إطلالة على الأكسجين

الأكسجين OXYGEN
الأكسجين ضروري إلى معظم الكائنات الحية وهو أحد العناصر الكيميائية الأكثر انتشاراً على الكرة الأرضية وفي الكون.

ترجمة كلمات الشكل: atomic number= العدد الذرّي , symbol= الرمز ، electron configuration= وضعية الألكترونات ، name= الإسم ، orthorhombic= المعيني المستقيم ، atomic weight = الوزن الذرّي ، crystal structure= البنية البلورية ، physical state at 20 ° = الحالة الفيزيائية عند الدرجة 20° ، gas= غاز ، اللامعادن الأخرى.


مقدمة
يشكّل الأكسجين العنصر الأكثر غزارة على الكرة الأرضية فهو يشكّل من حيث الكتلة 21% من الهواء ونحو 46% من قشرة الكرة الأرضية الصلبة ونحو 89% من الماء. يكون الأكسجين الحر (غير المرتبط مع أي عنصر آخر) في درجات الحرارة والضغط الاعتيادية غازاً لا لون له ولا رائحة ولا طعم وله خواص مغنطيسية. وهو أساسي لوظيفة تنفـّس الإنسان والحيوان والنبات وبعض أنواع الجراثيم، ويشكّل أيضاً عنصراً أساسياً لعمليات أيض (استقلاب) الجسم البشري التي تـُبقي على حياتنا . فالجسم البشري لا يختزن الأكسجين لاستخدامه فيما بعد كما يختزن السكريات والدهون. فإذا حرم هذا الجسم من الأكسجين لأكثر من بضعة دقائق يفضي ذلك إلى فقدان الوعي والموت. إذ تتلف نسج الجسم والأعضاء (وبصورة خاصة نسج القلب والدماغ) إذا حرمت من الأكسجين لأكثر من بضعة دقائق. وبالمقابل إذا تنفـّس الإنسان تراكيز عالية نسبياً من الأكسجين لمدد طويلة فإنّ ذلك يؤدي إلى تأثيرات سمية. يشكّل الأكسجين عند اتحاده مع العناصر الأخرى تشكيلة متنوعة من المركبات ، وأكثر هذه المركبات أهمية الماء ، ولولا الماء لما وجدت الحياة على الكرة الأرضية. يتنقّل الأكسجين عبر الغلاف الجوي والغلاف الأحيائي والغلاف الصخري منجزاً بعض العمليات مثل التركيب الضوئي والتجوية weathering السطحية.
من اكتشفه؟
أول من اكتشف الأكسجين البولوني الكيميائي والفيلسوف >ميشيل سدزيووج Sedziwoj < في أواخر القرن السادس عشر. أدرك > سدزيووج < أنّ الهواء مؤلف من خليط من الغازات؛ أحدها ،الذي دعي فيما بعد الأكسجين، يعطي الحياة وينطلق عند تسخين نترات البوتاسيوم.
أعيد اكتشافه من قبل الصيدلاني السويدي > كارل ويلهلم سكيل Scheele < قبل العام 1773، حيث استحصله أيضاً بتسخين نترات البوتاسيوم أو أكسيد الزئبق أو مواد أخرى كثيرة ولكنه لم ينشر اكتشافه في حينه. وفي شهر آب من العام 1774نشر > جوزيف بريستلي Priestley < اكتشافه للأكسجين بتسخين أكسيد الزئبق قبل > سكيل < ولذلك كان لـ >بريستلي< حق الأولوية في الاكتشاف.
قللـّت نظرية الفلوجيستون "phlogiston theory" التي كانت سائدة في ذلك الحين من تفسير ملاحظات >بريستلي<. وبحسب هذه النظرية فإنّ المواد الوحيدة المجهزة بمائع خاص "الفلوجيستون" هي التي تكون قابلة للاشتعال : وهذا السائل ينطلق من هذه المواد لحظة احتراقها. غير أنّ >بريستلي <وجد أنّ الغاز الذي اكتشفه يقوّي الاحتراق أكثر من الهواء العادي. واستخلص أنّ هذا الغاز لا يحوي فلوجيستون ولذلك دعى هذا الغاز الهواء منزوع الفلوجيستون dephlogisticated air.
أمّا > أنطوان لوران لافوازييه < Lavoisier فكان أول من عرّفه على أنّه عنصر من العناصر وابتكر اسمه "الأكسجين oxygen" من كلمتين يونانيتين – تعني الأولى حمض وتعني الثانية مولّد - أي مولّد الحموضة استناداً إلى الاعتقاد بأنّ كل الحموض تحوي الأكسجين - مثلما ابتكر اسم الهدروجين الذي يعني مولد الماء. وبالإضافة إلى ذلك فقد ساهم في دحض نظرية الفلوجيستون، عندما قام بوزن المعادن قبل وبعد أكسدتها ووجد أنّ وزنها لا ينقص عند أكسدتها نتيجة انطلاق الفلوجيستون المزعوم ، وإنّما يزداد لاتحادها مع الأكسجين.

ما هي أشكال وجوده؟
يشكّل الأكسجين أحد العناصر الكيميائية اللامعدنية الخمسة التي تنتمي إلى مجموعة الكالكوجينات Chalcogens. فهو يقع في قمة المجموعة 16 (التي كانت تدعى سابقاً المجموعة 6A) المؤلفة من الأكسجين والكبريت والسيلينيوم والتلوريوم والبولونيوم. وبالإضافة إلى ذلك فهو يقع بين النتروجين والفليورين. (انظر الجدول الدوري).



نسخة حديثة من الجدول الدوري للعناصر

يوجد الأكسجين بصورة رئيسة على شكل جزيئات أو متحداً مع عناصر أخرى. يتألّف الأكسجين الغازي - ويدعى أيضاً دي أوكسجينdioxygen - في الطبقة السفلى من غلاف الكرة الأرضية الجوي من جزيئات مكونة من ذرتين O2 وهو خليط من ثلاثة نظائر مستقرة: الأكسجين-16 (99.759 %) والأكسجين-17 (0.037%) والأكسجين-18 0.204)%).



يرمز إلى شكل الأكسجين الأكثر شيوعاً في الهواء بالصيغة O2
وهذا ما يشير إلى أنّ كل جزيئة مؤلفة من ذرتين من الأكسجين مرتبطتين مع بعضهما.









تبلغ نسبة حجم الأكسجين في الغلاف الجوي 21 % ونسبة وزنه في الماء نحو 89 % وفي قشرة الكرة الأرضية 46.6 %. يبلغ وزنه الذري 15.9994 وهو أثقل بنحو 1.1 مرة من الهواء.



نقاط غليان غازات الهواء
تستخدم عملية التقطير المجزأ لفصل الأكسجين السائل عن غازات الهواء المسيّل بالاستفادة من نقاط غليانها المختلفة.




يصبح الأكسجين الغازي تحت درجة حرارة - 183 مئوية سائلاً بلون أزرق فاتح ويتصف بكونه مساير المغنطيسية paramagnetic أي ينجذب بشدة بحقل مغنطيسي خارجي حيث تسلك جزيئاته سلوك مغانط صغيرة. وعند ضغط السائل يتجمّد عند الدرجة – 218 درجة مئوية تقريباً.


لون الأكسجين السائل الأزرق


ينحل الأكسجين في الماء ولكن بتراكيز منخفضة وهي كافية لتنفس الأسماك والكائنات المائية الأخرى. ويتحد بسهولة مع العناصر ويشكّل تنوعاً كبيراً من المركبات. ويصنّف على أنّه عنصر كهرسالبي electronegative element – وبتعبير آخر إنّه ينزع إلى جذب أيونات سالبة (إلكترونات) عندما يرتبط برابطة كيميائية مع عنصر آخر. وهو يتمتع بأعلى كهرسالبية electronegativity من أي عنصر آخر في مجموعته : مجموعة الكالكوجينات Chalcogens.


خلال التنفس , تأخذ الحيوانات وبعض الجراثيم الأكسجين من الغلاف الجوي وتعيد إليه ثنائي أكسيد الكربون ، بينما ، بعملية التركيب الضوئي ، تأخذ النباتات الخضر ثنائي أكسيد الكربون بوجود أشعة الشمس وتطلق الأكسجين الحر . وكل الأكسجين الحر في الغلاف الجوي الحالي تقريباً ينتج من عملية التركيب الضوئي.


ما هي أشكال الأكسجين الأخرى Allotropes
الأوزون Ozone (من الكلمة اليونانية ozein “to smell”وتعني: يفوح برائحة كريهة) شكل آخر من أشكال الأكسجين يتألّف من جزيئة مؤلفة من ثلاث ذرات أكسجين " O3" ويعرف أيضاً "بالتري أوكسجين" trioxygen. وهو غاز أزرق فاتح سام جداً له رائحة قوية مميزة تصدر عند تشكّله في المناطق المغلقة التي تحصل فيها شرارات كهربائية مثل أماكن توليد الكهرباء.


الأوزون وصيغته O3 هو شكل آخر للأكسجين
حيث يتألّف كل جزيء من ثلاث ذرات من الأكسجين





يغلي سائله عند الدرجة - 111.9 ° C وينصهر الأوزون الجامد عند الدرجة - 192.5 ° C وتبلغ كثافته النسبية 2.144. يكون في درجات الحرارة والضغط الاعتيادية غازاً بلون أزرق فاتح . أمّا سائله فيكون لونه أزرق قاتم ويتصف بكونه مساير المغنطيسية paramagnetic أي ينجذب بشدة بحقل مغنطيسي خارجي حيث تسلك جزيئاته سلوك مغانط صغيرة.

المغنطيسية المسايرة Paramagnetism
يصبح كل من الأكسجين السائل والأوزون السائل محتبساً في حقل مغنطيسي كهرطيسي بسبب أن كل من الأكسجين O2 والأوزون O 3 هما عنصران مسايران المغنطيسية ، ولذلك تسلك جزيئاتهما السائلة سلوك مغانط صغيرة حيث تحتبسان بين قطبي مغنطيس كهربائي .
ترتكز طريقة استحصاله التجارية على تمرير الأكسجين الجاف والمبرّد على شحنة كهربائية. ولكنه يتشكّل بصورة طبيعية في طبقات الغلاف الجوي العليا (الستراتوسفير) حيث تشكّل جزيئاته طبقة واقية تمتص الأشعة فوق البنفسجية التي تكون مؤذية لحياة الكائنات الحية على سطح الكرة الأرضية.
وهو غاز غير مستقر شديد الفعالية الكيميائية يستخدم ككاشف كيميائي ومطهّر (مبيد للجراثيم) كما يستخدم في معالجة مياه الصرف الصحي وتطهير مياه الشرب من الجراثيم ويستخدم أيضاً في تبييض (تقصير) الأنسجة.
ويعدّ أيضاً عامل أكسدة قوي قادر على تحويل ثنائي أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت والكبريتيت إلى كبريتات والإيوديد إلى إيودينات والكثير من المركبات العضوية إلى مشتقاتها المؤكسجة مثل الألدهيدات والحموض. إذا ازداد تركيز الأوزون بالقرب من سطح الأرض يكون ضاراً للصحة .فهو يهيّج الرئة ويسبب التهاب وأزيز وسعال وصعوبات تنفسية.
هذا وقد اكتشف مؤخّراً شكل آخر لا مغنطيسي يحتوي على أربع ذرات أوكسجين (تترأوكسجين (tetraoxygen (O4) , يتفكّك بسهولة إلى الأكسجين العادي. ، يتشكّل عند رفع ضغط O2 إلى 20 جيغا باسكال وهو عنصر جامد ذو لون أحمر قاتم . يستخدم كوقود للصواريخ ولتطبيقات مشابهة أخرى، وهو مؤكسد شديد فعاليته تفوق O2 و O3.


من أين أتى أكسجين الهواء ؟
إنّ الخليط الغازي للهواء في الوقت الحاضر له تاريخ تطوري طويل الأمد يرجع إلى ما قبل 4.5 بليون سنة من تاريخ الكرة الأرضية. فالغلاف الجوي الأولي كان يتألّف من الغازات المنبعثة من البراكين . والغازات التي تنبعث من البراكين الحالية هي في الأغلب خليط من بخار الماء وثنائي أكسيد الكربون وثنائي أكسيد الكبريت وبدون أكسجين تقريباً. وإذا كان هذا الخليط هو نفسه الذي كان موجوداً في الغلاف الجوي الأولي للكرة الأرضية كان لا بد وأن تكون عمليات متنوعة قد جرت لإنتاج الخليط الغازي الموجود في الوقت الحاضر.
إنّ إحدى هذه العمليات كانت عملية تشكيل الماء نتيجة تكثيف لبخار الماء المنبعث من البراكين عند تبرده، مع احتمال حصول تفاعلات كيميائية أيضاً، أدت إلى ملء المحيطات والبحار الأولية. ويحتمل أنّ بعض ثنائي أكسيد الكربون قد تفاعل مع صخور قشرة الكرة الأرضية وشكـّل فلزات كربوناتية وبعضه الآخر انحل في مياه المحيطات والبحار جديدة التشكّل . وفيما بعد عندما تطورت أشكال من الحياة البدائية في المحيطات القادرة على القيام بعملية التركيب الضوئي ، بدأت هذه الكائنات الحية البحرية الجديدة في إنتاج الأكسجين.
ويعتقد أنّ كل الأكسجين الحر الموجود في الغلاف الجوي الحالي للكرة الأرضية تشكل نتيجة عملية التركيب الضوئي وذلك باتحاد ثنائي أكسيد الكربون مع الماء. فمنذ ما قبل 570 مليون سنة أصبح محتوى الغلاف الجوي والمحيطات من الأكسجين مرتفعاً بصورة كافية ليتيح للحياة البحرية أن تتنفـّس. وفيما بعد ومنذ ما قبل 400 مليون سنة احتوى الغلاف الجوي على كمية كافية من الأكسجين أتاحت للحيوانات الأرضية أن تتنفـّس الهواء الجوي. وهكذا فإنّ غزارة الأكسجين الحر في الغلاف الجوي في الأحقاب الجيولوجية الأحدث ووصولها إلى النسبة الحالية أطلقتها بصورة رئيسة الكائنات الحية التي تقوم بعملية التركيب الضوئي – ثلاثة أرباعها تقريباً أطلقتها العوالق النباتية phytoplanktons والطحالب algae التي تعيش في المحيطات والبحار والربع الأخير أطلقتها النباتات الأرضية اليخضورية (التي تعيش على اليابسة). وهكذا فقد تأسّس توازن بين الأكسجين الذي ينطلق من عملية التركيب الضوئي من جهة وبين الأكسجين الذي يستهلكه تنفـّس الكائنات الحية وتأكسد الصخور وتفسّخ المواد العضوية من جهة أخرى.
كيف يدور الأكسجين في الطبيعة؟

إنّ معظم كمية الأكسجين الجزيئي (99.5%) تكون مختزنة في الغلاف الصخري Lithosphere أي في صخور الكرة الأرضية وفلزاتها. توجد كمية صغيرة منه (0.01%) في الغلاف الأحيائي Biosphere وكمية (0.49%) في الغلاف الجوي Atmosphere.
تمثّل عملية التركيب الضوئي المصدر الرئيس لأكسجين الغلافين الأحيائي والجوي، وهذه العملية هي التي تتحكّم في الغلاف الجوي الحالي على الكرة الأرضية وفي حياة كائناتها الحية . تقوم عملية التركيب الضوئي بتحويل ثنائي أكسيد الكربون والماء بوجود طاقة أشعة الشمس إلى هدرات الكربون (سكريات) وأوكسجين. ويكتب هذا التحويل في أبسط شكل كما يلي:
CO2 + H2O + energy → CH2O + O2



دورة الأوكسجين
يدور أوكسجين الكرة الأرضية عبر ثلاثة خزّانات 1- الغلاف الجوي Atmosphere 2- الغلاف الأحيائي Biosphere (الذي هو جزء من قشرة الكرة الأرضية الذي تعيش فيه الكائنات الحية 3- الغلاف الصخري Lithosphere الذي يمثّل قشرة الكرة الأرضية والطبقة الأعلى من معطف الكرة الأرضية . إن هذه الحركة الدورية التي تدعى دورة الأوكسجين والمعروفة بالدورة الحيوية الجيولوجية الكيميائية – تتضمّن عمليات كيميائية وجيولوجية وحيوية.
ترجمة كلمات الشكل:
oxygen cycle reservoirs & flux = خزانات دورة الأكسجين وتنقله
photolysis= التحليل الضوئي، weathering = التجوية ،
Atmosphere= الغلاف الجوي(0.49%)، photosynthesis = التركيب الضوئي،
respiration & decay = التنفـّس والتفسخ، biosphere = الغلاف الأحيائي(0.01%)،
burial = الدفن ، lithosphere = الغلاف الصخري (99.5%). flux

وثمة مصدر إضافي لأوكسجين الغلاف الجوي ينتج من عملية التحلّل الضوئي photolysis حيث تفكّك الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة بعض الجزيئات في الغلاف الجوي :
2N2O + طاقة 4 N + O2
2H2O + طاقة 4 H + O2
ينتج من هذين التفاعلين ذرات الهدروجين والنتروجين التي تنطلق نحو الفضاء تاركة الأوكسجين في الغلاف الجوي.
يخسر الغلاف الجوي أوكسجينه بطرائق متعدّدة. وأهمها آليات عمليات التنفـّس والتفسّخ التي تستهلك فيها الكائنات الحية الأكسجين وتطرح ثنائي أكسيد الكربون . وبالإضافة إلى ذلك تستهلك التجوية السطحية لصخور الكرة الأرضية الأوكسجين. وكمثال على استهلاك التجوية السطحية تشكّل أكاسيد الحديد (الصدأ) في الصخور السطحية التي تظهر بألوانها الحمراء التي تميزها:
4FeO + O2 → 2Fe2O3 .

وكذلك يدور الأوكسجين بين الغلاف الأحيائي والغلاف الصخري. تفرز الكائنات الحية البحرية في الغلاف الأحيائي هياكلها وقواقعها المؤلفة من كربونات الكلسيوم (CaCO3) وهو مركب غني بذرة الأوكسجين. وعندما تموت هذه الكائنات الحية فإن قواقعها وأصدافها وهياكلها تترسّب على قعور البحار الضحلة حيث تُدفن وتساهم مع الزمن في تشكيل الصخور الكلسية التي تنضم إلى صخور الغلاف الصخري.

كيف يستخلص الأكسجين في المختبر؟

تعتمد طرائق الحصول على الأكسجين على الكمية المراد الحصول عليها:
ففي المختبر يستخلص الأكسجين بالتحليل الحراري لبعض الأملاح مثل كلورات البوتاسيوم أو نترات البوتاسيوم . ويسرّع هذا التحليل إضافة ثنائي أكسيد المنغنيز الذي ينقص حرارة التفاعل من 400 درجة مئوية إلى 250 درجة مئوية. كما يستخلص بتسخين أكاسيد المعادن الثقيلة كتسخين أكسيد الزئبق أو فوق الأكاسيد المعدنية مثل فوق أكسيد الباريوم وفوق أكسيد الصوديوم أو تسخين فوق أكسيد الهدروجين.

