الخواص الكيميائية للأكسجين

الأكسجين نشيط كيميائياً وله تفاعليّة مرتفعة، بحيث أنّه لا يوجد في الشروط العادية على شكل عنصر حر، إنّما على شكل جزيئي، تتّسم تفاعلات الأكسجين أنّها تفاعلات أكسدة-اختزال، يقوم فيها الأكسجين باستقبال إلكترونين اثنين لتشكيل الأكسيد الموافق، بالتالي يصنّف العنصر ضمن المؤكسدات، يكون للشكل السائل من الأكسجين قوّة أكسدة أكبر من غاز الأكسجين، وهو الحال مع الشكل الذرّي O، والذي يعدّ من المواد الأكالة، بحيث أنّه على سبيل المثال، يسبّب تآكلاً للمركبات الفضائية عند المدار الأرضي المنخفض،

يتفاعل الأكسجين الذرّي بشكل مباشر مع أغلب العناصر الكيميائيّة الأخرى، مع وجود استثناءات من اللافلزّات والفلزّات النبيلة، يمكن أن يتفاعل الأكسجين مع النتروجين تحت شروط خاصة مثل البرق في طبقات الجو أو داخل محرك الاحتراق الداخلي،

أمّا الفلور فيتفاعل مع الأكسجين فقط عند درجات حرارة منخفضة وتحت تفريغ كهربائي، بالمقابل فإنّ غاز الأكسجين يتفاعل ببطء شديد عند الشروط العاديّة من الضغط ودرجة الحرارة؛ يعود السبب في ذلك إلى أنّ التفاعل يحتاج إلى طاقة تنشيط مرتفعة والتي يمكن تجاوزها برفع درجة الحرارة أو باستخدام الأشعّة فوق البنفسجيّة أو باستخدام حفّاز ملائم، يلزم لبعض التفاعلات وجود آثار من جذر كيميائي حرّ، كما هو الحال في مخلوط هيدروجين وأكسجين الانفجاري، حيث تسهم في دور تحفيز التفاعل التسلسلي، من جهة أخرى، تشكّل الكثير من الفلزّات، مثل الألومنيوم والتيتانيوم، أثناء تفاعلها مع الأكسجين طبقة من الأكسيد على سطحها تقوم بدور مخمّل يمنع استمرار التفاعل، ممّا يحميها من التآكل،

يمكن للأكسجين أن يتصرّف كيميائيّاً على هيئة ربيطة مع الفلزّات الانتقاليّة مشكّلاً معقّدات تناسقيّة ثنائيّة الأكسجين، يتضمّن هذا الصنف من المركّبات كلّ من بروتينات الهيم مثل الهيموغلوبين والميوغلوبين،

التحليل الكيميائي

التقليدي

يؤكسد الأكسجين المنحل أيونات المنغنيز الثنائي في المحاليل إلى المنغنيز بحالات أكسدة أعلى، يعدّ هذا التفاعل الكيميائي أساس اختبار فينكلر لتحديد كمّيّة الأكسجين المنحلّ، والذي يعتمد على إضافة فائض من اليود، والذي يقوم عند تحميض الوسط باختزال المنغنيز مرّة أخرى إلى المنغنيز الثنائي، ويتحرّر بذلك اليود الثنائي، والذي تحدّد كمّيّته باستخدام المعايرة اليوديّة باستخدام أيون ثيوكبريتات (ثيوسلفات)، ممّا يعطي بالتالي مؤشّراً على كمّيّة الأكسجين المنحلّة،

الآلي

تستخدم حسّاسات الأكسجين (حسّاس لامدا) من أجل تحديد كمّيّة غاز الأكسجين في الوسط المحيط داخل محرّكّات البنزين مثلاً وذلك لأعراض بيئيّة، لتحقيق ذلك يمرّر المزيج الغازي الصادر عن عادم السيارات عبر الحسّاس، والذي يكون على شكل أنبوب يحوي الإتريوم المطعّم بالزركونيا والمغلّف بالبلاتين على هيئة قطب إلكتروني، تؤدّي الضغوط الجزئيّة المختلفة للأكسجين إلى حدوث فرق كمون مختلف على الأقطاب الكهربائيّة، ممّا يمكّن من قياس نسبة الأكسجين بنسب تصل إلى بضعة أجزاء في المليون وذلك في مجالات مختلفة من درجات الحرارة تتراوح بين 300 °س إلى 1500 °س،

يعتمد قطب كلارك على استخدام طرق أمبيريّة لتحديد تركيز الأكسجين المنحلّ، يتكون القطب (المسرى) من مجموعة من أقطاب من البلاتين ومن الفضّة/كلوريد الفضّة Ag/AgCl الموجودة في وسط من كهرل مفصول بغشاء من التفلون عن العيّنة، يستطيع الأكسجين المنحل الانتشار والنفوذ عبر الغشاء إلى المحلول الكهرلي، وعند ذلك يمكن اختزاله في مجال جهد يتراوح بين −600 إلى -800 ميلي فولت في المهبط، بحيث تتناسب كمّيّة الأكسجين المنحلّ مع شدّة التيّار،

يمكن تحديد كمّيّة الأكسجين بطرق بصريّة عن طريق الاعتماد على حقيقة أنّ الأكسجين يستطيع إخماد فلوريّة الجزيئات المثارة، بالتالي أصبح من الممكن تطوير حسّاسات بصريّة تعتمد على مبدأ تخامد فلوريّة جزيئات خاصّة تصطنع كيميائيّاً من معقّدات تناسقيّة مصمّمة على ذرّة مركزيّة من فلزّات انتقاليّة مثل الروثينيوم (Ru(II والإريديوم (Ir(II والبلاتين (Pt(II والبالاديوم (Pd(II، أما الربيطات فتكون من مشتقّات البيبيريدين والفينانثرولين والبورفيرين، تغلّف تلك الحسّاسات ضمن شبكة بوليمرية، ويكفي لإثارة الحسّاس وجود مصدر ضوئي من ليزر أشباه الموصلات، تصل الدرجة الحدّيّة لقياس تركيز الأكسجين إلى 5 جزء في البليون حجماً،

المركّبات الكيميائيّة

يشكّل الأكسجين مركّبات كيميائيّة مع كافّة العناصر الكيميائيّة تقريباً ما عدا الغازات النبيلة التالية: الهيليوم والنيون والآرغون، للأكسجين كهرسلبيّة مرتفعة، لذلك فإنّ حالة الأكسدة -2 هي السائدة في أغلب مركّباته على شكل أكاسيد، لا يكون للأكسجين حالة أكسدة موجبة إلّا في المركّبات التي يرتبط فيها الأكسجين مع عنصر أكثر كهرسلبيّة منه، مثل الفلور،

والذي يشكّل معه مركّب ثنائي فلوريد ثنائي الأكسجين O₂F₂ (حالة الأكسدة +1)، ومركّب ثنائي فلوريد الأكسجين OF₂ (حالة الأكسدة +2)، بما أنّ استقطاب الشحنة السالبة في المركّبات المذكورة يكون عند ذرّة الفلور، بالتالي فإنّ تلك المركّبات تصنّف ضمن الفلوريدات وليس ضمن الأكاسيد،

بالإضافة إلى مركّبات الأكاسيد، يوجد الأكسجين في مركّبات أيونيّة على شكل فوق أكسيد ²⁻O₂ (حالة أكسدة −1) و أكسيد فائق ⁻O₂ (حالة أكسدة −1/2) وأوزونيد ⁻O₃ (حالة أكسدة −1/3)، بالإضافة إلى كاتيون ثنائي أكسجينيل ⁺O₂،

تتعلّق نوعيّة الرابطة الكيميائيّة للأكسجين في مركّباته مع العنصر الشريك فيها، فهي إمّا أن تكون رابطة تساهميّة أو رابطة أيونيّة،

الأكاسيد

يشكّل الأكسجين مركّبات الأكاسيد مع معظم العناصر الكيميائيّة تقريباً، وذلك بسبب الكهرسلبيّة المرتفعة للعنصر، يعدّ الماء H₂O أشهر مركّبات الأكسجين الكيميائيّة، وهو من الناحية الكيميائيّة أكسيد للهيدروجين، يرتبط الهيدروجين مع الأكسجين برابطة تساهميّة في جزيء الماء، ولكنّ الشحنة الكهربائيّة السالبة الموجودة على ذرّة الأكسجين من الزوج الإلكتروني الحرّ تؤدّي إلى تشكيل روابط هيدروجينيّة مع جزيئات ماء مجاورة، ممّا يؤدّي إلى ترابط الذرّات واقترابها من بعضها البعض بنسبة تصل إلى 15% من أيّ سائل عادي تترابط ذرّاته بمجرد قوى فان دير فالس،

تعدّ أكاسيد اللافلزّات من المركّبات واسعة الانتشار في الطبيعة ذات صفة تساهميّة، مثل أكاسيد الكربون (أحادي وثنائي أكسيد الكربون)، بالإضافة إلى أكاسيد النتروجين وأكسيد الكبريت (توضيح)أكسيد الكبريت،

يكون نوع الرابطة الكيميائيّة بين الأكسجين والفلزّات المختلفة في الأكاسيد ذات صفة أيونيّة على الغالب، يتفاعل الأكسجين مع الفلزّات القلويّة والقلويّة الترابيّة ليعطي أكاسيد ذات صفات قاعديّة، مثل أكسيد الصوديوم Na₂O وأكسيد الكالسيوم CaO،

C a O + H 2 O ⟶ C a ( O H ) 2 

مع ارتفاع رقم الأكسدة يكون لبعض الأكاسيد صفة مذبذبة (أمفوتيريّة، يتفاعل المركّب مع كلّ من الأحماض والقواعد) مثل أكسيد الألومنيوم، في حين أنّ لبعض الأكاسيد صفة حمضيّة واضحة كما هو الحال مع أكسيد الكروم السداسي،

C r O 3 + H 2 O ⟶ H 2 C r O 4 

توجد الكثير من الفلزّات في الطبيعة على هيئة أكاسيد، والتي تمثّل بالتالي المصدر الطبيعي لإنتاج وتعدين تلك الفلزّات، من أمثلة هذه المعادن في القشرة الأرضيّة كلّ من ثنائي أكسيد السيليكون SiO₂ (السيليكا) والموجود في صخور الغرانيت والكوارتز، وأكسيد الألومنيوم الموجود في صخور البوكسيت والكوروند، وأكسيد الحديد الثلاثي الموجود في الهيماتيت والصدأ،

هناك بعض الحالات التي لا يكون فيها الأكسجين في مركّباته حسب قياس اتحاديّة العناصر، حيث تبدي العناصر تكافؤاً مختلفاً عند اتّحادها مع الأكسجين، وتعرف تلك المركّبات باسم دون الأكاسيد، ومن أمثلتها دون أكسيد البورون ودون أكسيد الكربون،

مركّبات الرابطة O-O

يستطيع الأكسجين تشكيل مركّبات عدّة حاوية على الرابطة أكسجين-أكسجين O-O مثل مركّبات فوق الأكاسيد والأكاسيد الفائقة والأوزونيد، لفوق الأكاسيد مثل الماء الأكسجيني (فوق أكسيد الهيدروجين) بنية حاوية على الأيون ²⁻O₂، ويكون الأكسجين برقم أكسدة مقداره -1، نتيجة الانفصام السهل للرابطة O-O تستطيع مركّبات فوق الأكاسيد تشكيل جذور كيميائيّة بشكل سهل، وهي مركّبات مؤكسدة قويّة وتستخدم كمواد قاصرة،

يكون للأكسجين حالة أكسدة مقدارها −½ في الأكاسيد الفائقة، والتي تحوي على أنيون ⁻O₂، وهي تعدّ من أنواع الأكسجين التفاعليّة، من أمثلة تلك المركّبات كلّ من فائق أكسيد الصوديوم وفائق أكسيد البوتاسيوم وفائق أكسيد الليثيوم، أمّا الأوزونيدات فهي مركّبات مشتقّة من الأوزون وتحوي في بنيتها على الأنيون ⁻O₃، يوجد هناك أملاح من مركّبات أوزونيد، بالإضافة إلى مركّبات أوزونيد عضويّة، والتي تتشكّل من تفاعل إضافة الأوزون إلى الألكينات،

