Chemia pięknaTekst

0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

2.11. Elektroliza

Jeżeli do roztworu elektrolitu wprowadzimy dwie elektrody: ujemnie naładowaną katodę i dodatnio naładowaną anodę, to znajdujące się w roztworze dodatnio naładowane kationy będą przemieszczać się w kierunku katody, natomiast ujemnie naładowane aniony w kierunku anody. Jeżeli elektrody znajdują się w roztworze HCl, zachodzą dwie reakcje (rys. 2.26):

katoda (−): 2H+ + 2e → H2 anoda (+): 2Cl → Cl2 + 2e

Rys. 2.26. Elektroliza wodnego roztworu HCl

Jony rozładowane przekształcają się na elektrodach w cząsteczkowy wodór i chlor, które ulatniają się z układu. Ponieważ elektrody podłączone są do źródła napięcia, powyższy proces zwany elektrolizą zachodzi aż do wyczerpania się reagentów (jonów). W przypadku elektrolizy soli mogą dodatkowo zachodzić reakcje chemiczne, związane z wydzielanym na katodzie metalem. Na przykład elektroliza roztworu NaCl prowadzi do reakcji:


katoda (−): 4Na+ + 4e → 4Na
4Na + 4H2O → 4NaOH + 2H2
anoda (+): 4OH → O2 + 2H2O + 4e

Na katodzie wydziela się wodór z jednoczesnym wytworzeniem zasady sodowej NaOH, natomiast na anodzie wydziela się tlen. Powyższa reakcja ma duże znaczenie w zabiegu kosmetycznym elektrolitycznej depilacji. Wprowadzenie do mieszka włosowego mikroelektrody i przepuszczenie prądu stałego powoduje elektrolizę płynu tkankowego, który zawiera m.in. NaCl. Powstająca w wyniku reakcji zasada sodowa (wodorotlenek sodu) NaOH jest niezwykle żrącą i toksyczną dla komórek wzrostowych włosa substancją. Ulegają one destrukcji, a włosy trwałej depilacji.

W przypadku gdy wydzielany na katodzie metal nie reaguje z wodą, pokrywa on elektrodę. Jeżeli rolę katody odgrywa metalowy przedmiot, to może on zostać pokryty cienką warstwą metalu, którego jony znajdują się w roztworze. Jest to podstawa galwanotechniki, stosowanej do niklowania lub chromowania powierzchni metali. Metodę tę można również zastosować do otrzymania chemicznie czystej miedzi, pozbawionej domieszkowych metali. W tym celu do roztworu siarczanu(VI) miedzi CuSO4 w kwasie siarkowym(VI) H2SO4 wprowadzamy katodę z czystej miedzi i anodę z miedzi zanieczyszczonej. Zachodzą wówczas reakcje:


katoda (−): Cu2+ + 2e → Cu
anoda (+): Cu → Cu2+ + 2e

Zanieczyszczenia zawarte w miedzi opadają w formie szlamu na dno wanny elektrolitycznej lub przechodzą do roztworu, natomiast czysta miedź wydziela się na elektrodzie.

Rys. 2.27. Ogniwo Volty

2.11.1. Ogniwa galwaniczne

Ogniwa galwaniczne są źródłem siły elektromotorycznej, wykorzystywanej jako źródło prądu stałego. Najstarszym ogniwem jest ogniwo Volty, odkryte w roku 1800. Volta zauważył, że zanurzenie w roztworze elektrolitu elektrod miedzianej Cu i cynkowej Zn powoduje powstanie różnicy potencjałów pomiędzy elektrodami, czyli siły elektromotorycznej. Elektroda Zn ładuje się ujemnie, natomiast Cu dodatnio (rys. 2.27). Zanurzenie w elektrolicie jednakowych elektrod, np. Cu–Cu lub Zn–Zn, tego efektu nie daje. Ogniwo Volty można zapisać schematem Zn|H2SO4|Cu. Po połączeniu elektrod zewnętrznym odbiornikiem prądu zachodzą w nim następujące reakcje:


Elektroda Zn zyskuje potencjał ujemny wskutek jonizacji cynku, natomiast elektroda Cu — dodatni, wskutek pochłaniania elektronów przez kationy wodorowe H+. Różnica potencjałów początkowo wynosi 1 V, a następnie zmniejsza się prawie do zera. Zjawisko to nosi nazwę polaryzacji ogniwa i prowadzi do powstania przeciwnie skierowanej siły elektromotorycznej, co utrudnia praktyczne zastosowania ogniwa Volty.

