Oxygen (O₂) là gì? Toàn tập về Tính chất, Điều chế & Ứng dụng

Tác giả: TS. Trần Bảo Minh, Chuyên gia Hóa học ứng dụng tại Hóa Chất Doanh Tín Được thẩm định và cập nhật lần cuối: 15/08/2025

Oxygen (O₂), nguyên tố thứ 8 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, là nền tảng của sự sống và là tác nhân chính trong vô số quá trình công nghiệp. Không chỉ chiếm 20,9% thể tích khí quyển, Oxygen còn là nguyên tố dồi dào nhất trong vỏ Trái Đất (khoảng 45% khối lượng) và chiếm tới 89% khối lượng nước trên hành tinh.

Với vai trò không thể thay thế, việc hiểu rõ về Oxygen là kiến thức nền tảng cho bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực khoa học, y tế và sản xuất. Hãy cùng các chuyên gia của Hóa Chất Doanh Tín khám phá sâu hơn về nguyên tố quan trọng này.

1. Tổng quan về nguyên tố Oxygen (O)

Oxygen (ký hiệu: O, số hiệu nguyên tử: 8) là một nguyên tố phi kim thuộc nhóm 16 (nhóm Chalcogen). Cấu hình electron với 6 electron ở lớp ngoài cùng giúp nó có độ âm điện cao (3.44 theo thang Pauling), chỉ đứng sau Fluor. Chính đặc tính này khiến Oxygen trở thành một chất oxy hóa cực kỳ mạnh, dễ dàng phản ứng với hầu hết các nguyên tố khác.

2. Các Dạng Thù Hình Phổ Biến: O₂ và O₃ (Ozone)

Trong tự nhiên, Oxygen tồn tại chủ yếu dưới hai dạng thù hình chính:

• Dioxygen (): Là dạng phổ biến nhất, chúng ta thường gọi là chất khí oxygen. Phân tử này bao gồm hai nguyên tử Oxygen liên kết với nhau bằng một liên kết cộng hóa trị bền vững. Đây là khí cần thiết cho quá trình hô hấp của hầu hết sinh vật.
• Trioxygen ( – Ozone): Bao gồm ba nguyên tử Oxygen. Ozone là một chất khí có mùi hắc đặc trưng, có tính oxy hóa mạnh hơn rất nhiều. Ở tầng bình lưu, tầng ozone đóng vai trò như một tấm lá chắn, hấp thụ phần lớn tia cực tím (UV) có hại từ Mặt Trời.

3. Tính Chất Vật Lý Nổi Bật của Oxygen

Ở điều kiện tiêu chuẩn, Oxygen () là một chất khí không màu, không mùi, không vị và nặng hơn không khí một chút.

• Hóa lỏng và hóa rắn: Oxygen hóa lỏng ở nhiệt độ (90.2 K), tạo thành một chất lỏng màu xanh nhạt. Nó đông đặc ở (54.36 K).
• Độ tan trong nước: Oxygen có độ tan ít trong nước (khoảng 30 cm³ trong 1 lít nước ở ), nhưng độ tan này là đủ để duy trì sự sống cho các sinh vật dưới nước.
• Tính thuận từ: Một đặc tính thú vị là oxygen lỏng có tính thuận từ (paramagnetic), tức là nó bị hút bởi nam châm. Điều này là do sự có mặt của hai electron độc thân trong cấu trúc phân tử của nó.

4. Tính Chất Hóa Học: Tác Nhân Oxy Hóa Hàng Đầu

Với độ âm điện cao, Oxygen là một chất oxy hóa mạnh, tham gia vào nhiều loại phản ứng hóa học, hầu hết là các phản ứng tỏa nhiệt.

Tác dụng với Hầu hết Kim loại (Sự Oxy hóa)

Oxygen phản ứng với hầu hết kim loại (trừ Au, Pt) để tạo thành oxit. Phản ứng kinh điển nhất là sự gỉ sét của sắt:

Tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và nồng độ oxygen, các oxit khác như hay cũng có thể được hình thành.

Tác dụng với Phi kim

Khi được cung cấp năng lượng hoạt hóa ban đầu, Oxygen phản ứng mãnh liệt với nhiều phi kim:

• Với Carbon (sự cháy của than):
• Với Lưu huỳnh: (Khí sunfurơ)

Vai trò trong Phản ứng Cháy

Oxygen là một trong ba yếu tố của tam giác lửa (nhiên liệu – nhiệt – oxygen). Nó không tự cháy nhưng là chất duy trì sự cháy. Hầu hết các phản ứng cháy hữu cơ đều cần oxygen:

5. Phương Pháp Điều Chế Oxygen

5.1. Trong Phòng Thí Nghiệm

Để điều chế một lượng nhỏ tinh khiết, người ta thường nhiệt phân các hợp chất giàu oxygen:

• Nhiệt phân Kali Permanganat (): 

     

   Ghi chú: Để thực hiện thí nghiệm này, bạn có thể tham khảo sản phẩm Kali Permanganat (Thuốc tím) tinh khiết đạt chuẩn phòng thí nghiệm do Hóa Chất Doanh Tín cung cấp.

• Nhiệt phân Kali Clorat (KClO₃) với xúc tác : 

     

5.2. Trong Công Nghiệp

Sản xuất oxygen quy mô lớn chủ yếu dựa vào việc tách nó ra từ không khí.

• Chưng cất phân đoạn không khí lỏng: Đây là phương pháp phổ biến nhất. Không khí được làm sạch, nén và làm lạnh đến trạng thái lỏng. Do nitơ có nhiệt độ sôi thấp hơn () so với oxygen (), nitơ sẽ bay hơi trước, để lại oxy già công nghiệp gần như nguyên chất.
• Hấp phụ áp suất đảo (PSA – Pressure Swing Adsorption): Không khí được nén qua một hệ thống lọc chứa các hạt than hoạt tính hoặc zeolit có khả năng “bắt giữ” phân tử nitơ, trong khi cho phép phân tử oxygen đi qua.

6. Ứng Dụng Sống Còn của Oxygen trong Đời Sống và Sản Xuất

• Sinh học & Y tế:
  • Hô hấp tế bào: Là quá trình cơ bản tạo ra năng lượng (ATP) cho mọi hoạt động của cơ thể.

       

  • Liệu pháp oxy: Cung cấp oxy nồng độ cao cho bệnh nhân suy hô hấp, viêm phổi, hoặc trong các ca phẫu thuật.
• Công nghiệp:
  • Luyện kim: Oxygen được thổi vào lò luyện thép để loại bỏ tạp chất carbon và các tạp chất khác, nâng cao chất lượng thép.
  • Hàn cắt kim loại (Đèn xì Oxy-Axetylen): Phản ứng cháy của axetilen trong oxygen tinh khiết tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ lên tới .
  • Công nghiệp hóa chất: Dùng để sản xuất axit nitric, ethylene oxide và nhiều hóa chất quan trọng khác.
  • Xử lý nước thải: Sục khí oxygen vào bể xử lý để thúc đẩy vi sinh vật hiếu khí phân hủy chất thải hữu cơ, thường kết hợp với hóa chất xử lý nước như PAC.

7. Câu Hỏi Thường Gặp về Oxygen (FAQ)

1. Oxygen có độc không? Ở áp suất thường, không độc. Tuy nhiên, hít thở oxygen tinh khiết ở áp suất cao trong thời gian dài có thể gây ngộ độc, làm tổn thương phổi và hệ thần kinh trung ương. Tìm hiểu thêm về tác hại của hóa chất là rất quan trọng.

2. Sự khác biệt chính giữa O₂ và O₃ (Ozone) là gì?  cần thiết cho sự sống, tương đối bền và ít phản ứng. Ngược lại, là một chất oxy hóa cực mạnh, không ổn định và có hại cho hệ hô hấp ở nồng độ cao, nhưng lại có vai trò bảo vệ ở tầng bình lưu.

3. Tại sao oxy lỏng có màu xanh nhạt? Màu xanh của oxygen lỏng là do sự hấp thụ ánh sáng trong vùng quang phổ màu đỏ bởi các tương tác phức tạp giữa các phân tử ở trạng thái lỏng.

Kết luận

Từ việc duy trì ngọn lửa sự sống trong từng tế bào đến việc tạo ra những loại thép vững chắc nhất, Oxygen () đã chứng tỏ vai trò không thể thiếu của mình. Hiểu biết sâu sắc về nguyên tố này không chỉ là nền tảng của hóa học mà còn là chìa khóa cho nhiều tiến bộ trong y học và công nghệ.

Nếu bạn có nhu cầu về oxy già công nghiệp, các loại hóa chất tinh khiết hay thiết bị phòng thí nghiệm, hãy liên hệ với đội ngũ chuyên gia của Hóa Chất Doanh Tín để được tư vấn chi tiết và chuyên nghiệp.

Nguồn tham khảo:

1. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Periodic Table of the Elements.
2. Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann.