten. Zonder de voortdurende productie zou het element weer geleidelijk uit de atmosfeer verdwijnen, omdat het vrij reactief is en zich met oxideerbare materialen zou verbinden. Bosbranden zijn daar een goed voorbeeld van. Dit is ook bijzonder interessant voor astronomen die naar buitenaards leven zoeken: treft men vrije zuurstof aan in de atmosfeer van een verre planeet, dan weet men al genoeg.
[bewerk] Isotopen
Meest stabiele isotopen
Iso RA (%) Halveringstijd VV VE (MeV) VP
15O syn 122,24 s EV 2,754 15N
16O 99,762 stabiel met 8 neutronen
17O 0,038 stabiel met 9 neutronen
18O 0,200 stabiel met 10 neutronen
Naast het meest voorkomende zuurstofisotoop 16O komen er nog twee andere stabiele isotopen voor: 17O en 18O. Er is tevens een tiental radioactieve isotopen bekend met halfwaardetijden van minder dan drie minuten.
[bewerk] Toxicologie en veiligheid
Brandgevaar wordt bij het gebruik van zuivere gasvormige en vooral van vloeibare zuurstof een nog veel ernstiger probleem dan het in het normale leven al is. Een prop watten gedrenkt in vloeibare zuurstof is een bom die afgaat met een metershoge steekvlam. De zuurstof is in zulke hoge concentratie op het oppervlak van de brandstof aanwezig dat de reactie ongemeen heftig wordt.
Ook ozon en peroxiden zijn gevaarlijke materialen die met kennis van zake behandeld dienen te worden. Inademen van te grote hoeveelheden ozon kan tot ernstige longproblemen leiden, bovendien kan ozon met veel vluchtige organische verbindingen reageren tot schadelijke verbindingen. Een verzamelnaam voor dit soort verontreiniging is smog.
Onder druk is zuurstof giftig voor de mens. De maximale diepte voor het duiken met zuivere zuurstof is 6 meter (zie zuurstofvergiftiging).
