Mục Lục
Định nghĩa về nguyên tố Oxi (Oxygen)
Oxi (hay Oxygen) là một nguyên tố phi kim vô cùng quan trọng, có số hiệu nguyên tử là 8 và nguyên tử khối là 16 đvC. Nó thuộc nhóm VIA, chu kỳ 2 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu hình electron của nguyên tử Oxi là 1s² 2s² 2p⁴. Oxi đóng vai trò then chốt trong nhiều quá trình hóa học và sinh học, đặc biệt là sự sống trên Trái Đất.
Trạng thái tự nhiên của Oxi
Oxi là nguyên tố phổ biến nhất theo khối lượng trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 49% tổng khối lượng. Khí oxi (O₂) là thành phần khí quyển quan trọng, chiếm gần 21% thể tích không khí, chỉ sau nitơ (N₂). Oxi tồn tại ở nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên:
- Oxi phân tử (O₂): Dạng phổ biến nhất, tồn tại tự do trong không khí và hòa tan trong nước.
- Oxit: Liên kết với các nguyên tố khác tạo thành oxit kim loại (ví dụ: Fe₂O₃ – oxit sắt) và oxit phi kim (ví dụ: CO₂ – cacbon đioxit).
- Hợp chất chứa oxi: Nước (H₂O), các hợp chất hữu cơ, khoáng chất và nhiều loại vật chất khác.
- Ozon (O₃): Một dạng thù hình của oxi, tồn tại trong tầng bình lưu, có vai trò hấp thụ tia cực tím từ mặt trời, bảo vệ sinh vật trên Trái Đất.
Phân tử Oxi (O2) với cấu trúc hai nguyên tử liên kết với nhau
Tính chất vật lí của Oxi
Oxi (O₂) có những tính chất vật lí đặc trưng sau:
- Trạng thái: Chất khí ở điều kiện thường.
- Màu sắc và mùi: Không màu, không mùi.
- Độ tan: Ít tan trong nước.
- Tỷ trọng: Nặng hơn không khí (d = 32/29).
- Hóa lỏng: Hóa lỏng ở nhiệt độ -183°C.
Tính chất hóa học của Oxi
Oxi là một nguyên tố hoạt động hóa học mạnh, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Nó dễ dàng tham gia phản ứng với nhiều nguyên tố và hợp chất, thể hiện tính oxi hóa mạnh mẽ.
Tác dụng với kim loại
Oxi phản ứng với hầu hết các kim loại (trừ vàng, platin và một số kim loại quý hiếm khác) tạo thành oxit kim loại. Phản ứng thường xảy ra ở nhiệt độ cao.
Ví dụ:
- 4Na + O₂ → 2Na₂O (natri oxit)
- 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (oxit sắt từ)
- 2Cu + O₂ → 2CuO (đồng(II) oxit)
Sắt cháy trong môi trường Oxi tạo ra oxit sắt từ
Tác dụng với phi kim
Oxi phản ứng với nhiều phi kim tạo thành oxit phi kim. Các oxit này thường là oxit axit.
Ví dụ:
- S + O₂ → SO₂ (lưu huỳnh đioxit)
- C + O₂ → CO₂ (cacbon đioxit)
- 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (điphotpho pentaoxit)
Tác dụng với các hợp chất khác
Oxi có khả năng oxi hóa nhiều hợp chất, tạo thành các hợp chất mới.
Ví dụ:
- 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ (lưu huỳnh trioxit) (phản ứng cần xúc tác V₂O₅ và nhiệt độ)
- CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (đốt cháy metan)
- 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O (đốt cháy hydro sunfua)
Ngoài ra, oxi còn tham gia vào các phản ứng phức tạp khác như:
- 2Fe + O₂ + 2H₂O → 2Fe(OH)₂ (sắt bị oxi hóa trong môi trường ẩm)
- C₅H₁₂O₂ + 7O₂ → 5CO₂ + 6H₂O (đốt cháy hợp chất hữu cơ)
- 3O₂ + CS₂ → CO₂ + 2SO₂ (đốt cháy cacbon đisunfua)
- 2N₂ + 5O₂ + 2H₂O → 4HNO₃ (tạo thành axit nitric trong điều kiện đặc biệt)
- 4FeCl₂ + O₂ + 4HCl → 4FeCl₃ + 2H₂O (oxi hóa sắt(II) clorua thành sắt(III) clorua)
- 2Na₂O₂ + 2H₂O + 4CO₂ → 4NaHCO₃ + O₂ (phản ứng của natri peoxit với nước và cacbon đioxit)
- BaO₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ + H₂O₂ (điều chế hidro peoxit từ bari peoxit)
Điều chế Oxi
Có nhiều phương pháp điều chế oxi trong phòng thí nghiệm và công nghiệp.