Pojawia się pytanie: co jest przyczyną powstania różnicy potencjałów pomiędzy elektrodami Zn i Cu? Odpowiedź: inna charakterystyka elektrochemiczna miedzi i cynku, objawiająca się zróżnicowaną tendencją do przechodzenia metalu obojętnego w postać jonową. Jeżeli zanurzymy elektrodę cynkową w roztworze siarczanu(VI) cynku ZnSO4, to atomy Zn z elektrody przejdą do roztworu w postaci kationów Zn2+, pozostawiając elektrony na elektrodzie. Wykazano, że elektroda cynkowa naładuje się ujemnie. Natomiast elektroda miedziana, zanurzona w roztworze siarczanu(VI) miedzi CuSO4, ładuje się do bardziej dodatniego potencjału. Potencjały elektrod zostały wyznaczone w standardowych warunkach, np. cynk charakteryzuje się potencjałem elektrodowym −0,76 V, a miedź +0,34 V. Stwierdzono, że metale o bardziej ujemnym potencjale mają większą tendencję do jonizacji. Ponadto wypierają one z roztworu metale o potencjale wyższym. Wszystkie metale można zatem sklasyfikować w oparciu o tę właściwość. Prowadzi to do szeregu napięciowego lub szeregu elektrochemicznego pierwiastków.

Rys. 2.28. Ogniwo Daniella

Jeżeli elektrody Zn i Cu o różnych potencjałach połączymy drutem, to popłynie przezeń prąd pod wpływem siły elektromotorycznej, równej różnicy potencjałów obu elektrod. W przypadku elektrod Zn i Cu różnica potencjałów wynosi +0,34 − (−0,76) = 1,1 V. Opisywany układ Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu nosi nazwę ogniwa Daniella (rys. 2.28). Ma ono tę przewagę nad ogniwem Volty, że na elektrodach nie wydziela się gaz i nie ulegają one przemianom chemicznym. W konsekwencji siła elektromotoryczna ogniwa Daniella pozostaje stała — mówimy, że elektrody się nie polaryzują. W ogniwie Daniella na katodzie i anodzie zachodzą następujące reakcje:


elektroda ujemna: Zn → Zn2+ + 2e
elektroda dodatnia: Cu 2+ + 2e → Cu

Spośród innych ogniw warto wymienić: ogniwo Leclanchégo Zn|NH4Cl||MnO2 + C|C o napięciu 1,2 V, ogniwo Westona Cd + Hg|CdSO4||Hg2SO4|Hg o napięciu 1,018 V, czy też akumulator ołowiowy pracujący w układzie Pb|H2SO4|PbO2 o potencjale od 2,0 do 2,1 V.

2.11.2. Elektrolityczna epilacja

Elektrolityczna epilacja jest to metoda trwałego usuwania owłosienia za pomocą prądu i igły (mikroelektrody) wykonanej z materiału przewodzącego prąd, np. stali szlachetnej lub złota. W zależności od rodzaju stosowanego prądu (stały, zmienny) dzieli się na elektrolizę i termolizę. Elektroliza jest metodą, w której stosuje się prąd stały (galwaniczny). Igłą epilacyjną jest katoda. W wyniku elektrolizy płynu komórkowego, w którego skład wchodzi m.in. chlorek sodu NaCl, wytwarzany jest bardzo silnie żrący wodorotlenek sodu NaOH, który niszczy komórki zarodkowe włosa. W termolizie wykorzystuje się prąd zmienny o wysokiej częstości (prąd diatermiczny). Ciepło powstające w wyniku działania prądu prowadzi do ścięcia się białka, a w konsekwencji zniszczenia komórek tkankowych i wzrostowych włosa. Jest to proces zwany koagulacją. Epilacja metodą „blend” jest połączeniem elektrolizy i termolizy. Podczas zabiegu wykorzystuje się zarówno prąd galwaniczny, jak i prąd o wysokiej częstości. Dzięki temu metoda jest bardziej skuteczna, gdyż łączy w sobie zalety elektrolizy i termolizy. Nazwa metody pochodzi od angielskiego blend — mieszać. Teleangiektazje, czyli pęknięte naczynka krwionośne, możemy również zamykać przy użyciu elektrolizy. Elektrodę igłową wprowadza się w skórę do pękniętego naczynka, a następnie przepuszcza prąd, który powoduje zamknięcie („zaspawanie”) miejsca pęknięcia. W zabiegu stosujemy inny rodzaj igły niż w przypadku elektrolitycznej epilacji. Igła epilacyjna ma specjalnie profilowaną końcówkę[9], która jest na tyle ostra, by swobodnie penetrować mieszek włosowy i na tyle tępa, by go nie przebić. W przypadku zabiegu usuwania teleangiektazji końcówka igły jest wyostrzona, co umożliwia łatwe przebicie skóry i dotarcie do pękniętego naczynka. Igła wykonana jest z materiału przewodzącego prąd, np. ze stali chromowo-niklowej lub stali złoconej10W ofercie elektrod igłowych Ballet znajdują się też igły pokryte specjalnym materiałem izolującym całą powierzchnię igły z wyjątkiem jej końca. Są one przeznaczone dla osób odczuwających dyskomfort związany z przepływem prądu przez tkankę. Igły Ballet mają różne średnice ostrza (numerowane od 2 do 6), w zależności od grubości epilowanego włosa.. Nazywana jest również sondą epilacyjną, a cały zabieg epilacją sondową. W zabiegu elektrolitycznej epilacji elektrodę bierną podłącza się do anody w okolicy barkowej, czynną zaś do katody. Igłę wkłuwa się równolegle do wzrostu włosa na głębokość do 3 mm (do wyczuwalnego lekkiego oporu), a następnie włącza dopływ prądu o natężeniu 0,5–1,5 mA na 3–10 sekund. Po wyłączeniu prądu włos wyjmuje się pęsetą. Jeśli cebulka włosa została zniszczona, to włos wychodzi bez żadnego oporu. Zabieg można powtarzać co kilka dni; po zabiegu mogą wystąpić niewielkie odrosty (do 20%), ale zawsze są one cieńsze, krótsze i jaśniejsze od poprzednich. Po zabiegu skórę należy zdezynfekować. Odczyn zapalny może utrzymywać się do kilku dni.

 

Literatura

1. P. W. Atkins, Podstawy chemii fizycznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.

2. G. M. Barrow, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1978.

3. A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.

4. R. Brdička, Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa 1970.

5. N. Bellen, A. Gutorska, Poradnik laboranta chemika, WNT, Warszawa 1970.

6. J. Chodkiewicz, Mały słownik chemiczny, WP, Warszawa 1976.

7. C. A. Coulson, Wiązania chemiczne, PWN, Warszawa 1963.

8. L. Jones, P. Atkins, Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2004.

9. W. Kołos, Elementy chemii kwantowej sposobem niematematycznym wyłożone, PWN, Warszawa 1984.

10. M. Molski, W. Stryła, Fizyka piękna, Poznań 2007.

11. L. Pajdowski, Chemia ogólna, PWN, Warszawa 1978.

12. K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, wyd. 5 zmienione i poprawione, t. 1 i 2, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.

13. J. Rudolph, Chemia popularna, WP, Warszawa 1977.

14. L. Sobczyk, A. Kisza, Chemia fizyczna dla przyrodników, PWN, Warszawa 1975.

15. A. G. Whittaker, A. R. Mount, M. R. Heal, Chemia fizyczna. Krótkie wykłady, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

Internet

1. http://wiem.onet.pl — internetowa encyklopedia multimedialna; zawiera definicje podstawowych pojęć chemicznych.

2. http://chemia.panoramix.net.pl — prezentuje układ okresowy pierwiastków oraz ich charakterystykę fizykochemiczną.

3. http://orbitals.com — graficzna prezentacja orbitali atomowych i molekularnych.

3. Kosmetyczna chemia nieorganiczna
3.1. Nomenklatura substancji nieorganicznych

Nomenklatura substancji nieorganicznych podlega regułom ustalonym przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC, ang. Union of Pure and Applied Chemistry).

Nomenklatura związków metalu i niemetalu:

 nazwy zwi ązków tworzymy z nazw obu pierwiastków;

 jako pierwszą wymieniamy nazwę pierwiastka o większej elektroujemności, dodając końcówkę -ek albo -ik;

 w drugiej kolejności podajemy nazwę pierwiastka (metalu) o mniejszej elektroujemności;

 w trzeciej — stopień utlenienia metalu, który zapisujemy cyfrą rzymską w nawiasie;

 jeżeli istnieje tylko jeden związek pierwiastków, to nie podaje się stopnia utlenienia metalu.

Przykłady: MnO2 — tlenek manganu(IV), CuCl2 — chlorek miedzi(II), NaCl — chlorek sodu, Al2O3 — tlenek glinu.

Nomenklatura związków dwóch niemetali: reguły jak wyżej, lecz w nazwie pojawia się grecki liczebnik (mono, di, tri, tetra, penta, heksa, hepta), określający liczbę atomów pierwiastka o większej i mniejszej elektroujemności.

Przykład: N2O5 — pentatlenek diazotu.

Nomenklatura kwasów:

 nazwy tworzymy ze słowa „kwas” oraz

 nazwy atomu centralnego (kwasy tlenowe) lub substancji wyjściowej (kwasy beztlenowe), z której kwas jest utworzony;

 do nazwy atomu centralnego dodajemy końcówkę -owy;

 podajemy stopień utlenienia atomu centralnego (cyframi rzymskimi, w nawiasie);

 jeżeli atom występuje tylko na jednym stopniu utlenienia, to informacji tej się nie podaje.

Przykłady: HCl — kwas chlorowodorowy, H2S — kwas siarkowodorowy, HCN — kwas cyjanowodorowy, HNO3 — kwas azotowy(V), HNO2 — kwas azotowy(III), H2SO4 — kwas siarkowy(VI), H2SO3 — kwas siarkowy(IV), H2CO3 — kwas węglowy.

Nomenklatura wodorotlenków:

 nazwy tworzymy ze słowa „wodorotlenek” oraz

 nazwy kationu (metalu lub amonu);

 za pomocą cyfry rzymskiej podajemy stopień utlenienia kationu metalu (w nawiasie);

 jeżeli kation metalu występuje tylko na jednym stopniu utlenienia, to tej informacji się nie podaje.

Przykłady: Fe(OH)2 — wodorotlenek żelaza(II), Fe(OH)3 — wodorotlenek żelaza(III), Ca(OH)2 — wodorotlenek wapnia, NaOH — wodorotlenek sodu.

Nomenklatura soli:

 nazwy tworzymy z nazw anionu i kationu (metalu lub amonu);

 stopni utlenienia kationu i anionu, podanych cyframi rzymskimi w nawiasie;

 jeżeli kation i (lub) anion występują tylko na jednym stopniu utlenienia, to tej informacji się nie podaje;

 w przypadku soli kwasów beztlenowych w nazwie anionu występuje końcówka -ek;

 w przypadku soli kwasów tlenowych w nazwie anionu występuje końcówka -an.

Przykłady: FeCl2 — chlorek żelaza(II), FeCl3 — chlorek żelaza(III), KBr — bromek potasu, Na2SO3 — siarczan(IV) sodu, FeSO4 — siarczan(VI) żelaza(II), Fe2(SO4)3 — siarczan(VI) żelaza(III), KClO4 — chloran(VII) potasu.

Nomenklatura wodorosoli: do nazw soli dodajemy przedrostek wodoro.

Przykłady: NaHSO3 — wodorosiarczan(IV) sodu, NaHSO4 — wodorosiarczan(VI) sodu, NaHCO3 — wodorowęglan sodu.

3.2. Pierwiastki w kosmetyce

Pierwiastki chemiczne o znaczeniu kosmetycznym można podzielić na trzy grupy:

Makroelementy potrzebne są organizmowi w dużych masowych lub objętościowych ilościach; uczestniczą w procesach metabolicznych (O), pełnią funkcję budulca kości, włosów, zębów, mięśni (C, Ca, P) i komponenta: enzymów, białek, krwi i innych płynów ustrojowych (Cl, K, Na, S). Występują w pożywieniu, wodzie i powietrzu (O). Zaliczamy do nich: chlor Cl, fosfor P, krzem Si, potas K, siarkę S, sód Na, tlen O, wapń Ca, węgiel C.

Mikroelementy potrzebne są organizmowi w ilościach śladowych (mili- lub mikrogramowych). Pełnią funkcję katalizatora lub regulatora w procesach przemiany materii oraz komponenta witamin (Co) i płynów ustrojowych (Fe). Zaliczamy do nich: bor B, bizmut Bi, cynę Sn, cynk Zn, fluor F, jod I, kobalt Co, magnez Mg, mangan Mn, miedź Cu, molibden Mo, selen Se, wanad V, żelazo Fe.

Pierwiastki inne znalazły zastosowanie w kosmetyce jako substancje barwne (Al, Au), dezynfekujące (Ag) i przeciwstarzeniowe (Au). Podobne zastosowanie mają niektóre z makro- i mikroelementów. Na przykład jako substancje barwne stosowane są węgiel i miedź, dezynfekujące — chlor, jod, tlen, przeciwstarzeniowe — krzem. Ponadto właściwości lecznicze wykazują fluor, jod i siarka, natomiast cynk i selen mają zastosowanie jako immunostymulatory kosmetyczne. Poza pożywieniem makro- i mikroelementy dostarczamy do organizmu w formie paraleków, kosmeceutyków lub preparatów kosmetycznych (okładów, maseczek, kremów).

3.2.1. Makroelementy

Chlor (Cl) występuje w postaci cząsteczkowej Cl2. Jest to żółtozielony gaz o duszącej woni, rozpuszczalny w wodzie, o temperaturze topnienia (t.t.) −103°C i temperaturze wrzenia (t.w.) −34,6°C. Chlor jest trujący — działa drażniąco i dusząco na drogi oddechowe. W przyrodzie występuje w formie soli kamiennej, morskiej, oceanicznej oraz minerałów: sylwinu, karnalitu. W organizmie człowieka (70 kg) znajduje się ok. 95 g Cl, głównie w płynie mózgowo-rdzeniowym, krwi, mięśniach. Uczestniczy m.in. w procesie przekazywania bodźców nerwowych i ruchach mięśni, w gospodarce wodnej i transporcie CO2. Anion Cl wraz z kationami Na+ i K+ utrzymuje prawidłowe ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych oraz reguluje gospodarkę kwasowo-zasadową. Dawka dzienna [1] Cl dla dzieci 1–10 lat 0,5–2,5 g, 11–18 lat 1,5–4,5 g; dla dorosłych 1,8–5,1 g; doza terapeutyczna 2–20 g. W kosmetyce związki chloru (chloramina, woda chlorowa) stosowane są do dezynfekcji.

Fosfor (P), niemetal, występuje w przyrodzie w postaci minerałów: apatytu, fosforytu, wiwianitu. Znamy szereg odmian alotropowych fosforu, m.in.:

 Fosfor biały krystalizuje w układzie regularnym, otrzymywany jest przez kondensację par pierwiastka; gęstość 1,824 g/cm3, t.t. 44,1°C. Wrząc, przechodzi w parę, która składa się z cząsteczek tetrafosforu P4, w wysokich temp. dysocjujących na P2. Fosfor biały jest bardzo reaktywny — ulega zapaleniu pod wpływem tlenu z powietrza. Wykazuje chemiluminescencję (emisję światła pod wpływem reakcji chemicznej). Rozpuszcza się w disiarczku węgla, benzenie, eterze dietylowyn, ciekłym amoniaku; nie rozpuszcza się w wodzie. Jest silnie toksyczny — dawka śmiertelna wynosi ok. 0,1 g.

 Fosfor czerwony (bezpostaciowy), gęstość 2,16 g/cm3, t.t. ok. 600°C. Otrzymywany jest z fosforu białego przez ogrzewanie bez dostępu powietrza w obecności jodu jako katalizatora.

 Fosfor fioletowy krystalizuje w układzie jednoskośnym; t.t. 593°C, gęstość 2,34 g/cm3.

 Fosfor czarny (metaliczny) krystalizuje w układzie rombowym, jest półprzewodnikiem. Powstaje podczas ogrzewania fosforu białego pod wysokim ciśnieniem, t.t. 587,5°C, gęstość 2,7 g/cm3. Jest niepalny i bierny chemicznie.

Fosfor jest składnikiem m.in. kwasów nukleinowych, fosforanów adenozyny, koenzymów, fosfolipidów, fosfoaminolipidów. Występuje w kościach, zębach (80%), mięśniach, tkance nerwowej i płynach ustrojowych. W organizmie człowieka (70 kg) znajduje się ok. 780 g P. Niedobór P powoduje upośledzenie mineralizacji kości. Źródłem P są produkty spożywcze zarówno zwierzęce jak i roślinne, np. orzech włoski zawiera 930 mg P w 100 g produktu, orzech laskowy — 810 mg, migdały — 800 mg. Przybliżone dzienne zapotrzebowanie na P wyraża się stosunkiem Ca do P: dla ludzi dorosłych wynosi 1:1; dla dzieci i młodzieży 2:1. Dawka dzienna P dla dzieci: 1–10 lat 0,8 g, 11–18 lat 1,2 g; dla dorosłych 0,8 g; doza terapeutyczna 0,5–2 g.

Krzem (Si) szare, kruche i twarde ciało stałe, o t.t. 1420°C i t.w. 2600°C. Występuje w skorupie ziemskiej (26,95%) w formie piasku, kwarcytu, krzemianów, glinokrzemianów i chalcedonu. Budulec włosów, paznokci i kości; nadaje sprężystość i elastyczność naskórkowi i skórze właściwej. W kosmetyce stosowany wewnętrznie, w postaci biokrzemu lub rozpuszczalnej krzemionki (mieszaniny kwasów ortokrzemowego i metakrzemowego). Stosowany zewnętrznie w postaci pudrów i zasypek zawierających minerały talk, kaolin i bentonit. Krzem przeciwdziała wiotczeniu skóry, przyspiesza proces gojenia, zmniejsza przepuszczalność naczyń włosowatych. Niedobór Si prowadzi do starzenia się skóry, wypadania włosów, próchnicy, paradontozy, krwotoków. Krzem stanowi 0,01% masy naszego ciała, jego największe stężenie obserwuje się w grasicy, nadnerczach i przysadce mózgowej. Dawka dzienna Si: 20–50 mg; doza terapeutyczna 10–300 mg. Zawartość Si w organizmie maleje z wiekiem, dlatego uzupełnienie (suplementacja) Si jest jednym z ważniejszych działań leczniczo-kosmetycznych w przypadku osób starszych. W tym zakresie największe znaczenie ma biokrzem.

 

Biokrzem jest to łatwo przyswajalny krzem występujący w postaci biokompleksów i związków krzemoorganicznych w skrzypie polnym, rdeście ptasim, perzu, poziewniku, pokrzywie, podbiale pospolitym, słomie owsianej i glonach. Wewnętrznie można dostarczać Si w formie herbaty ziołowej, składającej się z 50 g skrzypu, 50 g poziewnika, 50 g pokrzywy oraz 100 g rdestu ptasiego. Należy stosować 1 łyżkę ziół na 2 szklanki wody i gotować, aż jedna szklanka wody wyparuje (krzemionka jest trudno rozpuszczalna w wodzie). Zewnętrznie stosuje się napar z 2–3 łyżek ziół do przemywania ciała.

Tlen (O) występuje w formach alotropowych, jako tlen atomowy O (nietrwały), tlen cząsteczkowy O2 oraz ozon O3. Trwała jest forma cząsteczkowa O2. Jest to bezbarwny, bezwonny i bez smaku gaz rozpuszczalny w wodzie (31 mL w 1 L w temp. 20°C). Forma skroplona ma t.w. −182,97°C; t.t. tlenu zestalonego wynosi −218,4°C. Tlen zajmuje pierwsze miejsce w składzie procentowym skorupy ziemskiej: woda zawiera 89%(mas.) tlenu, powietrze — 23,14%, atmosfera, hydrosfera i litosfera — łącznie 50%. Jest niezbędny do funkcjonowania organizmów żywych — wdychany tlen zużywany jest do „spalania” (metabolizmu) substancji pokarmowych. Człowiek zużywa około 0,5 m3 tlenu w ciągu doby, dlatego tlen zaliczamy do makroelementów potrzebnych organizmowi w dużych ilościach. W organizmie człowieka (70 kg) znajduje się ok. 45 kg tlenu w postaci wody, węglowodanów, tłuszczów, białek i kwasów nukleinowych.

W przyrodzie odbywa się obieg tlenu w cyklu zamkniętym. W procesie oddychania organizmy zwierzęce pobierają tlen z powietrza, który wykorzystywany jest do utleniania m. in. glukozy (CH2O)6 (cukru prostego — składnika pożywienia) do ditlenku węgla CO2 i pary wodnej H2O z wydzieleniem niezbędnej do życia energii:


Produkowany przez organizmy zwierzęce CO2 jest następnie asymilowany (przyswajany) w reakcji fotosyntezy przez rośliny, które wydzielają tlen O2:


W powyższej reakcji hν oznacza energię kwantu światła słonecznego, natomiast (CH2O)6 — glukozę magazynowaną w roślinach. Ten naturalny cykl został zaburzony przez nadprodukcję CO2, wytwarzanego w procesie spalania węgla, ropy naftowej i benzyny (samochody) oraz zmniejszanie się szaty roślinnej ziemi, np. wskutek zatruwania glonów (brunatnic, sinic, krasnorostów) w morzach i oceanach oraz wycinania lasów tropikalnych, określanych mianem „płuc świata”. Działania proekologiczne mają zatem na celu utrzymanie w równowadze powyższych dwóch reakcji chemicznych.

Technicznie tlen otrzymujemy przez destylację skroplonego powietrza lub przez elektrolizę wody. Laboratoryjnie wytwarzany jest przez rozkład termiczny chloranu(VII) potasu KClO4


z dodatkiem ditlenku manganu MnO2 jako katalizatora lub przez rozkład nadtlenku baru BaO2 w temp. 500°C:


Katalizator jest to substancja, która zwiększa szybkość reakcji chemicznej, a po reakcji pozostaje niezmieniona. Inhibitor jest to substancja, która zmniejsza szybkość reakcji chemicznej, a po reakcji pozostaje niezmieniona.

Tlen atomowy O jest nietrwałą, bardzo reaktywną, rodnikową formą tlenu (zawierającą niesparowane elektrony), wytwarzaną w procesie termicznego rozpadu tlenu cząsteczkowego:


Rodnikiem nazywa się atom lub grupę atomów z niesparowanymi (pojedynczo obsadzającymi orbitale atomowe lub molekularne) elektronami. Rodniki charakteryzuje wysoka reaktywność chemiczna. Formę rodnikową oznaczamy kropką przy symbolu lub wzorze chemicznym.

Reaktywne formy tlenu (O., O3) oraz rodniki (.OH, .OOH) i anionorodniki (O2.−) tlenowe są bardzo szkodliwe dla organizmów żywych, intensyfikują bowiem procesy starzenia się skóry. W szczególności niszczą cement międzykomórkowy (ceramidy), powodując transepidermalną utratę wody (TEWL). Jest to utrata wody przez skórę na skutek parowania, ubytku cementu międzykomórkowego oraz zmian strukturalnych w keratynie warstwy rogowej.

Ponadto rodniki zaburzają funkcje ochronne skóry, niszczą włókna kolagenowe i elastynowe, wpływając na zmniejszenie elastyczności skóry (tworzenie się zmarszczek). Uszkadzają zapis genetyczny w kwasach nukleinowych (działanie mutagenne) oraz powodują namnażanie komórek nowotworowych (działanie kancerogenne). Skórę można chronić przed rodnikami przez zastosowanie przeciwutleniaczy omówionych w rozdz. 5.

Tlen cząsteczkowy O2 jest to mało reaktywna (bezpieczna) forma tlenu dostarczana do organizmu w procesie oddychania. W kosmetyce praktykowane jest natlenianie skóry, powodujące efekt napiętej, świeżej skóry o zdrowym kolorycie. Podawany pod ciśnieniem tlen cząsteczkowy powoduje intensyfikację oddychania komórkowego i dobre dotlenienie naskórka. Działanie dotleniające wzmacnia kwas węglowy (roztwór CO2) — podawany na skórę zwiększa jej dokrwienie. Praktykowane jest również podawanie substancji zawierających tlen związany chemicznie, np. peroksoboranu sodu NaBO3. Cząsteczki NaBO3 transportowane są w głąb naskórka w liposomach. Zastosowanie tej techniki powoduje znaczną intensyfikację procesów biologicznych w skórze oraz zmniejszenie głębokości i ilości zmarszczek. W celu dotlenienia stosuje się również modyfikowane oleje roślinne (np. olej kukurydziany), które poddaje się wieloletniej ekspozycji słonecznej i powietrznej, prowadzącej do związania tlenu przez kwasy tłuszczowe — główny składnik oleju roślinnego. Związany tlen jest uwalniany po aplikacji w powierzchniowych warstwach skóry.

Ozon O3 jest jasnoniebieskim gazem o charakterystycznej woni wyczuwalnej w rozcieńczeniu 1:1000000, 15 razy lepiej rozpuszczalnym w wodzie niż O2. Ozon powstaje z tlenu O2 pod wpływem wyładowań elektrycznych (np. w powietrzu podczas burzy)


lub w reakcjach utleniania (np. terpentyny w lasach iglastych). Częściowa przemiana tlenu w ozon zachodzi również pod wpływem promieniowania nadfioletowego (UV) lub wysokiej temperatury. Maksymalne ilości ozonu tworzą się w temp. 1500°C i maleją ze wzrostem temperatury wskutek termodysocjacji. Termodysocjacja jest to rozpad cząsteczek na jony lub rodniki pod wpływem temperatury.

Rys. 3.1. Procentowa zawartość O, O2 i O3 w zależności od temperatury

Wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość tlenu cząsteczkowego O2, natomiast rośnie ilość tlenu atomowego. Zawartość ozonu początkowo rośnie, następnie w temperaturze wyższej niż 1500°C — maleje (rys. 3.1).

Ozon wykazuje działanie bakterio-, grzybo- i wirusobójcze, dlatego stosowany jest do dezynfekcji i deodoryzacji [2] (odwaniania) pod warunkiem, że jego stężenie nie przekracza 0,018 mg/L. W większych dawkach jest agresywny w stosunku do błon śluzowych, powoduje starzenie się włosów i skóry. W przeciwieństwie do toksycznego ozonu troposferycznego (troposfera to najniższa warstwa atmosfery ziemskiej) ozon stratosferyczny (stratosfera rozciąga się od 11 do 65 km ponad powierzchnią Ziemi) chroni życie na Ziemi przed szkodliwym promieniowaniem UV. Powstanie dziury ozonowej grozi negatywnymi konsekwencjami zdrowotnymi (rak skóry). Deodoranty oparte na freonach (chlorofluorowęglowodorach, np. CF2Cl2) zostały wycofane z użycia ze względu na ich szkodliwy wpływ na ozon stratosferyczny i niebezpieczeństwo pojawienia się dziur ozonowych. Z użycia wycofano również urządzenia chłodnicze, w których freon był stosowany jako chłodziwo.

Potas (K) jest miękkim, srebrzystobiałym metalem, o t.t. 63,55°C i t.w. 760°C. Z wodą reaguje gwałtownie (podobnie jak sód). Występuje w minerałach: sylwinie, sylwinicie, karnalicie, kainicie, langbeinicie oraz glinokrzemianach (ortoklazie, łyszczkach, leucycie). Zarówno potas K, jak i sód Na uczestniczą w gospodarce wodnej organizmu (Na zatrzymuje wodę, K wzmaga jej wydalanie), w utrzymaniu ciśnienia osmotycznego i zachowaniu równowagi kwasowo-zasadowej. W organizmie człowieka (70 kg) znajduje się ok. 140 g potasu. Niedobór tego pierwiastka prowadzi do osłabienia, zaburzenia pracy serca i oddychania. W kosmetyce potas podawany jest podobnie jak sód, w postaci maseczek z mułu z dna Morza Martwego, ekstraktu z drożdży i glonów. Dawka dzienna K: dla dzieci: 1–10 lat 0,7–1,6 g, 11–18 lat 1,6–6 g; dla dorosłych 2–5 g; doza terapeutyczna 0,1–6 g.

Siarka (S) jest żółtym ciałem stałym. Występuje w przyrodzie w postaci rodzimej, w gazach wulkanicznych oraz w minerałach: PbS (galena), ZnS (blenda cynkowa), FeS2 (piryt), Cu2S ⋅ Fe2S3 (piryt miedzionośny). Znanych jest sześć odmian alotropowych siarki:

 Siarka rombowa, siarka α, t.t. = 112,8°C, t.w. = 444,6°C, gęstość 2,07 g/cm3. Zbudowana jest oktasiarki S8, czyli ośmioatomowych pierścieni; w temp. 95,5°C przechodzi w siarkę jednoskośną.

 Siarka jednoskośna, siarka β, t.t. = 119,0°C, t.w. = 444,6°C, gęstość 1,957 g/cm3. Zbudowana jest z oktasiarki S8; znana jest również odmiana γ siarki jednoskośnej — heksasiarka S6.

 Siarka żółta istnieje w zakresie temperatur 119–160°C, w formie ruchliwej cieczy składającej się z oktasiarki łańcuchowej.

 Katena-polisiarka, siarka μ. Gęsta, lepka ciecz barwy czerwonobrunatnej, zbudowana z długich spiralnych łańcuchów, osiągająca największą lepkość w temp. ok. 200°C.

 Siarka plastyczna, zbudowana z łańcuchów siarki μ, powstaje wskutek oziębienia siarki μ w wodzie.

 Siarka bezpostaciowa, kwiat siarczany, otrzymywana przez kondensację par siarki.

Ponadto siarka istnieje w postaci koloidalnej. Odmiany alotropowe siarki α i β zbudowane są z ośmioczłonowych pierścieni S8 (oktasiarki):


W temperaturze 95,5°C siarka rombowa przechodzi w jednoskośną, w temp. 119°C siarka jednoskośna ulega stopieniu, tworząc ciecz zbudowaną z pierścieni S8. W temperaturze ponad 160°C pierścienie ulegają rozerwaniu — ciekła siarka gęstnieje, tworząc strukturę plastyczną, wskutek pojawiania się długich, spiralnych, „sprężynopodobnych” łańcuchów: