الأكسجين خصائص العنصر واستخداماته

يعد الأكسجين عنصرًا حيويًا في الغلاف الجوي للأرض، وهو عنصر حاسم في عمليات الحياة والتطبيقات الصناعية المختلفة. ويُستخدم على نطاق واسع في الطب والتصنيع والعمليات الكيميائية.

مقدمة عن العنصر

الأكسجين عنصر كيميائي يرمز له بالرمز O وال رقم الذري 8 . وهو ينتمي إلى مجموعة الكالكوجين في الجدول الدوري ويُصنَّف على أنه لا فلز. يوجد الأكسجين في شكله الأكثر شيوعًا كغاز ثنائي الذرة (O₂) الذي يشكل حوالي 21% من الغلاف الجوي للأرض ، مما يجعله ثاني أكثر المكونات وفرة بعد النيتروجين. الأكسجين ضروري للتنفس الهوائي في معظم الكائنات الحية ويشارك بعمق في تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تطلق الطاقة في الأنظمة البيولوجية.

التاريخ والتسمية

على الرغم من وجود الأكسجين على الأرض منذ مليارات السنين، إلا أنه لم يُعترف به كعنصر مميز حتى أواخر القرن الثامن عشر. في عام 1772، أنتج الكيميائي السويدي كارل فيلهلم شيل الأكسجين عن طريق تسخين أكسيد الزئبق ومركبات أخرى، على الرغم من أن النتائج التي توصل إليها نُشرت في وقت لاحق. وبشكل مستقل، في عام 1774، أنتج العالم الإنجليزي جوزيف بريستلي نفس الغاز ووصفه بأنه "هواء غير متجانس"، مما يعكس نظرية الفلوجستون السائدة في الاحتراق.

تم توضيح الطبيعة الحقيقية للأكسجين على يد أنطوان لوران لافوازييه، الذي اعترف به كعنصر وأثبت دوره المركزي في الاحتراق والتنفس. أطلق لافوازييه على العنصر اسم "الأكسجين"، المشتق من الكلمتين اليونانية أوكسيس (حمض) وجينس (تشكيل)، لأنه كان يعتقد أن الأكسجين مكون عام للأحماض. على الرغم من أن هذا الافتراض ثبت فيما بعد أنه غير صحيح، إلا أن الاسم استمر ولا يزال أحد أكثر الأسماء شهرة في الكيمياء.

الحدوث والخصائص العامة

الأكسجين وفير للغاية في الطبيعة. وهو العنصر الأكثر وفرة في القشرة الأرضية من حيث الكتلة، ويوجد إلى حد كبير في شكل أكاسيد وسيليكات، وهو العنصر المهيمن في مياه البحر عند استبعاد الهيدروجين. وفي الغلاف الجوي، يوجد الأكسجين بشكل رئيسي على شكل O₂، مع وجود جزء صغير منه على شكل أوزون (O₃) في الستراتوسفير، حيث يمتص الأشعة فوق البنفسجية الضارة.

ومن الناحية الكيميائية، الأكسجين عامل مؤكسد شديد التفاعل. فهو يقبل الإلكترونات من العناصر الأخرى بسهولة، ويشكل أكاسيد مستقرة ويطلق كميات كبيرة من الطاقة. وترتكز هذه الخاصية على كل من العمليات الخاضعة للرقابة، مثل التنفس والاحتراق الصناعي، والعمليات غير الخاضعة للرقابة، مثل التآكل والحرائق.

من الناحية الفيزيائية، الأكسجين غاز عديم اللون والرائحة والطعم في درجة حرارة الغرفة. وعند تبريده إلى أقل من -183 درجة مئوية، يتكثف إلى سائل أزرق شاحب، وعند -218.8 درجة مئوية يتصلب. ويتميز الأكسجين السائل بخاصية بارامغناطيسية قوية، وهي خاصية تسمح له بالانجذاب بواسطة مجال مغناطيسي.

الإنتاج التجاري والاستخدام الصناعي

عند الحاجة إلى كميات كبيرة من الأكسجين، فإن طريقة الإنتاج الأكثر شيوعاً هي التقطير التجزيئي للهواء السائل. وتستفيد هذه العملية من نقاط الغليان المختلفة للمكونات الرئيسية للهواء. ونظرًا لأن درجة غليان الأكسجين أعلى من النيتروجين والأرجون، فهو أقل تطايرًا ويمكن فصله بكفاءة.

وتتضمن العملية الصناعية عادةً عدة خطوات: يتم ترشيح الهواء أولاً لإزالة الغبار والجسيمات؛ ويتم امتصاص الرطوبة وثاني أكسيد الكربون باستخدام المحاليل القلوية؛ ثم يتم ضغط الهواء المنقى وتبريده لإزالة حرارة الضغط. ويسمح لجزء من الهواء المضغوط بالتمدد، مما يخفض درجة الحرارة أكثر حتى يسيل الخليط عند درجة حرارة -196 درجة مئوية تقريباً. يتم تدفئة الهواء السائل وتقطيره تدريجياً: تتم إزالة الغازات الخاملة الأخف وزناً أولاً، ثم يتم فصل النيتروجين بعد ذلك، وأخيراً يتم الحصول على أكسجين سائل عالي النقاء. ويمكن أن ينتج عن التجزئة المتكررة أكسجين بدرجة نقاء تصل إلى 99.5%، وهو مناسب لمعظم التطبيقات الصناعية.

صناعة الصلب هي أكبر مستهلك للأكسجين النقي. في أفران الأكسجين الأساسية، يتم نفخ الأكسجين من خلال الحديد المصهور عالي الكربون لإزالة الكربون والشوائب الأخرى بسرعة أكبر وبصورة يمكن التحكم فيها أكثر من الهواء العادي. ويستخدم الأكسجين أيضاً على نطاق واسع في معالجة مياه الصرف الصحي، حيث يعزز التحلل البيولوجي، وفي الأنظمة المغلقة لحرق النفايات.

وفي هندسة الطيران، يعمل الأكسجين السائل (LOX) كمؤكسد قوي في أنظمة دفع الصواريخ. ويعتمد استهلاكه على حجم وتواتر البعثات الفضائية. الأكسجين النقي حيوي أيضاً في الغواصات وأجراس الغوص، حيث يدعم الحياة في البيئات المغلقة.

في الصناعة الكيميائية، حل الهواء المخصب بالأكسجين أو الأكسجين التجاري محل الهواء العادي في تصنيع الأسيتيلين وأكسيد الإيثيلين والميثانول وغيرها من المواد الكيميائية التي تتحكم فيها الأكسدة. وفي مجال الطب، لا غنى عن الأكسجين في خيام الأكسجين وأجهزة الاستنشاق وحاضنات الأطفال حديثي الولادة وأنظمة التخدير، مما يحافظ على حياة المرضى أثناء الجراحة والعلاج التنفسي. كما يؤدي الأكسجين دورًا حاسمًا في الصناعات القائمة على الأفران مثل صناعة الزجاج وإنتاج الأسمنت والسيراميك، حيث يحسن كفاءة الاحتراق والتحكم في درجة الحرارة.

الأسئلة المتداولة

كيف يبدو الأكسجين وأين يوجد الأكسجين؟
الأكسجين هو غاز عديم اللون والرائحة في درجة حرارة الغرفة. ويوجد في الغلاف الجوي، ويذوب في الماء، ويرتبط بالمعادن، ويدخل في جميع الكائنات الحية تقريباً.

ما أهمية الأكسجين للكائنات الحية؟
يتيح الأكسجين عملية التنفس الهوائي، مما يسمح للخلايا بتحويل العناصر الغذائية إلى طاقة قابلة للاستخدام في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات. وبدون الأكسجين، لا يمكن لمعظم أشكال الحياة المعقدة البقاء على قيد الحياة.

كيف تستخدم النباتات والحيوانات الأكسجين؟
تستنشق الحيوانات الأكسجين لتغذية عملية التنفس، بينما تطلق النباتات الأكسجين كمنتج ثانوي لعملية البناء الضوئي وتستهلك الأكسجين أيضاً أثناء عملية التنفس الخلوي الخاصة بها.

كيف يتم إنتاج الأكسجين واستخدامه في الصناعة والطب؟
صناعيًا، يتم إنتاج الأكسجين بشكل أساسي عن طريق التقطير التجزيئي للهواء السائل ويستخدم في صناعة الصلب والتركيب الكيميائي ومعالجة المياه ودفع الصواريخ. ومن الناحية الطبية، يدعم الأكسجين المرضى الذين يعانون من صعوبات في التنفس، ويدعم التخدير، ويحافظ على الحياة في بيئات الرعاية الحرجة.