الهيدروكسيدات

تمثّل مركّبات الهيدروكسيد مجموعة واسعة من مركّبات الأكسجين، والحاوية على الهيدروجين في تركيبها، للهيدروكسيدات طبيعة أيونيّة في الغالب، وذلك لوجود أيون هيدروكسيد فيها، ومن أشهر أمثلتها هيدروكسيد الصوديوم NaOH وهيدروكسيد البوتاسيوم KOH،

الأحماض الأكسجينيّة

يحصل على الأحماض الأكسجينيّة من أكاسيد اللافلزّات وأكاسيد الفلزّات ذات أرقام الأكسدة العليا مع الماء (الأكاسيد الحمضيّة)، من أمثلة تلك الأحماض كل من حمض الكبريتيك وحمض النتريك،

S O 3 + H 2 O ⟶ H 2 S O 4 

عادة ما تزداد قيمة ثابت تفكّك الحمض بازدياد عدد ذرّات الأكسجين فيه،

مركّبات الأكسجين العضويّة

يمثّل الأكسجين بالإضافة إلى الكربون والهيدروجين والنتروجين والكبريت أحد أهمّ العناصر في الكيمياء العضويّة، حيث يدخل في تركيب العديد من المجموعات الوظيفيّة، والتي تشكّل الوحدات البنائيّة المميّزة للمركّبات العضويّة،

يمكن للأكسجين أن يرتبط مع الكربون إمّا على هيئة رابطة أحاديّة كما هو الحال في مركّبات الإيثر، أو على هيئة رابطة مضاعفة كما هو الحال في مركّبات الكربونيل،

هناك أصناف عدّة من مركّبات الأكسجين العضويّة وهي تشمل:

• الكحولات: وهي مركّبات عضويّة تحوي على مجموعة الهيدروكسيل الوظيفيّة -HO، ويرتبط فيها الكربون مع الأكسجين برابطة أحاديّة، أبسط مركّبات الكحولات وأشهرها هي الميثانول CH₃OH والإيثانول C₂H₅OH،
• الفينولات: وهي مركّبات عضويّة حاوية على مجموعة هيدروكسي على الأقل متّصلة بحلقة عطريّة،
• الإيثرات: وهي مركّبات عضويّة تحوي على رابطة -O- المؤلّفة من ذرّة أكسجين مرتبطة برابطة أحاديّة مع ذرتي كربون على طرفيها، أشهر مركّبات الإيثر هو ثنائي إيثيل الإيثر C₂H₅-O-C₂H₅،
• الألدهيدات: وهي مركّبات عضويّة تحوي على المجموعة الوظيفيّة R–CHO، حيث يمثّل R الباقي العضوي، أمّا CHO فتكون على شكل مجموعة كربونيل طرفيّة، يرتبط فيها الكربون الطرفي مع ذرّة هيدروجين، أشهر مركّبات الألدهيد وأبسطها هو فورمالدهيد HCOH،
• الكيتونات وهي مركّبات عضويّة حاوية على مجموعة كربونيل وظيفيّة غير طرفيّة R–CO–R، تربط بين باقيين عضويّين في المركّب، يعدّ الأسيتون من أمثلة الكيتونات الشهيرة،

• الأحماض الكربوكسيليّة وهي مركّبات عضويّة حاوية على مجموعة الكربوكسيل R–COOH الوظيفيّة، ومن أشهر أمثلة تلك الأحماض كل من حمض الفورميك HCOOH وحمض الخليك CH₃COOH،
• الإسترات: وهي مركّبات عضويّة حاوية على مجموعة الإستر الوظيفيّة R–CO–O–R، وهي ناتجة عن تفاعل حمض كربوكسيلي مع كحول، ومن أمثلتها أسيتات الإيثيل،
• بلاماء الحمض (الأنهيدريدات) وهي مركّبات عضويّة ناتجة عن نزع جزيء ماء من جزيئتي حمض كربوكسيلي، حيث أنّ لها الصيغة العامّة R-CO-O-CO-R، من أمثلة هذه المركّبات بلاماء حمض الخليك،
• الأميدات: وهي مركّبات عضويّة لها الصيغة العامة R-C(O)-NR، ومن أمثلتها مركب ثنائي ميثيل فورماميد CH₃)₂NC(O)H) وأسيتاميد CH₃CONH₂،

توجد مركّبات عضويّة أخرى للأكسجين مثل المركّبات الحلقيّة غير المتجانسة مثل الفوران ورباعي هيدرو الفوران و4،1-ديوكسان،

هناك العديد من المركّبات العضويّة الحاوية على الأكسجين في تركيبها والتي لها دور حيوي كبير مثل السكريّات والدهون والأحماض الدهنيّة والأحماض الأمينيّة والبروتينات، بالإضافة إلى مركّبات الفوسفات العضويّة والتي تدخل في تركيب الجزيئات الحاملة للطاقة مثل ثلاثي فوسفات الأدينوسين ATP وثنائي فوسفات الأدينوسين ADP،

الدور الحيوي

التشكّل في الغلاف الجوّي

لم يكن غاز الأكسجين الحر O₂ موجوداً في الغلاف الجوّي للأرض عند بداية تشكّله، وذلك قبل حوالي 3،5 بليون سنة، أي قبل وجود الحياة البدائية على سطح الأرض مثل البكتيريا القديمة، ظهر الأكسجين الحرّ بكمّيّات جيّدة أثناء حقبة الطلائع القديمة قبل فترة زمنيّة تتراوح بين 2،7 إلى 2،3 بليون سنة مضت،

في البليون سنة الأولى كانت كمّيّات الأكسجين المنتجة من المتعضّيات الحيّة البسيطة تتّحد مع مصهور الحديد في المحيطات من أجل تشكيل حزم من خامات الحديد في طبقات الأرض، بعد انتهاء تلك المرحلة وتشبّع المحيطات، بدأ الأكسجين الحرّ بالانطلاق من تلك الخزّانات لتصل إلى نسبة 10% من القيمة الحاليّة للأكسجين قبل حوالي 1،7 بليون سنة مضت،منذ بداية حقبة العصر الكامبري منذ 540 مليون سنة مضت، ارتفعت مستويات غاز الأكسجين O₂ في الغلاف الجوّي إلى نسب تتراوح بين 15% و 30% حجماً، إلى نهاية العصر الفحمي قبل حوالي 300 مليون سنة وصلت مستويات O₂ في الغلاف الجوّي إلى نسبة أعظميّة تبلغ 35% حجماً،

والتي لربما ساهمت في تكوين الأحجام الكبيرة من الحشرات والبرمائيات في ذلك الوقت،ساهمت التباينات في نسبة الأكسجين في الغلاف الجوّي في تحديد شكل المناخ في الحقبات والعصور الموافقة، عند تناقص نسبة الأكسجين في الجوّ تقلّ كثافة الغلاف الجوّي، ممّا يرفع من تبخّر مياه المسطّحات المائيّة، فتزداد بالتالي نسبة الهطولات، ممّا يؤدّي إلى الوصول إلى درجات حرارة أكثر دفئاً، حسب المعدّل الحالي من التركيب الضوئي، فإنه يلزم حوالي 2000 سنة لإعادة توليد كافّة كمّيّة غاز الأكسجين O₂ في الغلاف الجوّي الحالي،

التركيب الضوئي والتنفّس الخلوي

كان شكل الحياة السائد على الأرض قبل فترة تكون الأكسجين في الغلاف الجوّي هو الكائنات اللاهوائيّة، والتي يمكن أن تكون قد انقرضت كمّيّات كبيرة منها عندما أصبحت نسبة الأكسجين في الغلاف الجوّي مرتفعة، على سبيل المثال، إنّ الأكسجين سامّ بالنسبة للبكتيريا اللاهوائيّة الإجباريّة، والتي كانت هي الشكل السائد على الأرض إلى أن بدأ الأكسجين في التجمّع في الغلاف الجوّي للأرض قبل حوالي 2،5 بليون سنة خلال عمليّة الأكسجة العظيمة، أي بعد حوالي بليون سنة من ظهور تلك المتعضيّات،

يتيح التنفّس الخلوي باستخدام الأكسجين O₂ إنتاج كمّيّات أكبر من الجزيئات الحاملة للطاقة مثل ATP بالمقارنة مع التنفّس اللاهوائي،

يحدث التنفّس الخلوي للأكسجين في جميع حقيقيّات النوى بما فيها المتعضيّات المعقّدة من نباتات وحيوانات وصولاً للإنسان،

ينتج الأكسجين الحر في الطبيعة على شكله الجزيئي O₂ من عمليّة التركيب الضوئي والتي تتضمّن عمليّة تفكّك ضوئي لجزيئات الماء، تشير بعض التقديرات إلى أنّ حوالي 70% من الأكسجين الحرّ الموجود في الأرض ينتج من الأشنيّات الخضراء والزراقم الموجودة في البيئة البحريّة، في حين أنّ الباقي هو من النباتات الموجودة على اليابسة،

في حين أنّ تقديرات أخرى تشير إلى أنّ المحيطات تساهم بحوالي 45% من الأكسجين الجوّي سنويّاً،يمكن تمثيل عمليّة التركيب الضوئي بالصيغة العامّة التاليّة:

C O 2   +   6   H 2 O + h ν   ⟶   C 6 H 12 O 6   +   6   O 2 

تحدث عملية التركيب الضوئي في البلاستيدات الخضراء في النباتات، وتتطلّب لحدوثها طاقة أربع فوتونات، وتتمّ العمليّة في عدّة خطوات، والتي تكون نتيجتها تشكيل بروتون عبر الأغشية الخلويّة لاصطناع ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) عن طريق الفسفرة الضوئيّة،

يتحرر جزيء O₂ المتبقي بعد أكسدة جزيء الماء وينطلق إلى الهواء المحيط،

إنّ الأكسجين الجزيئي O₂ ضروري من أجل التنفّس الخلوي في كافّة الكائنات الهوائيّة، يستخدم الأكسجين داخل الجسم الحيّ في المتقّدرات الخلويّة لإنتاج جزيئات ATP خلال الفسفرة التأكسديّة بعمليّة معاكسة للتركيب الضوئي، حيث يستخدم الأكسجين في تفاعل حرق السكر لإنتاج الطاقة، إنّ تفاعل إدخال الأكسجين في تركيب منتجات الاستقلاب يتمّ عادّة بوساطة إنزيميّة من إنزيمات أكسجيناز وذلك أثناء تقويض الغذاء داخل جسم الإنسان،

ينتشر الأكسجين في الفقاريّات عبر الأغشية في الرئتين إلى خلايا الدمّ الحمراء، يرتبط الأكسجين مع الهيموغلوبين (خضاب الدم) مغيّراً لونه من الأحمر المزرقّ إلى الأحمر القانئ،

وفي نفس الوقت يتحرّر CO₂ من كريّات الدمّ نتيجة تأثير بور، أمّا اللافقاريّات فمنها من يستخدم الهيموسيانين لعمليّة نقل الأكسجين مثل الرخويّات وبعض مفصليّات الأرجل، والبعض الآخر يستخدم هيميرثرين مثل العناكب، يستطيع ليتر من الدمّ في جسم الإنسان أن يحلّ 200 سم³ من الأكسجين الجزيئي O₂، يتركّز الأكسجين في الجهاز التنفسي، حيث يمكن التعبير عن تركيزه في الدمّ باستخدام الضغط الجزئي،

-134،0-5،3

-10030-40

الحياة المائيّة

ينحلّ الأكسجين الجزيئي O₂ في مياه المحيطات، وتزداد تلك الانحلاليّة بانخفاض درجة الحرارة، ولهذه الخاصيّة أهمّيّة حيويّة على الحياة الحيوانيّة في المحيطات، وخاصّة بالقرب من المناطق القطبيّة، والتي تقدّم دعماً للكثير من الكائنات الحيّة التي يتكاثر نموّها كنتيجة لارتفاع محتوى الأكسجين،

إن الماء الملوّث بالمغذّيات النباتيّة مثل النترات أو الفوسفات يمكن أن يعزّز من نموّ الطحالب في عمليّة تدعى باسم التتريف، والتي تكون نتائجها سلبيّة، إذ أن تحلّل هذه المتعضيّات والمواد الحيويّة الأخرى يمكن أن يخفّض من كمّيّة الأكسجين المنحلّ في الأجسام المائية الحادثة فيها تلك الظاهرة، يمكن التحقّق من جودة المياه وفق هذا المنظور ياستخدام تحليل طلب الأكسجين الكيميائي الحيوي، أو من كمّيّة الأكسجين الجزيئي اللازمة لإعادته إلى التراكيز الطبيعيّة،