مركبات الأكسجين

تكون حالة أكسدة الأكسجين -2 في جميع مركبات الأكسجين المعروفة تقريبًا. وتوجد حالة الأكسدة -1 في عدد قليل من المركبات مثل البيروكسيدات . أما المركبات التي تحتوي على الأكسجين في حالات أكسدة أخرى فهي نادرة جدًا: -1/2 ( فوق الأكاسيد )، -1/3 ( الأوزونيدات ) ، 0 (العنصر، حمض الهيبوفلوروس ) ، +1/2 ( ثنائي أوكسيجينيل )، +1 ( ثنائي فلوريد ثنائي الأكسجين )، و+2 ( ثنائي فلوريد الأكسجين ).

الأكسجين عنصر نشط كيميائياً وسيشكل أكاسيد مع جميع العناصر الأخرى باستثناء ^{الغازات} النبيلة : الهيليوم والنيون والأرجون والكريبتون . [ ^{1 ]}

الماء ( H₂O ) هو أكسيد الهيدروجين وأكثر مركبات الأكسجين شيوعًا. وتنتج خصائصه الفيزيائية جزئيًا عن تفاعل ذراته المكونة له، الأكسجين والهيدروجين، مع ذرات جزيئات الماء المجاورة. ترتبط ذرات الهيدروجين بروابط تساهمية مع الأكسجين في جزيء الماء _، كما أن لها قوة جذب إضافية (حوالي 23.3  كيلوجول/مول ^لكل ذرة هيدروجين) مع ذرة أكسجين مجاورة في جزيء منفصل. ^{[ 2 ]} هذه الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء تجعلها أقرب بنسبة 15% تقريبًا مما هو متوقع في سائل بسيط بقوى فان دير فالس فقط . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

بسبب كهرسلبية الأكسجين، فإنه يشكل روابط كيميائية مع جميع العناصر الحرة تقريبًا عند درجات حرارة مرتفعة ، مكونًا أكاسيدها . مع ذلك، تتأكسد بعض العناصر بسهولة في الظروف القياسية للحرارة والضغط ، مثل الحديد الذي يتأكسد إلى أكسيد الحديد ( Fe₂O₃ ) ، أو الصدأ ( _{Fe₂O₃ )} . تتأكسد أسطح المعادن كالألومنيوم والتيتانيوم في وجود الهواء، وتُغطى بطبقة رقيقة من الأكسيد تُخمل المعدن وتُبطئ تآكله . ^{[ 5 ]} أما المعادن النبيلة ، كالذهب والبلاتين ، فتقاوم التفاعل الكيميائي المباشر مع الأكسجين، ولذا يجب أن تتكون مواد مثل أكسيد الذهب الثلاثي ₍ Au₂O₃ ) _بطريقة غير مباشرة .

تتفاعل الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية تلقائيًا مع الأكسجين عند تعرضها للهواء الجاف لتكوين أكاسيد، وتُكوّن هيدروكسيدات في وجود الأكسجين والماء. ونتيجةً لذلك، لا يوجد أي من هذه العناصر في الطبيعة كفلز حر. يُعد السيزيوم شديد التفاعل مع الأكسجين لدرجة أنه يُستخدم كعامل امتصاص في أنابيب التفريغ . على الرغم من أن المغنيسيوم الصلب يتفاعل ببطء مع الأكسجين في الظروف القياسية، إلا أنه قادر على الاحتراق في الهواء، مُولِّدًا درجات حرارة عالية جدًا، وقد يُشكِّل مسحوقه المعدني مخاليط متفجرة مع الهواء.

يوجد الأكسجين في الغلاف الجوي على شكل مركبات بكميات ضئيلة في صورة _ثاني أكسيد الكربون ( CO2 ) وأكاسيد النيتروجين (NOx ₎ . تتكون صخور القشرة الأرضية في جزء كبير منها من أكاسيد السيليكون ( السيليكا SiO2 ، الموجودة في الجرانيت والرمل )، والألومنيوم ( أكسيد الألومنيوم _{Al2O3 ،} الموجود في البوكسيت والكوروندوم ) _، والحديد ( أكسيد الحديد الثلاثي _{Fe2O3 ،} الموجود في الهيماتيت والصدأ ) ، وأكاسيد معادن أخرى .

أما باقي قشرة الأرض فتتكون أيضاً من مركبات الأكسجين، وأهمها كربونات الكالسيوم ( في الحجر الجيري ) والسيليكات ( في الفلسبارات ). وتُستخدم ^{السيليكات القابلة} للذوبان في ^الماء _، على شكل Na₄SiO₄ و _{Na₂SiO₃ و} Na₂Si₂O₅ ، كمنظفات ومواد _لاصقة . _{[ 6 ]}

تحتفظ البيروكسيدات ببعض البنية الجزيئية الأصلية للأكسجين ( ^−O −O− ⁾ . يتكون بيروكسيد الصوديوم الأبيض أو الأصفر الفاتح ( Na₂O₂ ) عند احتراق الصوديوم المعدني في الأكسجين. قد تحتوي كل ذرة أكسجين في أيون البيروكسيد على ثمانية أزواج كاملة من الإلكترونات . ^{[ 6 ]} تُعدّ الأكاسيد الفائقة فئة من المركبات المشابهة جدًا للبيروكسيدات، ولكن مع إلكترون واحد منفرد لكل زوج من ذرات الأكسجين ( _O − ₂ ). ^{[ 6 ]} تتكون هذه المركبات عن طريق أكسدة الفلزات القلوية ذات نصف القطر الأيوني الأكبر (البوتاسيوم، الروبيديوم ، السيزيوم ). على سبيل المثال، يُعدّ أكسيد البوتاسيوم الفائق ( KO₂ ₎ مادة صلبة برتقالية مصفرة تتكون عند تفاعل البوتاسيوم مع الأكسجين.

يمكن إنتاج بيروكسيد الهيدروجين ( H₂O₂ ) بتمرير حجم من الهيدروجين بنسبة 96% إلى 98% والأكسجين بنسبة 2% إلى 4% عبر تفريغ كهربائي. _[ ^{7 ] وتتمثل} الطريقة الأكثر جدوى تجاريًا في السماح بالأكسدة الذاتية لمركب عضوي وسيط، وهو ₂ -إيثيل أنثراهيدروكينون المذاب في مذيب عضوي، ليتحول إلى _H₂O₂ و2 _- إيثيل أنثراكينون. ^{[ 7 ]} ثم يُختزل 2-إيثيل أنثراكينون ويُعاد تدويره في العملية.

عند إذابتها في الماء، تُكوّن العديد من أكاسيد المعادن محاليل قلوية ، بينما تُكوّن العديد من أكاسيد اللافلزات محاليل حمضية . على سبيل المثال، يُكوّن أكسيد الصوديوم في المحلول قاعدة قوية هي هيدروكسيد الصوديوم ، بينما يُكوّن خماسي أكسيد الفوسفور في المحلول حمض الفوسفوريك . ^{[ 7 ]}

تُعدّ الأنيونات المؤكسجة ، مثل الكلورات ( ClO⁻³ ) ، والبيركلورات ( ClO⁻⁴ ) ، والكرومات ( CrO₂⁻⁴ ) ، وثنائي الكرومات ( Cr₂O₂⁻⁷ ) ، والبرمنجنات ( _MnO⁻⁴ ) ، والنترات ( NO₃⁻ ) ، _{عوامل مؤكسدة} قوية . _يتفاعل الأكسجين مع التنجستن والموليبدينوم وبعض المعادن الانتقالية الأخرى لتكوين أحماض غير متجانسة وأيونات متعددة الأكسوميتالات ، مثل حمض _{الفوسفوتنجستيك} ( H₃PW₁₂O₄₀ ) وحمض _{الأوكتاديكاموليبدوفوسفوريك (} H₆P₂Mo₁₈O₆₂ ) _.

يستطيع الأكسجين تكوين أكاسيد مع الغازات النبيلة الأثقل مثل الزينون والرادون ، على الرغم من أن ذلك يتطلب طرقًا غير مباشرة. وعلى الرغم من عدم وجود أكاسيد معروفة للكريبتون، إلا أن الأكسجين قادر على تكوين روابط تساهمية مع الكريبتون في مركب غير مستقر هو Kr( _OTeF₅ ) _₂ .

أحد مركبات الأكسجين غير المتوقعة هو سداسي فلورو البلاتينات ثنائي أوكسيجينيل ، O₂ + 2 PtF₆ ، الذي اكتُشف أثناء دراسة خصائص سداسي فلوريد البلاتين ( PtF₆ ⁾ . ^[ ₈ ^] أشار تغير اللون عند تعريض هذا المركب للهواء الجوي إلى تأكسد الأكسجين (وبالتالي، أدت صعوبة أكسدة الأكسجين إلى فرضية إمكانية أكسدة الزينون بواسطة PtF₆ _، مما أسفر عن اكتشاف أول مركب زينون، وهو سداسي فلورو البلاتينات زينون ^Xe⁺ PtF₆ ) . لا تتشكل كاتيونات الأكسجين إلا في وجود مؤكسدات أقوى من الأكسجين، مما يحد من قدرتها على التفاعل مع الفلور وبعض مركباته. وتُعرف فلوريدات الأكسجين ^{البسيطة .} [ ^{9 ]}

من أهم فئات المركبات العضوية التي تحتوي على الأكسجين (حيث "R" مجموعة عضوية): الكحولات (R−OH)؛ الإيثرات (R−O−R)؛ الكيتونات (R−CO−R)؛ الألدهيدات (R−CO−H)؛ الأحماض الكربوكسيلية (R−CO−OH)؛ الإسترات (R−CO−O−R)؛ أنهيدريدات الأحماض (R−CO−O−CO−R )؛ الأميدات (R−CO−NR₂ ₎ . وهناك العديد من المذيبات العضوية المهمة التي تحتوي على الأكسجين، منها: الأسيتون ، والميثانول ، والإيثانول ، والإيزوبروبانول ، والفيوران ، ورباعي هيدروفيوران ( THF ) ، وثنائي إيثيل الإيثر، والديوكسان، وأسيتات الإيثيل، وثنائي ميثيل فورماميد ( DMF ) ، وثنائي ميثيل سلفوكسيد ( DMSO)، وحمض الأسيتيك ، وحمض الفورميك . يُستخدم الأسيتون ( CH₃₂CO ) والفينول ( C₆H₅OH ) كمواد أولية في تصنيع العديد من المواد المختلفة. ومن المركبات العضوية الهامة الأخرى التي تحتوي على الأكسجين: الجلسرين ، والفورمالديهايد ، والجلوتارالديهايد ، وحمض الستريك _، وأنهيدريد الخل ، والأسيتاميد ، وغيرها. _{أما الإيبوكسيدات} فهي إيثرات يكون _فيها ذرة الأكسجين جزءًا من حلقة ثلاثية الذرات.

يتفاعل الأكسجين تلقائيًا مع العديد من المركبات العضوية عند درجة حرارة الغرفة أو أقل منها في عملية تُسمى الأكسدة الذاتية . ^{[ 7 ]} تمتص المحاليل القلوية من البيروجالول (بنزين-1،2،3-تريول) الأكسجين من الهواء، وتُستخدم في تحديد تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي. معظم المركبات العضوية التي تحتوي على الأكسجين لا تتكون بفعل الأكسجين المباشر. ومن المركبات العضوية المهمة في الصناعة والتجارة التي تتكون عن طريق الأكسدة المباشرة لمادة أولية: ^{[ 6 ]}

• يتم الحصول على أكسيد الإيثيلين (المستخدم في صنع مضاد التجمد إيثيلين جليكول ) عن طريق الأكسدة المباشرة للإيثيلين :

C₂H₄ + ½ O₂ + عامل مساعد ⟶ _C₂H₄O​​_​​​_​​_​​

• يتم الحصول على حمض البيرأسيتيك (مادة مغذية لمركبات الإيبوكسي المختلفة ) من الأسيتالدهيد :

CH ₃ CHO + O ₂ + محفز ⟶ CH ₃ CO−OOH

يوجد الأكسجين في جميع الجزيئات الحيوية تقريبًا ، سواءً كانت مهمة للحياة أو ناتجة عنها. ولا تحتوي سوى بعض الجزيئات الحيوية المعقدة الشائعة، مثل السكوالين والكاروتينات ، على الأكسجين. ومن بين المركبات العضوية ذات الأهمية البيولوجية، تحتوي الكربوهيدرات على النسبة الأكبر من الأكسجين (حوالي 50%). وتحتوي جميع الدهون والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية والبروتينات على الأكسجين (بسبب وجود مجموعات الكربونيل في هذه الأحماض وبقايا الإستر الخاصة بها ). علاوة على ذلك، تحتوي سبعة من الأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات على الأكسجين في سلاسلها الجانبية. كما يوجد الأكسجين في مجموعات الفوسفات ( PO₄³⁻ ) في جزيئات ATP و ADP المهمة بيولوجيًا والناقلة للطاقة ، وفي الهيكل الأساسي والبيورينات ( باستثناء الأدينين ) والبيريميدينات في الحمض النووي الريبي ( RNA ) والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين ( DNA ) ، وفي العظام على شكل فوسفات الكالسيوم وهيدروكسيلاباتيت .

• الأكسجين
• أشكال الأكسجين المتآصلة
• أنواع الأكسجين التفاعلية