Cấu trúc

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, ôxy là chất khí không màu, không mùi và không vị có công thức phân tử là O2, trong đó hai nguyên tử ôxy liên kết với nhau với cấu hình electron có spin mức 3. Liên kết này có bậc liên kết là 2 và thường được đơn giản hóa trong miêu tả như là liên kết đôi,[18] hoặc như là tổ hợp của một liên kết có 2 electron và 2 liên kết có 3 electron.[19]

Ôxy mức 3 (không phải ôzôn, O3) mà là trạng thái năng lượng cơ bản của phân tử O2.[20] Cấu hình electron của phân tử này có 2 electron không tạo cặp mà tách ra riêng lẻ chiếm 2 orbital phân tử suy biến.[21] Các orbital này được xếp vào nhóm phản liên kết (làm suy giảm bậc liên kết từ 3 xuống còn 2), vì vậy liên kết ôxy 2 nguyên tử yếu hơn liên kết 3 của 2 nguyên tử nitơ, theo đó tất cả các orbital nguyên tử liên kết đều được lấp đầy còn các orbital phản liên kết thì không đầy.[20]

Ở dạng ôxy mức 3, phân tử O2 là thuận từ— Chúng tạo thành nam châm trong trường từ — do mô men từ Spin của cặp đôi electron không liên kết trong phân tử, và năng lượng trao đổi âm giữa các phân tử O2 lân cận.[22]

Ôxy mức đơn (singlet oxygen) là tên gọi cho các phân tử O2 ở mức năng lượng cao, ở mức đó các tất cả electron spin đều có cặp, có khuynh hướng linh động hơn đối với phân tử hữu cơ thông thường. Trong tự nhiên, singlet ôxy thường được tạo thành từ nước qua quá trình quang hợp sử dụng năng lượng mặt trời.[23] Nó cũng được tạo ra trong tầng đối lưu bằng phản ứng quang phân ôzôn dưới ánh sáng bước sóng ngắn,[24] và từ hệ thống miễn dịch với vai trò là nguồn ôxy chủ động.[25] Các carotinoit trong các sinh vật quang hợp (và cũng có thể trong các động vật) đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thu năng lượng từ singlet ôxy và chuyển hóa nó thành trạng thái ổn định không bị kích thích trước khi nó có thể gây hại cho các tế bào.[26]

Ôxy là một thành phần quan trọng của không khí, được sản xuất bởi cây cối trong quá trình quang hợp và là cần thiết để duy trì sự hô hấp của người và động vật.

Ôxy lỏng và ôxy rắn có màu xanh nhạt và cả hai đều là chất thuận từ. Ôxy lỏng thông thường được chưng cất từng phần từ không khí hóa lỏng. Cả ôzôn lỏng và ôzôn rắn (O3) có màu xanh thẫm.

Một thù hình khác của ôxy, oxozon, O4, mới được phát hiện gần đây là chất rắn có màu đỏ thẫm được tạo thành bằng cách ép O2 dưới áp lực 20 GPa. Các thuộc tính của nó đang được nghiên cứu để sử dụng làm nguyên liệu cho tên lửa và các ứng dụng tương tự khác, vì nó là một chất ôxi hóa mạnh hơn nhiều so với O2 hay O3.

Thù hình

Dạng thù hình phổ biến của nguyên tố ôxy trên Trái Đất được gọi là dioxygen, O2. Nó có chiều dài liên kết 121 pm và năng lượng liên kết 498 kJ·mol−1.[27] Đây là dạng được sử dụng bởi các dạng sống phức tạp như ở động vật, trong việc hô hấp của tế bào và là dạng tồn tại chính trong khí quyển của Trái Đất.Các ứng dụng khác của dạng O2 được đề cập trong các phần còn lại của bài viết này.

Trioxygen (O3) thường được gọi là ôzôn và là dạng thù hình rất hoạt động của ôxy chúng có thể làm phá hoại mô của phổi.[28] Ôzôn được sinh ra từ phần trên của khí quyển khi O2 kết hợp với ôxy nguyên tử được sinh ra từ việc phân chia phân tử ôxy bởi các tia cực tím (tử ngoại).[9] Vì ôzon hấp thụ rất mạnh trong vùng phổ tử ngoại nên tầng ôzôn của phần trên cùng tầng khí quyển có chức năng là tấm chắn bức xạ cho trái đất.[9] Tuy nhiên, ở phần gần bề mặt Trái Đất, nó là các chất ô nhiễm được sinh ra là một sản phẩm phụ của quá trình đốt nhiên liệu động cơ.[28] Phân tử ở trạng thái kích thích tetraoxygen (O4) được phát hiện năm 2001,[29][30] và được giả thiết về sự tồn tại của nó là một trong sáu giai đoạn của ôxy rắn. Điều này được chứng minh năm 2006, nó được tạo ra bằng cách nén O2 lên 20 GPa, trong thực tế là một ô mạng thoi O8.[31] Cấu trúc ô mạng này có khả năng có tính ôxy hóa rất mạnh hơn cả O2 hoặc O3 và có thể được sử dụng trong nhiên liệu tên lửa.[29][30] Trạng thái kim loại được phát hiện năm 1990 khi ôxy rắn được nén trên 96 GPa[32] và nó được thể hiện năm 1998 ở nhiệt độ rất thấp, pha này trở thành chất siêu dẫn.[33]

Tính chất vật lý

Oxy hòa tan trong nước nhiều hơn so với nitơ; nước chứa khoảng một phân tử O2 cho mỗi 2 phân tử N2, so với tỉ số trong không khí là 1:4. Độ hòa tan của ôxy trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, và ở 0 °C thì lượng hòa tan tăng gấp đôi (14,6 mg·L−1) so với ở 20 °C (7,6 mg·L−1).[13][34] Ở nhiệt động không khí 25 °C và 1 atm, nước ngọt chứa khoảng 6,04 mililit (mL) ôxy trong một lít, trong khi đó, nước biển chứa khoảng 4,95 mL/L.[35] Ở 5 °C, độ hòa tan tăng đến 9,0 mL/L (tăng 50% so với ở 25 °C) trong nước ngọt và 7,2 mL/L (tăng hơn 45%) đối với nước biển.

Oxy ngưng tụ ở 90,20 K (−182.95 °C, −297.31 °F), và đóng băng ở 54,36 K (−218.79 °C, −361.82 °F).[36] Cả hai dạng lỏng và rắn O2 là những chất trong suốt với màu xanh da trời nhạt do gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng đỏ (ngược lại với màu xanh da trời là do sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng xanh). O2 tinh khiết cao thường được chưng cất phân đoạn từ không khí lỏng;[37] Ôxy lỏng cũng có thể được sản xuất từ sự ngưng tụ không khí bằng cách sử dụng chất làm lạnh là nitơ lỏng. Nó là một chất dễ phản ứng và phải được cất giữ cách xa các vật liệu dễ cháy.[38]

Đồng vị và nguồn gốc sao

Ôxy có mặt trong tự nhiên là hỗn hợp của 3 đồng vị bền gồm, 16O, 17O, và 18O, với 16O chiếm nhiều nhất (99,762%).[39]

Hầu hết 16O được tổng hợp ở giai đoạn cuối của quá trình phản ứng tổng hợp heli trong các sao lớn nhưng một số hình thành trong quá trình đốt cháy neon.[40] 17O chủ yếu được hình thanh trong quá trìn đốt cháy hydro thành heli trong chu trình CNO, do vậy nó là đồng vị phổ biến trong các đới đốt cháy hydro của các sao.[40] Hầu hết 18O được tạo ra khi 14N (hình thành phổ biến trong quá trình đốt cháy CNO) bắt các hạt nhân 4He, nên 18O phổ biến trong các đới giàu heli của quá trình tiến hóa sao lớn.[40]

14 đồng vị phóng xạ của ôxy đã được xác định. Đồng vị bền nhất là 15O với chu kỳ bán rã 122,24 giây và 14O có chu kỳ bán rã 70,606 giây.[39] Tất cả các đồng vị phóng xạ còn là có chu kỳ bán rã dưới 27 s và phổ biến là dưới 83 milli giây.[39] Cơ chế phân rã phổ biến nhất của các đồng vị nhẹ hơn 16O là phân rã β+[41][42][43] để tạo ra nitơ, và cơ chế phân rã phổ biến nhất của các đồng vị nặng hơn 18O là phân rã beta để tạo ra flo.[39]

Sự phổ biến

Ôxy là nguyên tố phổ biến nhất ở vỏ Trái Đất. Ôxy là nguyên tố phổ biến thứ 3 trong vũ trụ sau hydro và heli.[4] Khoảng 0,9% khối lượng của Mặt Trời là ôxy.[6] Người ta ước tính nó chiếm 49,2% khối lượng của vỏ Trái Đất.[5] và chiếm khoảng 88,8% khối lượng các đại dương[6] (là H2O, hay nước) và 20% theo thể tích bầu khí quyển Trái Đất (là O2, ôxy phân tử, hay O3, ôzôn).[6][44][lower-alpha 1]

Các hợp chất của ôxy, chủ yếu là ôxít của các kim loại, silicat (SiO44−) và cacbonat (CO32−), tìm thấy trong đất và đá. Nước đóng băng là chất rắn phổ biến trên các hành tinh khác cũng như sao chổi. Chỏm băng của Sao Hỏa là cacbon điôxít đóng băng. Hợp chất của ôxy tìm thấy trong khắp vũ trụ và quang phổ của ôxy được tìm thấy ở các ngôi sao.