Trong phòng thí nghiệm
Oxi thường được điều chế bằng cách nhiệt phân các hợp chất giàu oxi như kali pemanganat (KMnO₄), kali clorat (KClO₃) hoặc hidro peoxit (H₂O₂).
- 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ (nhiệt phân kali pemanganat)
- 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ (nhiệt phân kali clorat, cần xúc tác MnO₂)
- 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (phân hủy hidro peoxit, cần xúc tác MnO₂)
Trong công nghiệp
Trong công nghiệp, oxi được sản xuất chủ yếu bằng hai phương pháp:
-
Chưng cất phân đoạn không khí lỏng: Không khí được hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, sau đó nâng nhiệt độ từ từ để tách các thành phần dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau. Oxi có nhiệt độ sôi cao hơn nitơ nên sẽ hóa lỏng trước và được tách ra.
-
Điện phân nước: Nước được điện phân để tạo ra khí hidro và khí oxi.
2H₂O → 2H₂ + O₂
Hệ thống điều chế Oxi bằng phương pháp điện phân nước
Vai trò và ứng dụng của Oxi trong cuộc sống
Oxi đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự sống và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau:
- Hô hấp: Oxi là yếu tố thiết yếu cho quá trình hô hấp của con người, động vật và nhiều vi sinh vật. Nó tham gia vào quá trình oxi hóa các chất dinh dưỡng để tạo ra năng lượng cho hoạt động sống.
- Y tế: Oxi được sử dụng trong y tế để hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân mắc các bệnh về đường hô hấp, tim mạch, hoặc trong các trường hợp cấp cứu. Nó cũng được sử dụng trong các bình dưỡng khí cho thợ lặn và phi công.
- Công nghiệp: Oxi được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp luyện kim (luyện thép), hóa chất (sản xuất axit nitric, axit sulfuric), và trong các quá trình đốt cháy nhiên liệu.
- Tên lửa: Oxi lỏng được sử dụng làm chất oxi hóa trong nhiên liệu tên lửa.
- Xử lý nước thải: Oxi được sử dụng để tăng cường quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm trong nước thải.
Bài tập về tính chất hóa học của oxi
Bài 1:
Nung kali clorat (KClO₃) thu được 6,72 lít khí oxi (đktc).
a) Viết phương trình phản ứng.
b) Tính khối lượng KClO₃ cần dùng cho phản ứng.
Hướng dẫn giải:
a) Phương trình phản ứng: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂
b) Số mol O₂ thu được: n(O₂) = V/22,4 = 6,72/22,4 = 0,3 mol
Theo phương trình phản ứng, số mol KClO₃ cần dùng: n(KClO₃) = (2/3) n(O₂) = (2/3) 0,3 = 0,2 mol
Khối lượng KClO₃ cần dùng: m(KClO₃) = n M = 0,2 122,5 = 24,5 gam
Bài 2:
Đốt cháy hoàn toàn 24 gam bột than (C) trong bình khí oxi.
a) Viết phương trình hóa học xảy ra.
b) Tính thể tích khí oxi (đktc) cần dùng để đốt cháy hết lượng cacbon trên.
Hướng dẫn giải:
a) Phương trình phản ứng: C + O₂ → CO₂
b) Số mol C tham gia phản ứng: n(C) = m/M = 24/12 = 2 mol
Theo phương trình phản ứng, số mol O₂ cần dùng bằng số mol C: n(O₂) = n(C) = 2 mol
Thể tích khí Oxi cần dùng: V(O₂) = n 22,4 = 2 22,4 = 44,8 lít
Bài 3:
Một oxit axit có chứa 60% khối lượng là Oxi. Tìm nguyên tố đó, biết khối lượng mol của oxit là 80 g/mol.
Hướng dẫn giải:
Gọi công thức của oxit là XₘOₙ.
Khối lượng của oxi trong 1 mol oxit là: 80 * 60% = 48 gam
Số mol nguyên tử oxi trong 1 mol oxit là: n(O) = 48/16 = 3 mol
Vậy có 3 nguyên tử oxi trong 1 phân tử oxit: XₘO₃
Khối lượng của nguyên tố X trong 1 mol oxit là: 80 – 48 = 32 gam
Giả sử có 1 nguyên tử X trong oxit (m=1), thì khối lượng mol của X là 32 g/mol. Vậy X là lưu huỳnh (S).
Công thức của oxit là SO₃ (lưu huỳnh trioxit).
Hy vọng qua bài viết này, bạn đã hiểu rõ hơn về nguyên tố oxi, các tính chất, ứng dụng và bài tập liên quan. Oxi là một nguyên tố vô cùng quan trọng và có vai trò không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta.