O2 – Oxygen
Tên cũ: oxi · Còn gọi là: dưỡng khí; oxy (bình oxy)
- Phi kim oxi hoá mạnh
- Khí, không màu
- Ít tan trong nước
- M = 32
Oxygen (O₂, tên cũ: oxi; còn gọi: dưỡng khí) là đơn chất, chất khí không màu, ít tan trong nước; phân tử khối 32.
Cấu tạo của O2
- O
- electron
- Mô hình lớp electron (Bohr) — sơ đồ, không theo tỉ lệ thật
- 1 · Mỗi nguyên tử còn thiếu e ở lớp ngoài
- 2 · Góp chung electron thành cặp
- 3 · Mỗi nguyên tử đủ 8e (H: 2e) → phân tử O₂
Thông số vật lý của O2
| Đại lượng | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Phân tử khối | 32 | tính theo nguyên tử khối làm tròn trong SGK (O 16) |
| Khối lượng mol chính xác | 31,998 g/mol | theo nguyên tử khối IUPAC (O 15,999) |
| Trạng thái, màu | khí, không màu, không mùi; oxi lỏng màu xanh nhạt; nặng hơn không khí | |
| Nhiệt độ nóng chảy | −218,8 °C | ở 1 atm (Wikipedia/CRC: 54,36 K; NIST tra cứu 54,8 ± 0,2 K) |
| Nhiệt độ sôi | −183,0 °C | ở 1 atm (NIST: 90,2 K); oxygen lỏng màu xanh nhạt |
| Nhiệt độ tới hạn | −118,6 °C | trên nhiệt độ này không nén thành lỏng được, nên bình oxygen thường chứa khí nén; oxygen lỏng phải giữ trong bình cách nhiệt |
| Khối lượng riêng (khí) | 1,429 g/L | ở 0 °C, 1 atm; nặng hơn không khí (M ≈ 29, quy ước SGK) khoảng 1,1 lần |
| Khối lượng riêng (lỏng) | 1,141 g/cm³ | ở nhiệt độ sôi −183 °C |
| Độ tan trong nước | ≈ 0,0046 g/100 mL (≈ 3 mL khí) | ở 20 °C dưới 1 bar O₂ tinh khiết, tính từ hằng số Henry (NIST, cho theo 100 g nước): ≈ 3 mL O₂ trong 100 mL nước. Nước cân bằng với không khí (21 % O₂) chỉ chứa 7,6 mg/L ở 20 °C, 14,6 mg/L ở 0 °C |
| Liên kết O=O | 121 pm; 498 kJ/mol | liên kết đôi bền nên nhiều phản ứng cần đốt nóng để khơi mào, rồi toả nhiệt mạnh |
| Từ tính | thuận từ | phân tử có 2 electron độc thân; oxygen lỏng bị nam châm mạnh hút |
| Hàm lượng trong không khí | 20,95 % thể tích | SGK làm tròn 21 %, tức khoảng 1/5 thể tích không khí |
Số liệu làm tròn cho phổ thông; nguồn ghi ở mục Tài liệu tham khảo.
Thành phần nguyên tố của O2
| Nguyên tố | NTKNguyên tử khối | Số ng.tửSố nguyên tử | KLKhối lượng | % khối lượng |
|---|---|---|---|---|
| O oxygen | 16 | 2 | 32 | 100,00 % |
| TổngPhân tử khối O2 | 2 | 32 | 100 % |
NTK = nguyên tử khối (làm tròn như trong bài tập phổ thông), KL = khối lượng. Ví dụ: %O = 32 ÷ 32 × 100 % = 100,0 %.
Tính nhanh: mol – khối lượng – nồng độ
- Khối lượng
- m = n × M = 0,25 × 32
- 8 g
- Số phân tử
- N = n × NA = 0,25 × 6,022 × 10²³
- 1,506 × 10²³
- Nồng độ mol
- CM = n / V = 0,25 / 0,25
- 1 M
M = phân tử khối (g/mol); NA = 6,022 × 10²³ là số Avogadro — số phân tử có trong 1 mol của bất kỳ chất nào; V là thể tích dung dịch tính bằng lít.
Điều chế O2
Phòng thí nghiệm: nhiệt phân hợp chất giàu oxi, kém bền với nhiệt: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂; 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ (xúc tác MnO₂); 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (xúc tác MnO₂); thu khí bằng cách đẩy nước hoặc đẩy không khí. Công nghiệp: chưng cất phân đoạn không khí lỏng; điện phân nước 2H₂O → 2H₂ + O₂.
Tính chất hoá học của O2
Tính oxi hoá mạnh (phi kim hoạt động, độ âm điện chỉ sau F): tác dụng với hầu hết kim loại (trừ Au, Pt), nhiều phi kim (trừ halogen) và nhiều hợp chất; phản ứng thường toả nhiệt (sự cháy).
- Với kim loại: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (Cu, Al, Mg… cũng cháy hoặc bị oxi hoá tạo oxide).
- Với phi kim: S + O₂ → SO₂; 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; C + O₂ → CO₂.
- Với hợp chất: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (xúc tác V₂O₅).
- Duy trì sự cháy và sự hô hấp.
Lỗi thường gặp với O2
- Nói "oxygen cháy". O₂ không cháy mà duy trì sự cháy: nó là chất oxi hoá, nhận electron của chất cháy (C, S, P, kim loại, nhiên liệu). Trong đám cháy, oxygen bị tiêu thụ chứ không phải nhiên liệu.
- Cho O₂ tác dụng với mọi kim loại. Au, Pt không bị O₂ oxi hoá ở mọi nhiệt độ (vì thế vàng không xỉn màu). Ngược lại kim loại kiềm, Mg, Al bị oxi hoá ngay trong không khí.
- Viết Fe cháy trong oxygen tạo Fe₂O₃. Khi đốt dây sắt trong bình O₂, sản phẩm là iron(II,III) oxide: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (hạt nhỏ nóng chảy màu nâu bắn ra). Fe₂O₃ là thành phần chính của gỉ sắt tạo thành chậm khi có nước.
- Tính thể tích không khí bằng thể tích O₂. Không khí chỉ có khoảng 21 % O₂ theo thể tích, nên thể tích không khí cần dùng gấp 5 lần thể tích O₂ (quy ước SGK: V không khí = 5 × V O₂).
- Thu O₂ bằng cách đẩy không khí mà úp ngược bình. O₂ nặng hơn không khí nên phải để bình ngửa (miệng lên trên); thu bằng cách đẩy nước cũng được vì O₂ tan rất ít.
Ứng dụng của O2
| Ứng dụng | Dựa trên tính chất nào |
|---|---|
| Bình oxygen y tế, thợ lặn, phi công, leo núi | Hô hấp là quá trình oxi hoá chậm glucose: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O giải phóng năng lượng; ở nơi thiếu O₂ hoặc phổi kém phải thở oxygen đậm đặc hơn không khí |
| Luyện thép từ gang | Thổi O₂ vào gang lỏng, oxygen oxi hoá bớt C, Si, P, S thành oxide thoát ra hoặc vào xỉ: C + O₂ → CO₂; Si + O₂ → SiO₂ |
| Đèn xì oxygen – acetylene để hàn, cắt kim loại | Cháy trong O₂ tinh khiết toả nhiệt mạnh hơn nhiều so với trong không khí: 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O |
| Chất oxi hoá trong tên lửa (oxygen lỏng) | Ngoài khí quyển không có O₂, tên lửa phải mang theo chất oxi hoá; oxygen lỏng (1,141 g/cm³) đặc gấp khoảng 800 lần khí (1,429 g/L) nên chứa được nhiều trong bình nhỏ |
| Sục khí cho ao nuôi cá, xử lí nước thải | O₂ tan rất ít trong nước (7,6 mg/L từ không khí ở 20 °C) và càng nóng càng ít tan; sục khí bổ sung O₂ cho cá thở và cho vi sinh vật hiếu khí phân huỷ chất bẩn |
Nhận biết O2
Khí không màu, không mùi; làm que đóm còn tàn đỏ bùng cháy.
