Tlen singletowy

Tlen singletowy – forma tlenu cząsteczkowego (O2) na najniższym stanie wzbudzonym.

Tlen cząsteczkowy może występować w dwóch formach: singletowej i trypletowej. Forma singletowa, czyli forma bez niesparowanych elektronów, nie jest w przypadku tlenu O2 formą podstawową, lecz wzbudzoną, o wyższej energii, zaś stanem podstawowym jest forma trypletowa (dwurodnik[1]). Jest to układ odwrotny niż dla większości cząsteczek chemicznych.

Forma singletowa O::O lub O=O oznacza symbolicznie jako 1O2

Każda kropka oznacza jeden elektron, kreska – dwa elektrony tworzące wiązanie. Sparowane elektrony niewiążące zostały pominięte.

Tlen singletowy może istnieć w dwóch stanach energetycznych, o odmiennym rozkładzie elektronów na orbitach molekularnych[2]:

  1. 1ΔgO2 – dwa sparowane elektrony na jednym orbitalu π*2p
  2. 1Σg+O2 – po jednym elektronie na każdym z orbitali π*2p; elektrony mają przeciwne spiny

Tlen singletowy nadmiarową energię wewnętrzną może uwolnić podczas reakcji utleniania lub na emisję promieniowania podczerwonego o długości fali ~1270 nm. Przy dużym stężeniu tlenu singletowego widoczna może być emisja czerwonego światła (λ = 634 nm) zachodząca podczas zderzenia dwóch cząsteczek 1O2.

Reakcjom chemicznym z udziałem tlenu singletowego towarzyszy często emisja światła widzialnego (chemiluminescencja), np. niebieskiego podczas utleniania luminolu[3].

Diagramy energetyczne orbitali molekularnych dla trzech konfiguracji elektronowych tlenu cząsteczkowego. Od lewej: trypletowy stan podstawowy 3Σg−; tlen singletowy w stanie wzbudzonym 1Δg; tlen singletowy w stanie wzbudzonym 1Σg+. Stany te różnią się jedynie spinem elektronów i obsadzeniem dwóch zdegenerowanych orbitali antywiążących π*. Różnica energii stanów 3Σg− i 1Δg wynosi 94,3 kJ/mol, a 158 kJ/mol dla 3Σg− i 1Σg+[3].

Otrzymywanie

Emisja czerwonego światła przez tlen singletowy powstający w reakcji Ca(ClO)2 + H2O2

Forma singletowa tlenu powstaje podczas naświetlania światłem UV tlenu w stanie podstawowym w obecności barwnika uczulającego, a także w wyniku niektórych reakcji chemicznych, np. H2O2 z NaClO:

ClO− + H2O2 → 1O2 + H+ + Cl− + OH−

Czas życia tej formy tlenu wynosi w stanie gazowym do kilkudziesięciu minut[3].

Reakcje

Askaridol, produkt addycji tlenu singletowego do α-terpinenu

Wysoka reaktywność tlenu singletowego wykorzystywana jest w szeregu reakcji chemicznych w chemii organicznej, zwłaszcza ze związkami nienasyconymi. Pierwszym etapem takich reakcji jest zwykle wytworzenie wodoronadtlenku allilowego R2C=C(R)-O-O-H lub mostka nadtlenkowego R-O-O-R. Związki te często ulegają reakcjom następczym np. jednoczesnego pęknięcia wiązania O-O i C-C z wytworzenia dwóch grup karbonylowych[3].

Zobacz też

  • Term molekularny

Przypisy

  1. ↑ Diradicals, [w:] A.D. McNaught, A. Wilkinson, Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), S.J. Chalk (akt.), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI: 10.1351/goldbook.D01765, ISBN 0-9678550-9-8 (ang.).
  2. ↑ 1.2 Co to są reaktywne formy tlenu?. W: Grzegorz Bartosz: Druga twarz tlenu. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 19, seria: Środowisko. ISBN 978-83-01-13847-9.
  3. ↑ a b c d Michael Laing. The three forms of molecular oxygen. „J. Chem. Educ.”. 66 (6), s. 453-455, 1989. DOI: 10.1021/ed066p453. 

Media użyte na tej stronie

Świecenie tlenu singletowego.JPG
Autor: Antek123, Licencja: CC BY 3.0
Tlen we wzbudzonym stanie singletowym świeci na czerwono. Ten efekt został otrzymany przez wrzucenie pastylki podchlorynu wapnia - Ca(ClO)2 (w tym przypadku był to środek do odkażania basenu) do silnie schłodzonego 30%-owego roztworu nadtlenku wodoru. Reakcja zachodzi według równania : ClO− + H2O2 → 1O2 + H+ + Cl− + OH−. Po kilku sekundach roztwór ogrzewa się (ponieważ reakcja jest egzotermiczna) i przestaje świecić.
Ascaridol2.png
Chemical structure of ascaridole (C10H16O2), created with bkchem+inkscape
Molekülorbital-Sauerstoff.png
Autor: orci, Licencja: CC-BY-SA-3.0
MO-Schema O2