Oxygen

Tartalomjegyzék

, “O” szimbólummal jelölt gáznemű elem, amelynek atomi száma 8, és a légkör mintegy 21 térfogatszázalékát teszi ki, biológiailag pedig a különböző biokémiai és élettani folyamatokban, különösen az aerob organizmusokban betöltött szerepe miatt fontos. Etimológia: ὀξύς (oxús, jelentése “éles”) + γενής (-genēs, jelentése “termelő”). Jelkép: O.

Az oxigén a természetben előforduló kémiai elemek egyike. A kémiai elem egy atomtípus tiszta anyagára utal. Jelenleg 94 természetes elem, míg 24 szintetikus. Az oxigén az egyik leggyakoribb elem az élőlényekben, a szénnel, a hidrogénnel és a nitrogénnel együtt. A világegyetemben is a harmadik leggyakoribb elem a hidrogén és a hélium mellett.

Az oxigén tulajdonságai

Az oxigén természetes gáznemű elem, amelynek atomi száma 8, atomsúlya 15,96. Az oxigén egy természetes gáznemű elem. A periódusos rendszerben a kalcogének közé tartozik. Reaktív nemfém, elektronkonfigurációja He 2s2 2p4. A fluor kivételével minden elemmel képes oxidok, bázisok, oxigénsav-anhidridek stb. képződésére. Szobahőmérsékleten az oxigén a legtöbb anyaggal csak mérsékelten aktív. Magasabb hőmérsékleten azonban nagyon aktívvá válik, hogy az egyik legerősebb kémiai anyagként tartják számon. Az oxigén olvadáspontja -218,79 °C. Sűrűsége STP-nél 1,49 g/l 0 °C-on és 760 mm nyomáson.

A 18. és 19. században a tudósok megtudták, hogy a levegő összetevőit a levegő összenyomásával és lehűtésével cseppfolyósítani lehet. Az oxigént először 1883-ban sikerült stabil állapotban cseppfolyósítani.1 A folyékony oxigén színe halványkék, sűrűsége 1,141 g/cm3 , forráspontja -182,96 °C 101,325 kPa (760 mmHg) nyomáson, fagyáspontja -218,79 °C. A folyékony oxigén sűrűsége -182,96 °C 101,325 kPa (760 mmHg) nyomáson. Jelenleg a katonai repülőgépekben és a gáziparban használják.

A szilárd oxigén az oxigén másik fizikai állapota, amely normál légköri nyomáson -218,79 °C alatti hőmérsékleten alakul ki. Ennek is halványkék színe van. Sűrűsége az α-fázisban 21 cm3/mol, a γ-fázisban 23,5 cm3/mol.2

Az oxigén izotópjai

A természetben előforduló oxigénizotópok az oxigén-16, az oxigén-17 és az oxigén-18. Mindhárom izotóp stabil. Az oxigén-16 (16O) magjában 8 neutron és 8 proton van. Ez a leggyakoribb oxigénizotóp, és a természetes gyakoriság 99,762%-át teszi ki (NA, azaz az izotóp gyakorisága a természetben). Az oxigén-17 (17O) magjában 9 neutron és 8 proton van. NA-értéke 0,0373% a tengervízben és 0,0377421% a tengervízben. Az oxigén-18 (18O) magjában 10 neutron és 8 proton van. NA-ja 0,2%.

Az oxigén allotípusai

Egy elem allotípusa egy elem bármelyik többféle, csak egyfajta elemből képződő anyagára vonatkozik. Az oxigén allotrópjai például az atomos oxigén, a dioxigén, az ózon és a tetraoxigén. Az atomos oxigén (O1) az oxigén nagyon reaktív allotípusa. Hajlamos gyorsan kötődni a közeli molekulákhoz. A dioxigén (O2) (szabad oxigén) két fő formában fordul elő: triplett és szingulett formában. A triplett oxigén 3O2 a dioxigén triplett alapállapota. Jobban ismert molekuláris oxigénként.

Két oxigénatomja egy teljes σ-kötéssel és két π-félkötéssel kapcsolódik egymáshoz. Ez az oxigén leggyakoribb és legstabilabb allotípusa a Földön. Ez az a forma, amelyet az élőlények hasznosítanak, pl. a sejtlégzésben. A fotoszintézis melléktermékeként a fotoautotrófok által is felszabadul.

A szingulett oxigén 1O2 az O=O képletű dioxigén. A szerves vegyületekkel szemben reaktívabb, mint a triplett oxigén. A triplett oxigéntől az elektronspinek száma alapján lehet megkülönböztetni. A szingulett oxigénnek csak egy lehetséges elektronspin elrendeződése van, míg a triplett oxigénnek három. A szingulett oxigén a reaktív oxigénfajok (ROS) egyike.

A fotoautotrófoknál a szingulett oxigént a klorofill molekulák termelik a fotoszintézis során. A növények a káros oxidatív hatást a karotinoidok hatásával ellensúlyozzák. A szingulett oxigént termelő klorofillpigmentekben gazdag növényi részeket fogyasztó növényevők hajlamosak a fényérzékenységre.

A vegán étrendhez ragaszkodó emberek például fényérzékenyebbé válhatnak, és hajlamossá válhatnak a fotodermatitiszre. Emlősökben a ROS az LDL-koleszterin oxidációjához kapcsolódik, ami viszont a szív- és érrendszerre gyakorolt káros hatásokért felelős. Az orvostudományban ez az aktív oxigénfaj a fotodinamikus terápiában.

Az ózon (O3) a sztratoszféra ózonrétegében jelen lévő molekula. Képes elnyelni a Napból érkező ultraibolya sugárzás nagy részét. A tetraoxigént (O4) oxozonnak is nevezték.

Oxigénvegyületek

A víz (H2O) a hidrogén egyik oxidja és a leggyakoribb oxid. A hidrogénatomok kovalens kötéssel kapcsolódnak az oxigénhez. A víz poláris molekula, mivel oxigénje enyhén negatív töltésű, míg hidrogénjei enyhén pozitív töltésűek. A víz polaritása miatt kiváló oldószer. Az enyhén negatív oxigén vonzza a kationokat, míg az enyhén pozitív hidrogén az anionokat. Így a víz képes disszociálni és ionizálni a molekulákat. A víz, a CO2, a MgO, az Al2O3, a Na2O, a CaO, a BaO és a ZnO példák az oxidokra, amelyek egyben az oxigént tartalmazó szervetlen vegyületek példái is.

A szervetlen vegyületek alapvetően olyan anyagok, amelyek szénatomokat és szén-szén (C-C) és szén-hidrogén (C-H) kötéseket tartalmaznak. Az oxigént és R-t (a szerves funkciós csoportot) tartalmazó gyakori szerves vegyületek példái az alkoholok (R-OH), aldehidek (R-CO-H), amidok R-C(O)-NR2, észterek (R-COO-R), éterek (R-O-R) és ketonok (R-CO-R). További fontos szerves vegyületek, amelyek oxigénnel rendelkeznek, a citromsav, a formaldehid, a glicerin, az acetamid, a formaldehid és a glutaraldehid.

Az oxigén felfedezése

A 17. és 18. században olyan tudósok korai kísérletei vezettek az oxigén előállításához, mint Robert Hooke, Ole Borch és Pierre Bayen. Akkoriban azonban még nem ismerték el kémiai elemként. Inkább az volt az uralkodó gondolat sok évszázadon át, hogy a négy fő elem a levegő, a tűz, a víz és a föld. Akkor még nem tudták, hogy ezek mindegyike egyszerűbb alkotórészekből áll, amelyeket később kémiai elemeknek neveztek el.
Joseph Priestley 1733 – 1804, a brit lelkész vitatta ezt a hiedelmet, és azt állította, hogy a levegő olyan anyagokból áll, mint például az a gáz, amelyet kísérletei során a higanyoxidból (HgO) felszabaduló gázként figyelt meg. Ezt a gázt deflogisztikus levegőnek nevezte. Később, 1777-ben Antoine Lavoisier 1743 – 1794 francia kémikus az oxygène nevet adta a gáznak.3 Priestley publikált először az oxigénről, és mint ilyet, általában az oxigén felfedezőjeként tartják számon.

Az oxigén angol nevét Lavoisier oxygène nevéből vették át, amely viszont a görög ὀξύς (oxús, jelentése “éles”) és -γενής (-genēs, jelentése “termelő”) szóból származik. Ez azonban téves elnevezés volt, mivel az elemről azt gondolták, hogy minden sav képződésének egyik alkotóeleme. Az elnevezés jól bevált, hogy a mai napig megmaradt, még azután is, hogy kiderült, hogy nem igaz.

Biológiai jelentősége

A biológiában az oxigén döntő szerepet játszik a különböző biokémiai és élettani folyamatokban. Az emberi szervezetben a legnagyobb mennyiségben előforduló elem (65 tömegszázalék), ezt követi: szén (18,5%), hidrogén (9,5%), nitrogén (3,2%), kalcium (1,5%) és foszfor (1%).

Légzés

Az emberben és más szárazföldi gerincesekben a dioxigén (O2) a tüdőn keresztül jut be a szervezetbe, majd a vörösvértestek hemoglobinjához kötődve eljut a test különböző részeibe. A diooxigén leválik a hemoglobinról, és diffúzióval jut be a szövetekbe. A szén-dioxidot viszont felveszi, hogy a tüdőbe juttassa, hogy aztán kifelé távozzon.

Az oxigén belép a sejtbe, hogy a mitokondriumok a sejtlégzés révén ATP előállítására használják fel. Az oxidatív foszforiláció során az elektrontranszportlánc utolsó elektronakceptoraként működik. A sejtlégzés teljes reakciója a következő: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Mivel oxigént használ fel, a folyamatot aerobnak nevezzük. Az oxigén jelenléte körülbelül tízszer hatékonyabbá teszi a sejtlégzést az ATP előállításában.

Immunfunkció

Az emberben a hidrogén-peroxid (H2O2), a szingulett oxigén és a szuperoxid-ionok néhány olyan ROS, amely az oxigénfelhasználás melléktermékeként természetesen előfordul. Ezeket a kórokozók elpusztítására használják, ezért immunfunkciójuk van.

Fotoszintézis

A fotoautotrófok, például a cianobaktériumok, a zöld algák és a növények fotoszintézis útján termelnek oxigént. A folyamat általános képlete:
6 CO2 + 6 H2O + fotonok → C6H12O6 + 6 O2
A glükóz és O2 előállításához szén-dioxid, víz és fotonok szükségesek. Az oxigén végül a légkörbe kerül.

Oxigénterápia

Az oxigénnek terápiás szerepet is tulajdonítanak, különösen az iszkémiás szövetek kezelésében vagy kezelésében. Az oxigénterápiát, azaz az oxigén orvosi kezelésre történő alkalmazását a károsodott oxigénfelvétellel járó állapotok, például a tüdőgyulladás és a tüdőtágulás kezelésére használják. Az oxigén (O2) azonban magas parciális nyomáson (<50 kilopascal) toxikus lehet. Egészségügyi problémákhoz és görcsökhöz vezethet.

Az oxigén geológiai története

3,85-2,45 milliárd évvel ezelőtt még nem volt szabad oxigén a Föld légkörében, és az óceánok legtöbb része anoxikus volt. A szabad oxigén akkor kezdett el létezni a légkörben, amikor a fotoszintetikus szervezetek kifejlődtek. Ez feltehetően körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt következett be. A fotoszintézis révén szén-dioxidot, vizet és fotonokat használtak fel, hogy cukrokat nyerjenek. A fotoszintézis során keletkező oxigént is hulladéktermékként dobták el.
2,45-1,85 millió évvel ezelőtt az oxigénszint jelentősen emelkedni kezdett. Az organizmusok által termelt szabad oxigén nagy részét az óceánok és a tengerfenéki kőzetek elnyelték. A biológiailag kiváltott oxigénfelhalmozódást Nagy Oxigenizációs Eseményként emlegetik. Feltételezések szerint a paleoproterozoikum sziderikus időszakában (2,5-2,3 milliárd évvel ezelőtt) következett be. A szabad oxigén jelentős felhalmozódása számos obligát anaerob faj kihalását okozta.

A szabad oxigén 1,85-0,85 milliárd évvel ezelőtt kezdett kiáramlani az óceánokból. A szárazföldi felszínek nagy részét elnyelték. Ettől kezdve egészen napjainkig a szabad oxigén végül felhalmozódott a légkörben, különösen akkor, amikor az oxigéntározók feltöltődtek. Az oxigént metabolizálni képes élőlények fejlődése megfékezte a rendelkezésre álló szabad oxigén növekedését.

A paleozoikum karbon korszakában (358,9-298,9 millió évvel ezelőtt) a légkör oxigénszintje 35 térfogatszázalékra emelkedett. Ez vélhetően szerepet játszott a nagyméretű rovarok és kétéltűek evolúciójában. Azt is feltételezték, hogy az oxigén elérhetősége vezetett az aerob élőlények sokféleségéhez.4

Oxigénciklus

Az oxigén a hidrogén és a hélium után a harmadik leggyakoribb elem a világegyetemben. Ezért a Földön széles körben előfordul és körforgásban van. Az oxigén körforgása a Földön a biogeokémiai körfolyamatok egyike, egyik formából a másikba alakul át.

Az oxigén négy fő tározója a légkör, a hidroszféra, a litoszféra és a bioszféra. A litoszféra a legnagyobb tározó, különösen a földkéreg és a földköpeny szilikát- és oxidásványaiban. A légkörben az oxigén túlnyomórészt dioxigén formájában fordul elő. Emellett más oxigénes molekulák, például ózon (O3), CO2, H2O (vízgőz formájában) és más oxidok is előfordulnak. Az ózon magas koncentrációja felelős a sztratoszférában az ózonrétegnek nevezett UV-pajzs kialakulásáért. A hidroszférában az oxigén vízmolekulákban, szénsavakban és szabad oxigénként fordul elő. Az oxigén egyik fő forrása a bioszférából származik, a fotoszintézis biológiai folyamat melléktermékeként. A fotolízis során szintén képződik oxigén. Lebontja a vizet és a dinitrogén-oxidot, így szabad oxigén kerül a légkörbe, míg hidrogén és nitrogén, az űrbe. A kalcium-karbonátos héjjal rendelkező tengeri állatok szintén biológiai forrásként szolgálnak. Amikor elpusztulnak, a héjukban lévő kalcium-karbonát beépül a mészkő üledékes kőzetekbe.

A légkörből származó szabad oxigént az aerob állatok a légzéshez metabolizálják. És eközben szén-dioxidot szabadítanak fel.

A litoszféra a légkörből szabad oxigént vesz fel a kémiai időjárás során, például a rozsda kialakulásakor.

Olvassa el:

• Az oxigén szállítása a vér fotoszintézisében
• Celluláris légzés – Biológia Online Oktatókönyv

1. Papanelopoulou, F. (2013). “Louis Paul Cailletet: Az oxigén cseppfolyósítása és az alacsony hőmérsékletű kutatások kialakulása”. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). “A szilárd oxigén moláris térfogata (sűrűsége) gőzzel egyensúlyban”. Journal of Physical and Chemical Reference Data (Fizikai és kémiai referenciaadatok folyóirata). 7 (3): 949. doi:10.1063/1.555582
3. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015. január 1.). Retrieved from www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, January 1). Az oxigén biztosította az élet leheletét, amely lehetővé tette az állatok fejlődését. Visszakeresve a www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

címről.