هل يمكن استخلاصه من هواء الغلاف الجوي؟

نعم، وذلك بفصله عن مكونات الهواء الجوي الذي يتألّف كما ذكرنا من 21% أكسجين و 79% نتروجين . ويتم ذلك بتجفيف الهواء وتخليصه ممّا يحويه من ثنائي أكسيد الكربون ثم ضغطه وتبريده إلى درجات منخفضة جداً من الحرارة لتحويله إلى سائل . وبعملية التقطير المجزأ يتم فصل النتروجين السائل أولاً عن الأكسجين السائل نظراً لأنّ نقطة غليانه (195.79- درجة مئوية) أخفض من نقطة غليان الأكسجين السائل ( 182.96-درجة مئوية) تاركاً الأكسجين بحالته السائلة . يخزّن الأكسجين ويُنقل إمّا بحالته السائلة أو الغازية. فالأكسجين السائل المبرّد creogenic oxygen إلى درجات حرارة منخفضة جداً يخزّن في أوعية عزل ذات جدارين تشبه أوعية الترموس Thermos، حيث يحتل في هذه الحالة السائلة حجماً صغيراً إذ يعطي الليتر الواحد منه نحو 850 ليتراً من الغاز في الضغط الجوي العادي. أمّا في حالته الغازية فيحفظ الأكسجين تحت ضغط 200 ضغط جوي في أوعية خاصة.
ويعد التحليل الكهربائي للماء المضاف إليه نسبة صغيرة من أملاح أو حموض أيضاً من أهم الطرائق الصناعية للحصول على الأكسجين أي تفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين بتأثير التيار الكهربائي. وتُستخدم هذه الطريقة بصورة خاصة لتزويد الغواصات النووية والمحطات الفضائية بالأكسجين وذلك باستخدام الطاقة الكهربائية التي تولدها مفاعلاتها النووية أو ألواحها الفوتوفولطية الشمسية.

والأكسجين التجاري أو الهواء الغني بالأكسجين حلّ محلّ الهواء العادي في صناعة الفولاذ وفي عمليات التعدين الأخرى وفي الصناعات الكيميائية لتصنيع المركبات الكيميائية مثل الأستيلين وأكسيد الإتيلين والميتانول . أمّا تطبيقاته الطبية فتشمل استخدامه في خيم الأكسجين oxygen tents ومناشق inhalators الأكسجين وحاضنات الأطفال. وتؤمّن المواد المخدرة anesthetics الغازية الغنية بالأكسجين دعم البقاء على الحياة أثناء التخدير العام. ويعدّ الأكسجين مهماً في عدد من الصناعات التي تستخدم الأفران الصناعية . ويستخدم الأكسجين في حالته السائلة أيضاً كوقود لإطلاق الصواريخ.
مركبات الأكسجين
الأكسجين ثنائي التكافؤ ويشكّل عدداً كبيراً من المركبات من بينها الأكاسيد اللامعدنية ، مثل الماء(H2O) وثنائي أكسيد الكبريت (SO2) و وثنائي أكسيد الكربون (CO2)؛ ومركبات عضوية مثل الكحولات والألديهيدات والكتونات والأثيرات والحموض الكربوكسيلية والحموض الأمينية (الكتل البانية للبروتينات) والنكلوتيدات (الكتل البانية للحموض النووية ) والكربوهدرات ....؛ والأحماض المعروفة مثل حمض الكبريت (H2SO4) وحمض الكربونيك (H2CO3) وحمض النتريك (HNO3) ؛ والأملاح مثل كبريتات الصوديوم (Na2SO4) ونترات الصوديوم (NaNO3).

إطلالة على الأكسجين

المراجع:
1- La Recherche Avril 2009 No 429
2-New World Encyclopedia
3- WebElements: the periodic table on the web
4- Encyclopedia Britanica 2007
5- Microsoft Encarta 2007 Reference Library