Kyslík

Kyslík
n., množné číslo: oxygeny

Definice: bezbarvý plynný prvek bez zápachu, označovaný symbolem „O“, s atomovým číslem 8

Kyslík Definice

V biochemii je kyslík bezbarvý, bez zápachu, plynný prvek označovaný symbolem „O“, s atomovým číslem 8, tvoří asi 21 % objemu atmosféry a je biologicky důležitý pro svou úlohu v různých biochemických a fyziologických procesech, zejména aerobních organismů. Etymologie: (oxús, což znamená „ostrý“) + γενής (-genēs, což znamená „výrobce“). Symbol:

Kyslík je jedním z chemických prvků vyskytujících se v přírodě. Chemický prvek označuje čistou látku jednoho typu atomu. V současné době je 94 prvků přírodních, zatímco 24 prvků je syntetických. Kyslík je spolu s uhlíkem, vodíkem a dusíkem jedním z nejběžnějších prvků v živých organismech. Je také třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru, hned po vodíku a heliu.

Vlastnosti kyslíku

Kyslík je přírodní plynný prvek s atomovým číslem 8 a atomovou hmotností 15,96. Jeho atomové číslo je 8 a atomová hmotnost 15,95. V periodické tabulce prvků patří mezi chalkogeny. Je to reaktivní nekov s elektronovou konfigurací He 2s2 2p4. Je schopen se slučovat se všemi prvky s výjimkou fluoru za vzniku oxidů, bází, anhydridů kysličníků atd. Při pokojové teplotě je kyslík s většinou látek jen mírně aktivní. Při vyšších teplotách se však stává velmi aktivním, že je považován za jedno z nejsilnějších chemických činidel. Teplota tání kyslíku je -218,79 °C. Jeho hustota při STP je 1,49 g/l při teplotě 0 °C a tlaku 760 mm.

V 18. a 19. století vědci zjistili, že složky vzduchu lze stlačením a ochlazením zkapalnit. V roce 1883 se poprvé podařilo zkapalnit kyslík ve stabilním stavu.1 Kapalný kyslík má bleděmodrou barvu, hustotu 1,141 g/cm3, bod varu -182,96 °C při tlaku 101,325 kPa (760 mmHg) a bod tuhnutí -218,79 °C. V roce 1883 se poprvé podařilo zkapalnit kyslík ve stabilním stavu. V současnosti se používá ve vojenských letadlech a v plynárenském průmyslu.

Tvrdý kyslík je další fyzikální stav kyslíku, který vzniká za normálního atmosférického tlaku při teplotě nižší než -218,79 °C. Má rovněž světle modrou barvu. Jeho hustota je 21 cm3/mol ve fázi α až 23,5 cm3/mol ve fázi γ.2

Izotopy kyslíku

Přirozeně se vyskytujícími izotopy kyslíku jsou kyslík-16, kyslík-17 a kyslík-18. Kyslík se v přírodě vyskytuje v následujících skupinách. Všechny tři izotopy jsou stabilní. Kyslík-16 (16O) má ve svém jádře 8 neutronů a 8 protonů. Je nejrozšířenějším izotopem kyslíku a tvoří 99,762 % přirozeného výskytu (NA, tj. výskytu izotopu v přírodě). Kyslík-17 (17O) má ve svém jádře 9 neutronů a 8 protonů. Jeho NA je 0,0373 % v mořské vodě a 0,0377421 % v mořské vodě. Kyslík-18 (18O) má ve svém jádře 10 neutronů a 8 protonů. Jeho NA je 0,2 %.

Alotropy kyslíku

Alotrop prvku se týká některé z více látek tvořených pouze jedním typem prvku. Příklady alotropů kyslíku jsou atomární kyslík, dioxygen, ozon a tetraoxygen. Atomární kyslík (O1) je velmi reaktivní alotrop kyslíku. Má tendenci se rychle vázat s okolními molekulami. Dioxygen (O2) (volný kyslík) se vyskytuje ve dvou hlavních formách: tripletové a singletové. Tripletový kyslík 3O2 je tripletový základní stav kyslíku. Je známější jako molekulární kyslík.

Jeho dva atomy kyslíku jsou spojeny jednou plnou σ vazbou plus dvěma π polovičními vazbami. Je to nejběžnější a nejstabilnější alotrop kyslíku na Zemi. Tuto formu využívají organismy, např. při buněčném dýchání. Uvolňuje se také jako vedlejší produkt fotosyntézy u fotoautotrofů.

Singletový kyslík 1O2 je dvojmocný kyslík se vzorcem O=O. Je reaktivnější vůči organickým sloučeninám než tripletový kyslík. Od tripletového kyslíku jej lze odlišit na základě počtu elektronových spinů. Singletový kyslík má pouze jedno možné uspořádání elektronových spinů, zatímco tripletový kyslík má tři. Singletový kyslík je jednou z reaktivních forem kyslíku (ROS).

U fotoautotrofů je singletový kyslík produkován molekulami chlorofylu během fotosyntézy. Rostliny škodlivému oxidačnímu účinku čelí působením karotenoidů. Býložravci, kteří požívají části rostlin bohaté na chlorofylové pigmenty produkující singletový kyslík, jsou náchylní k fotosenzitivitě.

Například lidé, kteří se drží veganské stravy, mohou být citlivější na světlo a mají sklon k fotodermatitidě. U savců jsou ROS spojeny s oxidací LDL cholesterolu, což je zase příčinou škodlivých účinků na kardiovaskulární systém. V medicíně se jedná o aktivní formy kyslíku při fotodynamické terapii.

Ozon (O3) je molekula přítomná v ozonové vrstvě stratosféry. Je schopen absorbovat většinu ultrafialového záření ze Slunce. Tetraoxygen (O4) byl také nazýván oxozon.

Kyslíkové sloučeniny

Voda (H2O) je jedním z oxidů vodíku a nejběžnějším oxidem. Atomy vodíku jsou s kyslíkem vázány kovalentními vazbami. Voda je polární molekula díky svému kyslíku, který má mírně záporný náboj, zatímco její vodíky mají mírně kladný náboj. Polarita vody z ní činí vynikající rozpouštědlo. Mírně záporný kyslík přitahuje kationty, zatímco mírně kladný vodík přitahuje anionty. Voda má tedy schopnost disociovat a ionizovat molekuly. Voda, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO a ZnO jsou příklady oxidů, které jsou také příklady anorganických sloučenin obsahujících kyslík.

Organické sloučeniny jsou v zásadě definovány jako látky obsahující atomy uhlíku a vazby uhlík-uhlík (C-C) a uhlík-vodík (C-H). Příklady běžných organických sloučenin obsahujících kyslík a R (organickou funkční skupinu) jsou alkoholy (R-OH), aldehydy (R-CO-H), amidy R-C(O)-NR2, estery (R-COO-R), ethery (R-O-R) a ketony (R-CO-R). Dalšími důležitými organickými sloučeninami, které mají kyslík, jsou kyselina citronová, formaldehyd, glycerol, acetamid, formaldehyd a glutaraldehyd.

Objev kyslíku

V 17. a 18. století vedly první pokusy vědců, jako byli Robert Hooke, Ole Borch a Pierre Bayen, k výrobě kyslíku. Tehdy však nebyl uznán jako chemický prvek. Po mnoho staletí spíše převládal názor, že čtyři hlavní prvky jsou vzduch, oheň, voda a země. Tehdy se ještě nevědělo, že každý z nich se skládá z jednodušších složek, které byly později nazvány chemickými prvky.
Joseph Priestley 1733-1804, britský duchovní, tuto domněnku popíral a tvrdil, že vzduch se skládá z látek, jako je plyn, který při svých pokusech pozoroval uvolněný z oxidu rtuťnatého (HgO). Tento plyn označoval jako deflogistický vzduch. Později, v roce 1777, dal tomuto plynu francouzský chemik Antoine Lavoisier 1743-1794 název oxygène.3 Priestley byl první, kdo o kyslíku publikoval, a jako takový je obvykle připisován jako objevitel kyslíku.

Anglický název oxygen byl převzat z Lavoisierova oxygène, který byl zase odvozen z řeckého ὀξύς (oxús, což znamená „ostrý“) a -γενής (-genēs, což znamená „výrobce“). Šlo však o nesprávné pojmenování, protože tento prvek byl považován za složku při vzniku všech kyselin. Název se vžil tak, že zůstal až do současnosti, i když se zjistilo, že není pravdivý.

Biologický význam

V biologii hraje kyslík klíčovou roli v různých biochemických a fyziologických procesech. Je nejrozšířenějším prvkem (65 % hmotnosti) v lidském těle, následují: uhlík (18,5 %), vodík (9,5 %), dusík (3,2 %), vápník (1,5 %) a fosfor (1 %).

Dýchání

Dioxygen (O2) se u člověka a dalších suchozemských obratlovců dostává do těla plícemi a poté se váže na hemoglobin červených krvinek, aby byl dopraven do různých částí těla. Dioxygen se odděluje od hemoglobinu a difuzí se dostává do tkání. Naopak oxid uhličitý se zachycuje, aby byl přiveden do plic a uvolněn ven.

Kyslík vstupuje do buňky, aby byl využit mitochondriemi k tvorbě ATP prostřednictvím buněčného dýchání. Působí jako konečný akceptor elektronů v elektronovém transportním řetězci během oxidativní fosforylace. Celková reakce buněčného dýchání je: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Protože využívá kyslík, je tento proces označován jako aerobní. Díky přítomnosti kyslíku je buněčné dýchání přibližně desetkrát účinnější při získávání ATP.

Imunitní funkce

U člověka patří peroxid vodíku (H2O2), singletový kyslík a superoxidové ionty mezi ROS, které se přirozeně vyskytují jako vedlejší produkty využívání kyslíku. Používají se k ničení patogenů, a mají tedy imunitní funkci.

Fotosyntéza

Fotoautotrofy, jako jsou sinice, zelené řasy a rostliny, produkují kyslík prostřednictvím fotosyntézy. Celkový vzorec procesu je:
6 CO2 + 6 H2O + fotony → C6H12O6 + 6 O2
K výrobě glukózy a O2 je zapotřebí oxid uhličitý, voda a fotony. Kyslík je nakonec uvolněn do atmosféry.

Kyslíková terapie

Předpokládá se, že kyslík má také terapeutickou úlohu, zejména při léčbě nebo léčbě ischemických tkání. Kyslíková terapie, tedy použití kyslíku k léčbě, se používá k léčbě stavů se zhoršeným příjmem kyslíku, jako je zápal plic a rozedma plic. Kyslík (O2) však může být při vysokých parciálních tlacích (<50 kilopascalů) toxický. Může vést ke zdravotním problémům a křečím.

Geologická historie kyslíku

Před 3,85 až 2,45 miliardami let ještě nebyl v zemské atmosféře volný kyslík a většina oceánských částí byla anoxická. Volný kyslík začal v atmosféře existovat, když se vyvinuly fotosyntetické organismy. Předpokládá se, že k tomu došlo přibližně před 3,5 miliardami let. Pomocí fotosyntézy využívaly oxid uhličitý, vodu a fotony k získání cukrů. Kyslík vznikající při fotosyntéze byl rovněž vyřazován jako odpadní produkt.
V době před 2,45 až 1,85 milionu let začala hladina kyslíku výrazně stoupat. Velká část volného kyslíku produkovaného organismy byla pohlcena v oceánech a horninách mořského dna. Biologicky vyvolané hromadění kyslíku bylo označováno jako Velká okysličovací událost. Předpokládá se, že k ní došlo během siderického období (před 2,5-2,3 miliardami let) paleoproterozoika. Výrazné nahromadění volného kyslíku způsobilo vymření mnoha obligátních anaerobů.

Volný kyslík se začal z oceánů uvolňovat před 1,85 až 0,85 miliardami let. Velkou část z něj absorboval pevninský povrch. Od té doby až do současnosti se volný kyslík nakonec hromadil v atmosféře, zejména když se naplnily zásobárny kyslíku. Vývoj organismů, které dokázaly kyslík metabolizovat, přírůstek dostupného volného kyslíku omezil.

V období karbonu (před 358,9-298,9 miliony let) v prvohorách stoupl obsah kyslíku v atmosféře na 35 % objemu. Předpokládá se, že to byl faktor, který se podílel na vývoji hmyzu a obojživelníků velkých rozměrů. Předpokládalo se také, že dostupnost kyslíku vedla k rozmanitosti aerobních organismů.4

Kyslíkový cyklus

Kyslík je po vodíku a heliu třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Proto se hojně vyskytuje a koluje na Zemi. Kyslíkový cyklus je jedním z biogeochemických cyklů na Zemi, přičemž se přeměňuje z jedné formy na druhou.

Čtyřmi hlavními zásobárnami kyslíku jsou atmosféra, hydrosféra, litosféra a biosféra. Největší zásobárnou je litosféra, zejména v silikátových a oxidových minerálech v zemské kůře a plášti. V atmosféře se kyslík vyskytuje převážně jako dioxygen. Nacházejí se v ní i další kyslíkové molekuly, například ozon (O3), CO2, H2O (jako vodní pára) a další oxidy. Vysoká koncentrace ozonu je příčinou vzniku UV štítu, tzv. ozonové vrstvy, ve stratosféře. V hydrosféře se kyslík vyskytuje v molekulách vody, v kyselinách uhličitých a jako volný kyslík. Hlavním zdrojem kyslíku je biosféra jako vedlejší produkt biologického procesu, fotosyntézy. Kyslík vzniká také fotolýzou. Rozkládá vodu a oxid dusný a uvolňuje volný kyslík do atmosféry, zatímco vodík a dusík, do vesmíru. Jako biologický zdroj slouží také mořští živočichové se schránkami uhličitanu vápenatého. Když zemřou, uhličitan vápenatý v jejich schránce se zabuduje do vápencových sedimentárních hornin.

Volný kyslík z atmosféry je aerobními živočichy metabolizován pro dýchání. Přitom uvolňují oxid uhličitý.

Litosféra absorbuje volný kyslík z atmosféry při chemickém zvětrávání, například při tvorbě rzi.

Přečtěte si:

• Přenos kyslíku při fotosyntéze krve
• Buněčné dýchání – Biology Online Tutorial

1. Papanelopoulou, F. (2013). „Louis Paul Cailletet: Cailletet: „Zkapalnění kyslíku a vznik nízkoteplotního výzkumu“. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). „Molární objem (hustota) pevného kyslíku v rovnováze s parami“. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 7 (3): 949. doi:10.1063/1.555582
3. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, 1. ledna). Získáno z www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, 1. ledna). Kyslík poskytl dech života, který umožnil vývoj živočichů. Získáno z www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

.