An toàn và bảo quản O2
Oxi hoá (GHS03), khí nén (GHS04) — H270: có thể gây cháy hoặc làm cháy mạnh hơn; chất oxi hoá
Phân loại trên là phân loại hài hoà của oxygen dạng khí nén (ECHA C&L). O₂ không độc và không cháy, nhưng làm mọi thứ cháy dữ dội hơn: dầu mỡ, vải, cao su dính oxygen áp suất cao có thể tự bốc cháy; tàn lửa gặp dòng O₂ bùng thành ngọn lửa. Thở oxygen tinh khiết ở áp suất cao kéo dài gây ngộ độc oxygen. Oxygen lỏng ở −183 °C gây bỏng lạnh.
Cháy có oxygen: khoá van bình trước rồi mới dập lửa. Quần áo đã nhiễm oxygen (đứng gần chỗ xả khí) phải tránh xa lửa, tàn thuốc ít nhất vài phút cho khí bay hết. Bỏng lạnh do oxygen lỏng: ngâm nước ấm, không chà xát, không dùng nước nóng. Ống thở oxygen y tế: không hút thuốc, không dùng bếp lửa trong phòng.
Bảo quản: Bình khí nén dựng đứng, cố định bằng xích, để nơi thoáng, xa nguồn nhiệt và xa bình khí cháy (acetylene, H₂, LPG); van và đầu nối phải sạch, tuyệt đối không bôi dầu mỡ. Oxygen lỏng giữ trong bình cách nhiệt có van thoát hơi. Trong phòng thí nghiệm, lọ thu khí O₂ để ngửa, đậy nắp kính.
Phản ứng tiêu biểu của O2 (69)
- Đốt cháy lưu huỳnh trong oxiS + O2 SO2
- Nhiệt phân KMnO₄ (điều chế O₂)2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2
- Đốt cháy nhôm trong oxi4Al + 3O2 2Al2O3
- Nhiệt phân KClO₃ (điều chế O₂)2KClO3 2KCl + 3O2
- Đốt cháy photpho trong oxi4P + 5O2 2P2O5
- Đốt cháy pyrite FeS₂4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2
- Oxi hoá NH₃ bằng O₂ có xúc tác Pt4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
- Nhiệt phân Cu(NO₃)₂2Cu(NO3)2 2CuO + 4NO2 + O2
- Đốt cháy H₂S khi thiếu oxi2H2S + O2 2S + 2H2O
- Carbon cháy trong oxygenC + O2 CO2
Tự luyện về O2
Gom từ bài tập của các phản ứng có oxygen và câu hỏi riêng cho chất.
1. Trong phản ứng S + O₂ → SO₂, số oxi hoá của S thay đổi
A. từ 0 lên +4B. từ 0 lên +6C. từ −2 lên +4D. từ 0 xuống −2
Đáp án A. S⁰ → S⁺⁴ + 4e (chất khử); O₂⁰ + 4e → 2O⁻² (chất oxi hoá).
2. Hệ số của KMnO₄ trong phương trình nhiệt phân KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ (tối giản) là
A. 1B. 2C. 3D. 4
Đáp án B. Sản phẩm K₂MnO₄ chứa 2 K nên cần 2 KMnO₄; 2 Mn⁺⁷ → Mn⁺⁶ + Mn⁺⁴ nhận 4e, 2 O⁻² nhường 4e tạo 1 O₂: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.
3. Hệ số của O₂ trong phương trình Al + O₂ → Al₂O₃ (cân bằng, tối giản) là
A. 2B. 3C. 4D. 6
Đáp án B. 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃: 4 Al nhường 12e, 3 O₂ nhận 12e.
4. Khi thu khí O₂ bằng cách đẩy không khí, phải đặt bình thu như thế nào và vì sao?
A. Úp ngược bình vì O₂ nhẹ hơn không khíB. Để ngửa bình vì O₂ nặng hơn không khíC. Đặt nằm ngang vì O₂ nặng bằng không khíD. Cách nào cũng được vì O₂ tan trong nước
Đáp án B. O₂ có M = 32 lớn hơn M không khí ≈ 29 nên nặng hơn không khí, chìm xuống đáy bình để ngửa và đẩy không khí ra. Úp ngược chỉ dùng cho khí nhẹ như H₂.
5. Đốt cháy hoàn toàn 5,6 g Fe trong bình chứa O₂ dư. Khối lượng oxide thu được là (Fe = 56, O = 16)
A. 8,0 gB. 7,73 gC. 7,2 gD. 11,6 g
Đáp án B. n(Fe) = 5,6/56 = 0,1 mol. 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ nên n(Fe₃O₄) = 0,1/3 mol; m = (0,1/3) × 232 ≈ 7,73 g. Đáp án 8,0 g là khi viết nhầm sản phẩm thành Fe₂O₃.
6. Chất nào sau đây KHÔNG tác dụng với O₂ ngay cả khi đốt nóng?
A. CuB. SC. AuD. CH₄
Đáp án C. Au (cùng Pt) không bị O₂ oxi hoá ở mọi nhiệt độ. Cu nung nóng thành CuO, S cháy thành SO₂, CH₄ cháy thành CO₂ và H₂O.
Câu hỏi thường gặp về O2
Oxi có cháy không?
Không. O₂ là chất oxi hoá, tự nó không cháy nhưng duy trì và làm mạnh sự cháy: que đóm còn tàn đỏ đưa vào lọ O₂ bùng cháy, than cháy trong O₂ sáng trắng. Vì vậy bình oxygen không "nổ như bình gas", nhưng dầu mỡ, vải dính oxygen áp suất cao lại bắt lửa cực nhanh.
Oxi nặng hơn hay nhẹ hơn không khí?
Nặng hơn một chút: khối lượng riêng 1,429 g/L ở 0 °C, 1 atm; so với không khí (M ≈ 29) tỉ khối 32/29 ≈ 1,1. Vì vậy thu O₂ bằng cách đẩy không khí phải để bình ngửa. Chênh lệch nhỏ nên trong khí quyển O₂ vẫn trộn đều, không "lắng" xuống thấp.
O₂ có tan trong nước không?
Tan rất ít: ở 20 °C, dưới 1 bar O₂ tinh khiết, 100 mL nước chỉ hoà tan khoảng 3 mL khí (≈ 4,6 mg). Nước ao hồ cân bằng với không khí chỉ có khoảng 7,6 mg O₂/L ở 20 °C và càng nóng càng ít, nên mùa hè cá dễ ngạt và ao nuôi phải sục khí. Nhờ tan ít, O₂ thu được bằng cách đẩy nước.
Oxi tác dụng với kim loại nào?
Với hầu hết kim loại trừ Au, Pt: Na, K bị oxi hoá ngay ở nhiệt độ thường; Mg, Al cháy sáng chói tạo MgO, Al₂O₃ (4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃); Fe cháy trong O₂ tinh khiết tạo Fe₃O₄; Cu nung nóng hoá đen thành CuO (2Cu + O₂ → 2CuO). Kim loại càng hoạt động, phản ứng càng dễ.
Oxi lỏng màu gì, có bị nam châm hút không?
Phân tử O₂ có hai electron độc thân nên thuận từ: oxygen lỏng đổ giữa hai cực nam châm mạnh bị giữ lại thành cầu lỏng. Oxygen lỏng và rắn có màu xanh da trời nhạt vì hấp thụ ánh sáng vùng đỏ (khác với màu xanh của bầu trời do tán xạ); khí thì không màu vì quá loãng.
