ऑक्सिजन (O) - परीक्षा उजळणी मार्गदर्शक

प्रस्तावना

ऑक्सिजन (O), पृथ्वीच्या कवचातील वस्तुमानानुसार सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य आणि वातावरणातील दुसरे सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य (20.95% घनफळानुसार), बहुतांश जीवसृष्टीसाठी आणि अनेक औद्योगिक प्रक्रियांसाठी मूलभूत आहे. त्याची उच्च अभिक्रियाशीलता आणि अद्वितीय इलेक्ट्रॉन संरूपण विविध रासायनिक अभिक्रिया आणि जैविक चक्रांमधील त्याची भूमिका ठरवते.

CBSE/JEE जलद उजळणी नोट्स

• प्रतीक: O
• अणुक्रमांक (Z): 8
• अणुवस्तुमान: 15.999 u ≈ 16 u
• इलेक्ट्रॉन संरूपण: 1s² 2s² 2p⁴ ([He] 2s² 2p⁴)
• संयुजा: 2 (सामान्यतः)
• गट: 16 (चालकोजन्स)
• आवर्त: 2
• खंड: p-खंड
• स्वरूप: अधातू, द्विअणु वायू (O₂), पॅरामॅग्नेटिक (अनुचुंबकीय)
• ऋणविद्युतता (पॉलिंग स्केल): 3.44
• पहिली आयनीकरण एन्थॅल्पी: 1314 kJ/mol
• इलेक्ट्रॉन ग्रहण एन्थॅल्पी: -141 kJ/mol
• अपरूपे: द्विऑक्सिजन (O₂) आणि ओझोन (O₃)
• सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था: -2 (सर्वात सामान्य), -1 (पेरॉक्साईड्स), -1/2 (सुपरऑक्साईड्स), 0 (मूलभूत), +1 (O₂F₂), +2 (OF₂)

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंधन व्यवहार

ऑक्सिजनचे इलेक्ट्रॉन संरूपण, 1s² 2s² 2p⁴, सहा संयुजा इलेक्ट्रॉन दर्शवते. स्थिर अष्टक स्थिती प्राप्त करण्यासाठी, ऑक्सिजन सहजपणे दोन इलेक्ट्रॉन स्वीकारतो किंवा दोन इलेक्ट्रॉन जोड्या सामायिक करतो.

• ऋणविद्युतता: ऑक्सिजन हे दुसरे सर्वात जास्त ऋणविद्युत मूलद्रव्य आहे (फ्लोरिननंतर), ज्यामुळे त्याचे मजबूत ऑक्सिडीकरण गुणधर्म दिसून येतात.
• सहसंयुज बंधन: सामान्यतः दोन सहसंयुज बंध (उदा., H₂O) किंवा एक दुहेरी बंध (उदा., O₂) तयार करतो.
• आयनिक बंधन: उच्च विद्युतधर्मी धातूंशी O²⁻ आयन तयार करतो (उदा., Na₂O, CaO).
• ऑक्सिडेशन अवस्था:
  • -2: सर्वात सामान्य, ऑक्साईड्समध्ये (H₂O, CO₂, CaO).
  • -1: पेरॉक्साईड्समध्ये (H₂O₂, Na₂O₂).
  • -1/2: सुपरऑक्साईड्समध्ये (KO₂, RbO₂).
  • 0: मूलभूत ऑक्सिजनमध्ये (O₂, O₃).
  • +1: डायऑक्सिजन डायफ्लोराईडमध्ये (O₂F₂), जेथे F अधिक ऋणविद्युत आहे.
  • +2: ऑक्सिजन डायफ्लोराईडमध्ये (OF₂), जेथे F अधिक ऋणविद्युत आहे.
• द्विऑक्सिजन (O₂): यात दुहेरी बंध असतो (एक सिग्मा, एक पाय बंध). मॉलिक्युलर ऑर्बिटल थिअरी (आण्विक कक्षीय सिद्धांत) पॅरामॅग्नेटिक स्वभाव दोन अयुग्मित इलेक्ट्रॉनमुळे π* अँटीबॉंडिंग ऑर्बिटल्समध्ये स्पष्ट करते.
• ओझोन (O₃): ऑक्सिजनचे एक अपरूप, ज्याची रचना वाकलेली (bent) असते आणि रेझोनन्समुळे स्थिरीकरण होते.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

द्विऑक्सिजनची (O₂) निर्मिती

1. प्रयोगशाळेतील निर्मिती:
   • पोटॅशियम क्लोरेटचे (KClO₃) अपघटन: 2KClO₃(s) --(MnO₂/Heat)--> 2KCl(s) + 3O₂(g)
   • हायड्रोजन पेरॉक्साईडचे (H₂O₂) अपघटन: 2H₂O₂(aq) --(MnO₂)--> 2H₂O(l) + O₂(g)
   • उच्च तापमानावर धातूंच्या ऑक्साईडचे (उदा., Ag₂O, HgO) अपघटन: 2Ag₂O(s) --(Heat)--> 4Ag(s) + O₂(g)
2. औद्योगिक निर्मिती:
   • द्रवरूप हवेचे आंशिक ऊर्ध्वपातन (Fractional Distillation of Liquid Air): हवा द्रवरूप केली जाते, नंतर तिचे आंशिक ऊर्ध्वपातन केले जाते. नायट्रोजन (उत्कलन बिंदू -196 °C) प्रथम ऊर्ध्वपातित होते, मागे द्रवरूप ऑक्सिजन (उत्कलन बिंदू -183 °C) राहते.
   • पाण्याचे विद्युत् अपघटन (Electrolysis of Water): 2H₂O(l) --(Electricity)--> 2H₂(g) + O₂(g)

द्विऑक्सिजनच्या (O₂) अभिक्रिया

ऑक्सिजन एक शक्तिशाली ऑक्सिडीकरण कारक आहे आणि बहुतेक मूलद्रव्ये आणि अनेक संयुगांशी अभिक्रिया करतो.

1. धातूंशी अभिक्रिया: अल्कधर्मी ऑक्साईड तयार होतात.
   • 4Na(s) + O₂(g) --> 2Na₂O(s) (सोडियम ऑक्साईड)
   • 2Mg(s) + O₂(g) --> 2MgO(s) (मॅग्नेशियम ऑक्साईड)
   • 4Al(s) + 3O₂(g) --> 2Al₂O₃(s) (ॲल्युमिनियम ऑक्साईड)
   • 3Fe(s) + 2O₂(g) --(Heat)--> Fe₃O₄(s) (आयर्न(II,III) ऑक्साईड)
2. अधातूंशी अभिक्रिया: आम्लधर्मी किंवा उदासीन ऑक्साईड तयार होतात.
   • C(s) + O₂(g) --> CO₂(g) (कार्बन डायऑक्साईड, आम्लधर्मी)
   • S(s) + O₂(g) --> SO₂(g) (सल्फर डायऑक्साईड, आम्लधर्मी)
   • P₄(s) + 5O₂(g) --> P₄O₁₀(s) (फॉस्फरस पेंटॉक्साईड, आम्लधर्मी)
   • N₂(g) + O₂(g) --(Electric Arc)--> 2NO(g) (नायट्रोजन मोनॉक्साईड, उदासीन)
   • 2H₂(g) + O₂(g) --> 2H₂O(l) (पाणी, उदासीन)
3. संयुगांशी अभिक्रिया (ज्वलन): ऑक्सिजन ज्वलनास मदत करतो.
   • हायड्रोकार्बन्स: CH₄(g) + 2O₂(g) --> CO₂(g) + 2H₂O(g) (मिथेनचे ज्वलन)
   • हायड्रोजन सल्फाईड: 2H₂S(g) + 3O₂(g) --> 2SO₂(g) + 2H₂O(g)
   • अमोनिया: 4NH₃(g) + 5O₂(g) --(Pt/Rh catalyst)--> 4NO(g) + 6H₂O(g) (ऑस्टवाल्ड प्रक्रियेतील मध्यवर्ती उत्पादन)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

• धातूकाम (Metallurgy): लोह शुद्धीकरणामध्ये (उदा. कार्बन, सल्फर, फॉस्फरस) ऑक्सिडीकरणाद्वारे अशुद्धी दूर करण्यासाठी स्टील निर्मितीमध्ये वापरले जाते.
• वेल्डिंग आणि कटिंग (Welding and Cutting): ऑक्सि-ॲसेटिलीन टॉर्च वेल्डिंग आणि धातू कटिंगसाठी उच्च तापमान निर्माण करतात.
• रासायनिक संश्लेषण (Chemical Synthesis): नायट्रिक आम्ल (अमोनियापासून), सल्फ्यूरिक आम्ल, इथिलिन ऑक्साईड आणि इतर औद्योगिक रसायनांच्या उत्पादनात वापरले जाते.
• औषध (Medicine): श्वसनमार्गाच्या विकारांनी ग्रस्त असलेल्या रुग्णांना, तसेच हायपरबॅरिक ऑक्सिजन थेरपीमध्ये दिले जाते.
• रॉकेट इंधन (Rocket Propellant): द्रवरूप ऑक्सिजन (LOX) रॉकेट इंजिनमध्ये ऑक्सिडायझर म्हणून काम करते.
• सांडपाणी प्रक्रिया (Wastewater Treatment): सांडपाणी शुद्धीकरणामध्ये एरोबिक जैविक प्रक्रिया वाढवण्यासाठी वापरले जाते.

जैविक महत्त्व

• श्वसन (Respiration): बहुतेक सजीवांमध्ये एरोबिक श्वसनासाठी आवश्यक आहे, जिथे ते इलेक्ट्रॉन ट्रान्सपोर्ट साखळीतील अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकारणारा म्हणून कार्य करते आणि ऊर्जा (ATP) सोडते. C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ऊर्जा
• प्रकाशसंश्लेषण (उप-उत्पादन): ऑक्सिजन वनस्पती आणि शैवालद्वारे प्रकाशसंश्लेषणाचे उप-उत्पादन म्हणून वातावरणात सोडले जाते. 6CO₂ + 6H₂O --(प्रकाश ऊर्जा)--> C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• ओझोन थर (Ozone Layer): स्ट्रॅटोस्फेरिक ओझोन (O₃) सूर्यापासून येणाऱ्या हानिकारक अतिनील (UV) किरणांना शोषून घेतो, ज्यामुळे पृथ्वीवरील जीवसृष्टीचे संरक्षण होते.
• अपघटन (Decomposition): सेंद्रिय पदार्थांच्या अपघटनामध्ये सामील असते, ज्यामुळे पोषक द्रव्ये परिसंस्थेत परत येतात.