ઓક્સિજન (O) - પરીક્ષા પુનરાવર્તન માર્ગદર્શિકા

પ્રસ્તાવના

પૃથ્વીના પોપડામાં દળ દ્વારા સૌથી પ્રચુર તત્વ અને વાતાવરણમાં બીજું સૌથી પ્રચુર તત્વ (કદ દ્વારા 20.95%) ઓક્સિજન (O), મોટાભાગના જીવંત સ્વરૂપો અને અસંખ્ય ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓ માટે મૂળભૂત છે. તેની ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાત્મકતા અને અનન્ય ઇલેક્ટ્રોનિક સંરચના વિવિધ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ અને જૈવિક ચક્રમાં તેની ભૂમિકા નક્કી કરે છે.

CBSE/JEE ઝડપી પુનરાવર્તન નોંધો

• પ્રતીક: O
• પરમાણુ ક્રમાંક (Z): 8
• પરમાણુ દળ: 15.999 u ≈ 16 u
• ઇલેક્ટ્રોનિક સંરચના: 1s² 2s² 2p⁴ ([He] 2s² 2p⁴)
• સંયોજકતા: 2 (સામાન્ય રીતે)
• સમૂહ: 16 (ચાલકોજન)
• આવર્ત: 2
• બ્લોક: p-બ્લોક
• પ્રકૃતિ: અધાતુ, દ્વિપરમાણ્વીય વાયુ (O₂), પેરામેગ્નેટિક
• ઇલેક્ટ્રોન-ઋણતા (પોલિંગ સ્કેલ): 3.44
• પ્રથમ આયનીકરણ એન્થાલ્પી: 1314 kJ/mol
• ઇલેક્ટ્રોન પ્રાપ્તિ એન્થાલ્પી: -141 kJ/mol
• અપરરૂપો: ડાયોક્સિજન (O₂) અને ઓઝોન (O₃)
• સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ: -2 (સૌથી સામાન્ય), -1 (પેરઓક્સાઇડ), -1/2 (સૂપરઓક્સાઇડ), 0 (તત્વીય), +1 (O₂F₂), +2 (OF₂)

ઇલેક્ટ્રોન સંરચના અને બંધન વર્તન

ઓક્સિજનની ઇલેક્ટ્રોનિક સંરચના, 1s² 2s² 2p⁴, છ વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન દર્શાવે છે. સ્થિર અષ્ટક પ્રાપ્ત કરવા માટે, ઓક્સિજન સરળતાથી બે ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અથવા બે ઇલેક્ટ્રોન જોડીઓનું વિભાજન કરે છે.

• ઇલેક્ટ્રોન-ઋણતા: ઓક્સિજન (ફ્લોરિન પછી) બીજું સૌથી વધુ ઇલેક્ટ્રોન-ઋણ તત્વ છે, જે તેના મજબૂત ઓક્સિડાઇઝિંગ ગુણધર્મોમાં ફાળો આપે છે.
• સહસંયોજક બંધન: સામાન્ય રીતે બે સહસંયોજક બંધ (દા.ત., H₂O) અથવા દ્વિબંધ (દા.ત., O₂) બનાવે છે.
• આયનીય બંધન: અત્યંત ઇલેક્ટ્રોપોઝિટિવ ધાતુઓ સાથે O²⁻ આયન બનાવે છે (દા.ત., Na₂O, CaO).
• ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ:
  • -2: સૌથી સામાન્ય, ઓક્સાઇડમાં (H₂O, CO₂, CaO).
  • -1: પેરઓક્સાઇડમાં (H₂O₂, Na₂O₂).
  • -1/2: સૂપરઓક્સાઇડમાં (KO₂, RbO₂).
  • 0: તત્વીય ઓક્સિજનમાં (O₂, O₃).
  • +1: ડાયોક્સિજન ડાયફ્લોરાઇડમાં (O₂F₂), જ્યાં F વધુ ઇલેક્ટ્રોન-ઋણ છે.
  • +2: ઓક્સિજન ડાયફ્લોરાઇડમાં (OF₂), જ્યાં F વધુ ઇલેક્ટ્રોન-ઋણ છે.
• ડાયોક્સિજન (O₂): દ્વિબંધ (એક સિગ્મા, એક પાઇ બંધ) ધરાવે છે. મોલેક્યુલર ઓર્બિટલ થિયરી π* એન્ટિબોન્ડિંગ ઓર્બિટલ્સમાં બે અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન હોવાને કારણે તેના પેરામેગ્નેટિક સ્વભાવને સમજાવે છે.
• ઓઝોન (O₃): ઓક્સિજનનું એક અપરરૂપ, રેઝોનન્સ સ્થિરીકરણ સાથે વળેલું માળખું ધરાવે છે.

મહત્વપૂર્ણ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ

ડાયોક્સિજન (O₂) ની બનાવટ

1. પ્રયોગશાળામાં બનાવટ:
   • પોટેશિયમ ક્લોરેટ (KClO₃) નું વિઘટન: 2KClO₃(s) --(MnO₂/Heat)--> 2KCl(s) + 3O₂(g)
   • હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડ (H₂O₂) નું વિઘટન: 2H₂O₂(aq) --(MnO₂)--> 2H₂O(l) + O₂(g)
   • ઉચ્ચ તાપમાને ધાતુ ઓક્સાઇડ (દા.ત., Ag₂O, HgO) નું વિઘટન: 2Ag₂O(s) --(Heat)--> 4Ag(s) + O₂(g)
2. ઔદ્યોગિક બનાવટ:
   • પ્રવાહી હવાનું આંશિક નિસ્યંદન: હવાને પ્રવાહી સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે, પછી આંશિક નિસ્યંદન કરવામાં આવે છે. નાઇટ્રોજન (ઉત્કલન બિંદુ -196 °C) પ્રથમ નિસ્યંદિત થાય છે, પ્રવાહી ઓક્સિજન (ઉત્કલન બિંદુ -183 °C) પાછળ રહે છે.
   • પાણીનું વિદ્યુત વિભાજન: 2H₂O(l) --(Electricity)--> 2H₂(g) + O₂(g)

ડાયોક્સિજન (O₂) ની પ્રતિક્રિયાઓ

ઓક્સિજન એક શક્તિશાળી ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ છે અને મોટાભાગના તત્વો અને ઘણા સંયોજનો સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે.

1. ધાતુઓ સાથે પ્રતિક્રિયા: બેઝિક ઓક્સાઇડ બનાવે છે.
   • 4Na(s) + O₂(g) --> 2Na₂O(s) (સોડિયમ ઓક્સાઇડ)
   • 2Mg(s) + O₂(g) --> 2MgO(s) (મેગ્નેશિયમ ઓક્સાઇડ)
   • 4Al(s) + 3O₂(g) --> 2Al₂O₃(s) (એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ)
   • 3Fe(s) + 2O₂(g) --(Heat)--> Fe₃O₄(s) (આયર્ન(II,III) ઓક્સાઇડ)
2. અધાતુઓ સાથે પ્રતિક્રિયા: એસિડિક અથવા તટસ્થ ઓક્સાઇડ બનાવે છે.
   • C(s) + O₂(g) --> CO₂(g) (કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, એસિડિક)
   • S(s) + O₂(g) --> SO₂(g) (સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ, એસિડિક)
   • P₄(s) + 5O₂(g) --> P₄O₁₀(s) (ફોસ્ફરસ પેન્ટોક્સાઇડ, એસિડિક)
   • N₂(g) + O₂(g) --(Electric Arc)--> 2NO(g) (નાઇટ્રોજન મોનોક્સાઇડ, તટસ્થ)
   • 2H₂(g) + O₂(g) --> 2H₂O(l) (પાણી, તટસ્થ)
3. સંયોજનો સાથે પ્રતિક્રિયા (દહન): ઓક્સિજન દહનને ટેકો આપે છે.
   • હાઇડ્રોકાર્બન: CH₄(g) + 2O₂(g) --> CO₂(g) + 2H₂O(g) (મિથેનનું દહન)
   • હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડ: 2H₂S(g) + 3O₂(g) --> 2SO₂(g) + 2H₂O(g)
   • એમોનિયા: 4NH₃(g) + 5O₂(g) --(Pt/Rh catalyst)--> 4NO(g) + 6H₂O(g) (ઓસ્ટવાલ્ડ પ્રક્રિયાનું મધ્યવર્તી)

ઔદ્યોગિક અને જૈવિક મહત્વ

ઔદ્યોગિક મહત્વ

• ધાતુશાસ્ત્ર: ગરમ લોખંડમાંથી ઓક્સિડેશન દ્વારા અશુદ્ધિઓ (દા.ત., કાર્બન, સલ્ફર, ફોસ્ફરસ) દૂર કરવા માટે સ્ટીલ ઉત્પાદનમાં વપરાય છે.
• વેલ્ડીંગ અને કટિંગ: ઓક્સી-એસેટિલીન ટોર્ચ વેલ્ડીંગ અને મેટલ કટિંગ માટે ઉચ્ચ તાપમાન ઉત્પન્ન કરે છે.
• રાસાયણિક સંશ્લેષણ: નાઇટ્રિક એસિડ (એમોનિયામાંથી), સલ્ફ્યુરિક એસિડ, ઇથિલિન ઓક્સાઇડ અને અન્ય ઔદ્યોગિક રસાયણોના ઉત્પાદનમાં વપરાય છે.
• દવા: શ્વસન સંબંધી તકલીફવાળા દર્દીઓને હાઇપરબેરિક ઓક્સિજન થેરાપીમાં આપવામાં આવે છે.
• રોકેટ પ્રોપેલન્ટ: પ્રવાહી ઓક્સિજન (LOX) રોકેટ એન્જિનમાં ઓક્સિડાઇઝર તરીકે કાર્ય કરે છે.
• ગંદા પાણીની સારવાર: સુએજ ટ્રીટમેન્ટમાં એરોબિક જૈવિક પ્રક્રિયાઓને વધારવા માટે વપરાય છે.

જૈવિક મહત્વ

• શ્વસન: મોટાભાગના જીવંત સજીવોમાં એરોબિક શ્વસન માટે આવશ્યક છે, જ્યાં તે ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સપોર્ટ ચેઇનમાં અંતિમ ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનાર તરીકે કાર્ય કરે છે, ઊર્જા (ATP) મુક્ત કરે છે. C₆H₁₂O₆ + 6O₂ \rightarrow 6CO₂ + 6H₂O + Energy
• પ્રકાશસંશ્લેષણ (ઉપ-ઉત્પાદન): વનસ્પતિઓ અને શેવાળ દ્વારા પ્રકાશસંશ્લેષણના ઉપ-ઉત્પાદન તરીકે ઓક્સિજન વાતાવરણમાં છોડવામાં આવે છે. 6CO₂ + 6H₂O --(Light Energy)--> C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• ઓઝોન સ્તર: સ્ટ્રેટોસ્ફેરિક ઓઝોન (O₃) સૂર્યમાંથી હાનિકારક અલ્ટ્રાવાયોલેટ (UV) કિરણોત્સર્ગને શોષી લે છે, પૃથ્વી પરના જીવનનું રક્ષણ કરે છે.
• વિઘટન: કાર્બનિક પદાર્થોના વિઘટનમાં સામેલ છે, જે પોષક તત્વોને ઇકોસિસ્ટમમાં પાછા ફેરવે છે.