Oxygen

Allotroper af ilt

En allotrope af et grundstof vedrører et af de mange stoffer, der dannes af kun én type grundstof. Eksempler på allotroper af ilt er atomar ilt, dioxygen, ozon og tetraoxygen. Atomar ilt (O1) er en meget reaktiv allotrope af ilt. Det har en tendens til hurtigt at binde sig til nærliggende molekyler. Dioxygen (O2) (fri oxygen) forekommer i to hovedformer: triplet og singlet. Triplet oxygen 3O2 er triplet grundtilstanden af dioxygen. Det er bedre kendt som molekylær oxygen.

Dets to oxygenatomer er forbundet med en fuld σ-binding plus to π-halvbindinger. Det er den mest almindelige og den mest stabile allotrope af ilt på Jorden. Det er den form, som udnyttes af organismer, f.eks. i celleatmningen. Den frigives også som et biprodukt af fotosyntese af fotoautotrofer.

Singlet oxygen 1O2 er dioxygen med formlen O=O. Det er mere reaktivt over for organiske forbindelser end triplet oxygen er. Det kan skelnes fra triplet oxygen på baggrund af antallet af elektronspins. Singlet-syre har kun én mulig placering af elektronspin, mens triplet-syre har tre. Singlet oxygen er en af de reaktive oxygenarter (ROS).

I fotoautotrofe organismer produceres singlet oxygen af klorofylmolekyler under fotosyntesen. Planter modvirker den skadelige oxidative virkning ved hjælp af carotenoider. Planteædere, der indtager plantedele, der er rige på klorofylpigmenter, der producerer singuletsyre, er tilbøjelige til at blive lysfølsomme.

Mennesker, der f.eks. holder sig til en vegansk kost, kan blive mere lysfølsomme og blive disponeret for fotodermatitis. Hos pattedyr er ROS forbundet med oxidation af LDL-kolesterol, som igen er ansvarlig for de skadelige virkninger på det kardiovaskulære system. Inden for lægevidenskaben er det den aktive oxygenart i fotodynamisk terapi.

Ozon (O3) er et molekyle, der findes i stratosfærens ozonlag. Det er i stand til at absorbere det meste af den ultraviolette stråling fra solen. Tetraoxygen (O4) blev også kaldt oxozon.

Oxygenforbindelser

Vand (H2O) er et af hydrogenoxiderne og det mest almindelige oxid. Brintatomerne er bundet til ilt ved kovalente bindinger. Vand er et polært molekyle på grund af dets ilt, der har en let negativ ladning, mens dets hydrogener har en let positiv ladning. Vandets polaritet gør det til et fremragende opløsningsmiddel. Det svagt negative ilt tiltrækker kationer, mens det svagt positive brint tiltrækker anioner. Vand har således evnen til at dissociere og ionisere molekyler. Vand, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO og ZnO er eksempler på oxider, som også er eksempler på uorganiske forbindelser, der indeholder ilt.

Organiske forbindelser defineres grundlæggende som de stoffer, der indeholder kulstofatomer og kulstof-kulstof (C-C)- og kulstof-vandstof (C-H)-bindinger. Eksempler på almindelige organiske forbindelser, der indeholder oxygen og R (den organiske funktionelle gruppe), er alkoholer (R-OH), aldehyder (R-CO-H), amider R-C(O)-NR2, estere (R-COO-R), ethere (R-O-R) og ketoner (R-CO-R). Andre vigtige organiske forbindelser, der indeholder ilt, er citronsyre, formaldehyd, glycerol, acetamid, formaldehyd og glutaraldehyd.

Opdagelse af ilt

I det 17. og 18. århundrede førte de tidlige eksperimenter udført af videnskabsmænd som Robert Hooke, Ole Borch og Pierre Bayen til fremstilling af ilt. Den blev dog ikke anerkendt som et kemisk grundstof dengang. I stedet var den fremherskende tanke i mange århundreder, at de fire hovedelementer var luft, ild, vand og jord. Man vidste endnu ikke, at hvert af dem bestod af enklere bestanddele, som senere blev kaldt kemiske grundstoffer.
Den britiske præst Joseph Priestley 1733-1804 bestred denne opfattelse og hævdede, at luften bestod af stoffer som f.eks. den gas, han i sine eksperimenter observerede frigjort fra kviksølvoxid (HgO). Han kaldte denne gas for dephlogisticated air. Senere fik gassen navnet oxygène i 1777 af Antoine Lavoisier 1743 – 1794, fransk kemiker.3 Priestley var den første til at publicere om ilt og blev som sådan normalt tilskrevet som opdageren af ilt.

Det engelske navn oxygen blev overtaget fra Lavoisiers oxygène, som igen blev afledt af det græske ὀξύς (oxús, der betyder “skarp”) og -γενής (-genēs, der betyder “producent”). Det var dog en forkert betegnelse, fordi man mente, at grundstoffet var en bestanddel i dannelsen af alle syrer. Navnet var veletableret, at det forblev indtil nu, selv efter at man fandt ud af, at det ikke var sandt.

Biologisk betydning

I biologien spiller ilt en afgørende rolle i forskellige biokemiske og fysiologiske processer. Det er det hyppigst forekommende grundstof (65 masseprocent) i menneskekroppen, efterfulgt af: kulstof (18,5 %), brint (9,5 %), kvælstof (3,2 %), calcium (1,5 %) og fosfor (1 %).

Respiration

I mennesker og andre terrestriske hvirveldyr kommer dioxygen (O2) ind i kroppen gennem lungerne og binder sig derefter til hæmoglobinet i de røde blodlegemer for at blive leveret til forskellige dele af kroppen. Dioxygenet løsner sig fra hæmoglobinet og kommer ind i vævene ved diffusion. Til gengæld opsamles kuldioxid for at blive bragt til lungerne for at blive frigivet udenfor.

Syren kommer ind i cellen for at blive brugt af mitokondrier til at generere ATP gennem celleatmningen. Det fungerer som den sidste elektronacceptor i elektrontransportkæden under oxidativ fosforylering. Den samlede reaktion i celleatmningen er: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Da den udnytter ilt, beskrives processen som aerob. Tilstedeværelsen af ilt gør den cellulære respiration ca. ti gange mere effektiv til at give ATP.

Immunfunktion

I mennesker er hydrogenperoxid (H2O2), singulet oxygen og superoxidioner nogle af de ROS, der naturligt forekommer som biprodukter af iltforbruget. De bruges til at ødelægge patogener og har derfor en immunfunktion.

Fotosyntese

Fotoautotrofe organismer, såsom cyanobakterier, grønne alger og planter, producerer ilt gennem fotosyntese. Den overordnede formel for processen er:
6 CO2 + 6 H2O + fotoner → C6H12O6 + 6 O2
Koldioxid, vand og fotoner er nødvendige for at producere glukose og O2. Ilten frigives til sidst i atmosfæren.

Oxygenbehandling

Oxygen menes også at have en terapeutisk rolle, især ved behandling eller håndtering af iskæmisk væv. Oxygenbehandling, dvs. anvendelse af ilt til medicinsk behandling, anvendes til behandling af tilstande med nedsat iltoptagelse, f.eks. lungebetændelse og emfysem. Oxygen (O2) kan dog være giftigt ved høje partialtryk (<50 kilopascal). Det kan føre til helbredsproblemer og kramper.

Oxygenens geologiske historie

For 3,85 til 2,45 milliarder år siden var der endnu ingen fri ilt i Jordens atmosfære, og de fleste havområder var anoxiske. Fri ilt begyndte at eksistere i atmosfæren, da fotosyntetiske organismer udviklede sig. Dette menes at være sket for ca. 3,5 milliarder år siden. Gennem fotosyntese udnyttede de kuldioxid, vand og fotoner til at producere sukkerstoffer. Den ilt, der blev produceret fra fotosyntesen, blev også smidt ud som et affaldsprodukt.
For 2,45 til 1,85 millioner år siden begyndte iltniveauet at stige betydeligt. Meget af den frie ilt, der blev produceret af organismer, blev optaget i havene og klipperne på havbunden. Den biologisk inducerede iltopbygning er blevet omtalt som den store ilthændelse (Great Oxygenation Event). Den formodes at have fundet sted i løbet af Sider-perioden (for 2,5-2,3 milliarder år siden) i den palæoproterozoiske æra. Den betydelige ophobning af fri ilt forårsagede udryddelsen af mange obligatoriske anaerobe organismer.

Fri ilt begyndte at blive udgaset fra havene for 1,85 til 0,85 milliarder år siden. Landoverfladerne absorberede meget af det. Fra da af og frem til i dag ophobede den frie ilt sig efterhånden i atmosfæren, især når iltreservoirerne blev fyldt op. Udviklingen af organismer, der kunne omsætte ilt, bremsede stigningen i den tilgængelige frie ilt.

I karbonperioden (358,9-298,9 millioner år siden) i palæozoikum steg iltindholdet i atmosfæren til 35 volumenprocent. Dette menes at have været en faktor i udviklingen af insekter og padder af stor størrelse. Man antog også, at tilgængeligheden af ilt førte til mangfoldigheden af aerobe organismer.4

Iltcyklus

Syren er det tredje hyppigste grundstof i universet efter brint og helium. Det forekommer derfor i stor udstrækning og indgår i kredsløbet på Jorden. Iltkredsløbet er et af de biogeokemiske kredsløb på Jorden, idet det omdannes fra en form til en anden.

De fire vigtigste reservoirer af ilt er atmosfæren, hydrosfæren, lithosfæren og biosfæren. Lithosfæren er det største reservoir, især i silikat- og oxidmineralerne i Jordens skorpe og kappe. I atmosfæren forekommer ilt overvejende i form af dioxygen. Den indeholder også andre iltholdige molekyler som f.eks. ozon (O3), CO2, H2O (som vanddamp) og andre oxider. Den høje koncentration af ozon er årsag til dannelsen af det UV-skjold, der kaldes ozonlaget, i stratosfæren. I hydrosfæren forekommer ilt i vandmolekyler, i kulsyre og som fri ilt. En vigtig kilde til ilt kommer fra biosfæren som biprodukt af den biologiske proces, fotosyntese. Ved fotolyse dannes der også ilt. Den nedbryder vand og lattergas og frigør fri ilt i atmosfæren, mens hydrogen og nitrogen frigives i rummet. Havdyr med kalciumkarbonatskaller tjener også som en biologisk kilde. Når de dør, bliver kalciumkarbonatet i deres skal inkorporeret i kalkstenens sedimentære bjergarter.

Den frie ilt fra atmosfæren omsættes af aerobe dyr til respiration. Og derved frigiver de kuldioxid.

Litosfæren optager fri ilt fra atmosfæren ved kemisk forvitring, f.eks. ved dannelse af rust.

Læs:

• Transport af ilt i blodets fotosyntese
• Celle-respiration – Biology Online Tutorial

2. Papanelopoulou, F. (2013). “Louis Paul Cailletet: Iltets flydendegørelse og fremkomsten af forskning ved lave temperaturer”. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
3. Roder, H. M. (1978). “The molar volume (density) of solid oxygen in equilibrium with vapor”. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 7 (3): 949. doi:10.1063/1.555582
4. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, 1. januar). Hentet fra www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
6. Hickey, H. (2015, 1. januar). Ilt gav livets åndedræt, der gjorde det muligt for dyr at udvikle sig. Hentet fra www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/