Oxi và ozon khác nhau thế nào?
Cùng là đơn chất của nguyên tố oxygen (hai dạng thù hình) nhưng phân tử khác nhau: O₂ (2 nguyên tử) không màu, không mùi, bền; O₃ (3 nguyên tử) mùi xốc, oxi hoá mạnh hơn nhiều và độc với phổi. Tầng ozone chắn tia tử ngoại có ích, còn ozone ở tầng thấp là chất ô nhiễm.
O2 và Cl2
| O2 | Cl2 | |
|---|---|---|
| Trạng thái, màu ở 25 °C | khí không màu, không mùi | khí vàng lục, mùi xốc |
| Nhiệt độ sôi (1 atm) | −183 °C | −34 °C (dễ hoá lỏng bằng nén) |
| Khối lượng riêng khí (0 °C, 1 atm) | 1,43 g/L | 3,2 g/L |
| Độ âm điện (Pauling) | 3,44 | 3,16 |
| Liên kết trong phân tử | đôi O=O, 498 kJ/mol | đơn Cl–Cl, 243 kJ/mol — dễ đứt hơn nên Cl₂ phản ứng ở điều kiện thường mạnh hơn |
| Với Fe | Fe₃O₄ (phải đốt) | FeCl₃ (Fe nung đỏ) |
| Với nước | chỉ tan vật lí, không phản ứng | Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO |
| Độc tính | không độc; oxi hoá (H270) | rất độc khi hít (H331) |
Tài liệu tham khảo
- Bộ GD&ĐT, Khoa học tự nhiên 6 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2021 — bài 11 Oxygen. Không khí (tính chất vật lí, 21 % thể tích không khí, vai trò với sự cháy và sự sống).
- Bộ GD&ĐT, Hoá học 10 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2022 — bài 12 Liên kết cộng hoá trị (liên kết đôi O=O), bài 15 Phản ứng oxi hoá – khử (O₂ là chất oxi hoá).
- NIST Chemistry WebBook, "Oxygen", Phase change data, webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7782447 — nhiệt độ sôi 90,2 K, nhiệt độ nóng chảy 54,8 K, nhiệt độ tới hạn 154,58 K; Henry's Law data — k°H 0,0013 mol/(kg·bar) ở 25 °C (độ tan tính ra g/100 mL và mL/100 mL ở 20 °C).
- Wikipedia, "Oxygen" (infobox dẫn CRC Handbook; mục Physical properties), en.wikipedia.org — nhiệt độ nóng chảy −218,79 °C, khối lượng riêng khí 1,429 g/L và lỏng 1,141 g/cm³, độ âm điện 3,44, liên kết 121 pm / 498 kJ/mol, thuận từ, màu xanh nhạt của O₂ lỏng do hấp thụ ánh sáng đỏ, 20,95 % thể tích khí quyển, độ tan từ không khí 7,6 mg/L (20 °C) và 14,6 mg/L (0 °C), ngộ độc oxygen ở áp suất riêng phần cao.
- Wikipedia, "Solubility table", en.wikipedia.org — O₂ ở áp suất riêng phần 21 kPa: 0,00076 g/100 mL ở 20 °C (đối chiếu với 7,6 mg/L).
- Wikipedia, "Chlorine" (infobox dẫn CRC Handbook; bảng năng lượng liên kết halogen), en.wikipedia.org — khối lượng riêng 3,2 g/L, nhiệt độ sôi −34 °C, độ âm điện 3,16, Cl–Cl 243 kJ/mol (bảng so sánh).
- ECHA CHEM, C&L Inventory: oxygen, EC 231-956-9, chỉ số 008-001-00-8, chem.echa.europa.eu — phân loại hài hoà Ox. Gas 1 (H270), Press. Gas, hình đồ GHS03, GHS04; chlorine, EC 231-959-5 — Acute Tox. 3 (H331) (bảng so sánh).
Cùng nhóm đơn chất
Xem tất cả hợp chất →Cập nhật: