Ossigeno

Ossigeno
n., plurale: ossigeni

Definizione: l’elemento gassoso incolore e inodore rappresentato dal simbolo “O”, con un numero atomico di 8

Ossigeno Definizione

In biochimica, l’ossigeno è l’elemento incolore, inodore, elemento gassoso rappresentato dal simbolo “O”, con un numero atomico di 8, e costituisce circa il 21% in volume dell’atmosfera, e biologicamente importante per il suo ruolo in vari processi biochimici e fisiologici, soprattutto degli organismi aerobi. Etimologia: Greco antico ὀξύς (oxús, che significa “acuto”) + γενής (-genēs, che significa “produttore”). Simbolo: O.

L’ossigeno è uno degli elementi chimici presenti in natura. Un elemento chimico si riferisce alla sostanza pura di un tipo di atomo. Attualmente, 94 sono elementi naturali mentre 24 sono sintetici. L’ossigeno è uno degli elementi più comuni negli esseri viventi, insieme a carbonio, idrogeno e azoto. È anche il terzo elemento più abbondante nell’universo, dopo l’idrogeno e l’elio.

Proprietà dell’ossigeno

L’ossigeno è un elemento gassoso naturale con un numero atomico di 8 e un peso atomico di 15,96. Nella tavola periodica, appartiene ai calcogeni. È un non metallo reattivo con una configurazione elettronica di He 2s2 2p4. È capace di combinarsi con tutti gli elementi, ad eccezione del fluoro, per formare ossidi, basi, anidridi ossiacidi, ecc. A temperatura ambiente, l’ossigeno è solo moderatamente attivo con la maggior parte delle sostanze. Tuttavia, a temperature più alte, diventa molto attivo che è considerato come uno degli agenti chimici più potenti. Il punto di fusione dell’ossigeno è -218,79 °C. La sua densità a STP è 1,49 g/L a 0°C e 760 mm di pressione.

Nel XVIII e XIX secolo, gli scienziati impararono che i componenti dell’aria potevano essere liquefatti comprimendo e raffreddando l’aria. Nel 1883, l’ossigeno fu liquefatto in uno stato stabile per la prima volta.1 L’ossigeno liquido è di colore blu pallido, la densità di 1,141 g/cm3, il punto di ebollizione di -182,96 °C a 101,325 kPa (760 mmHg), e il punto di congelamento di -218,79 °C. Attualmente, è usato negli aerei militari e nelle industrie del gas.

L’ossigeno solido è un altro stato fisico dell’ossigeno che si forma alla normale pressione atmosferica ad una temperatura inferiore a -218,79 °C. Ha anche un colore blu pallido. Ha una densità di 21 cm3/mol nella fase α a 23,5 cm3/mol nella fase γ.2

Isotopi dell’ossigeno

Gli isotopi dell’ossigeno che si trovano in natura sono ossigeno-16, ossigeno-17 e ossigeno-18. Tutti e tre gli isotopi sono stabili. L’ossigeno-16 (16O) ha 8 neutroni e 8 protoni nel suo nucleo. È l’isotopo dell’ossigeno più abbondante e rappresenta il 99,762% dell’abbondanza naturale (NA, cioè l’abbondanza dell’isotopo in natura). L’ossigeno-17 (17O) ha 9 neutroni e 8 protoni nel suo nucleo. La sua NA è 0,0373% nell’acqua di mare e 0,0377421% nell’acqua di mare. L’ossigeno-18 (18O) ha 10 neutroni e 8 protoni nel suo nucleo. Il suo NA è 0,2%.

Allotropi dell’ossigeno

Un allotropo di un elemento riguarda una qualsiasi delle molteplici sostanze formate da un solo tipo di elemento. Esempi di allotropi dell’ossigeno sono l’ossigeno atomico, il diossigeno, l’ozono e il tetraossigeno. L’ossigeno atomico (O1) è un allotropo dell’ossigeno molto reattivo. Tende a legarsi rapidamente con le molecole vicine. L’ossigeno (O2) (ossigeno libero) si presenta in due forme principali: tripletta e singoletto. L’ossigeno di tripletto 3O2 è lo stato di terra di tripletto del diossigeno. È meglio conosciuto come ossigeno molecolare.

I suoi due atomi di ossigeno sono legati da un legame σ completo più due mezzi legami π. È l’allotropo di ossigeno più comune e più stabile sulla Terra. È la forma che viene utilizzata dagli organismi, per esempio nella respirazione cellulare. Viene anche rilasciato come sottoprodotto della fotosintesi dai fotoautotrofi.

L’ossigeno diinglet 1O2 è diossigeno con una formula di O=O. È più reattivo nei confronti dei composti organici rispetto all’ossigeno di tripletta. Può essere distinto dall’ossigeno di tripletta in base al numero di spin degli elettroni. L’ossigeno singoletto ha solo una disposizione possibile degli spin degli elettroni, mentre l’ossigeno tripletto ne ha tre. L’ossigeno singoletto è una delle specie reattive dell’ossigeno (ROS).

Nei fotoautotrofi, l’ossigeno singoletto è prodotto dalle molecole di clorofilla durante la fotosintesi. Le piante contrastano il dannoso effetto ossidativo attraverso l’azione dei carotenoidi. Gli erbivori che ingeriscono parti di piante ricche di pigmenti di clorofilla che producono ossigeno singoletto sono inclini alla fotosensibilità.

Gli esseri umani, per esempio, che seguono una dieta vegana possono diventare più sensibili alla luce e predisporsi alla fotodermatite. Nei mammiferi, i ROS sono associati all’ossidazione del colesterolo LDL, che a sua volta è responsabile degli effetti deleteri sul sistema cardiovascolare. In medicina, è la specie attiva dell’ossigeno nella terapia fotodinamica.

L’ozono (O3) è una molecola presente nello strato di ozono della stratosfera. È capace di assorbire la maggior parte delle radiazioni ultraviolette del sole. Il tetraossigeno (O4) è stato anche chiamato oxozone.

Composti ossigenati

L’acqua (H2O) è uno degli ossidi di idrogeno e l’ossido più comune. Gli atomi di idrogeno sono legati all’ossigeno da legami covalenti. L’acqua è una molecola polare a causa del suo ossigeno che ha una leggera carica negativa mentre i suoi idrogeni hanno una leggera carica positiva. La polarità dell’acqua la rende un eccellente solvente. L’ossigeno leggermente negativo attrae i cationi mentre l’idrogeno leggermente positivo attrae gli anioni. Così, l’acqua ha la capacità di dissociare e ionizzare le molecole. Acqua, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO e ZnO sono esempi di ossidi, che sono anche esempi di composti inorganici contenenti ossigeno.

I composti organici sono fondamentalmente definiti come quelle sostanze contenenti atomi di carbonio e legami carbonio-carbonio (C-C) e carbonio-idrogeno (C-H). Esempi di composti organici comuni che contengono ossigeno e R (il gruppo funzionale organico) sono alcoli (R-OH), aldeidi (R-CO-H), ammidi R-C(O)-NR2, esteri (R-COO-R), eteri (R-O-R), e chetoni (R-CO-R). Altri importanti composti organici che hanno ossigeno sono l’acido citrico, la formaldeide, il glicerolo, l’acetamide, la formaldeide e la glutaraldeide.

Scoperta dell’ossigeno

Nei secoli XVII e XVIII, i primi esperimenti di scienziati come Robert Hooke, Ole Borch e Pierre Bayen hanno portato alla produzione di ossigeno. Tuttavia, allora non era riconosciuto come elemento chimico. Piuttosto, il pensiero predominante per molti secoli era che i quattro elementi principali fossero aria, fuoco, acqua e terra. Non si sapeva ancora che ognuno di essi era composto da costituenti più semplici, che più tardi furono chiamati elementi chimici.
Joseph Priestley 1733 – 1804, l’ecclesiastico britannico, sostenne questa convinzione e affermò che l’aria era composta da sostanze come il gas che osservò essere stato liberato dall’ossido mercurico (HgO) nei suoi esperimenti. Si riferiva a questo gas come aria deflagellata. Più tardi, al gas fu dato il nome di oxygène nel 1777 da Antoine Lavoisier 1743 – 1794, chimico francese.3 Priestley fu il primo a pubblicare sull’ossigeno e come tale viene solitamente attribuito come lo scopritore dell’ossigeno.

Il nome inglese oxygen fu adottato da oxygène di Lavoisier, che a sua volta derivava dal greco ὀξύς (oxús, che significa “acuto”) e -γενής (-genēs, che significa “produttore”). Era un termine improprio, però, perché si pensava che l’elemento fosse un costituente nella formazione di tutti gli acidi. Il nome era ben stabilito che è rimasto fino ad oggi anche dopo che si è scoperto che non era vero.

Importanza biologica

In biologia, l’ossigeno gioca un ruolo cruciale in vari processi biochimici e fisiologici. È l’elemento più abbondante (65% della massa) nel corpo umano, seguito da: carbonio (18,5%), idrogeno (9,5%), azoto (3,2%), calcio (1,5%) e fosforo (1%).

Respirazione

Negli esseri umani e in altri vertebrati terrestri, il diossigeno (O2) entra nel corpo attraverso i polmoni, e poi si lega all’emoglobina dei globuli rossi per essere portato in varie parti del corpo. Il diossigeno si stacca dall’emoglobina ed entra nei tessuti per diffusione. A sua volta, l’anidride carbonica viene raccolta per essere portata nei polmoni per essere rilasciata all’esterno.

L’ossigeno entra nella cellula per essere utilizzato dai mitocondri per generare ATP attraverso la respirazione cellulare. Agisce come accettore finale di elettroni nella catena di trasporto degli elettroni durante la fosforilazione ossidativa. La reazione complessiva della respirazione cellulare è: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Siccome utilizza l’ossigeno, il processo è descritto come aerobico. La presenza dell’ossigeno rende la respirazione cellulare circa dieci volte più efficiente nel produrre ATP.

Funzione immunitaria

Negli esseri umani, il perossido di idrogeno (H2O2), l’ossigeno singoletto e gli ioni superossido sono alcuni dei ROS che si presentano naturalmente come sottoprodotti dell’uso dell’ossigeno. Sono usati per distruggere gli agenti patogeni, e quindi hanno una funzione immunitaria.

Fotosintesi

I fotoautotrofi, come cianobatteri, alghe verdi e piante, producono ossigeno attraverso la fotosintesi. La formula generale del processo è:
6 CO2 + 6 H2O + fotoni → C6H12O6 + 6 O2
Biossido di carbonio, acqua e fotoni sono necessari per produrre glucosio e O2. L’ossigeno viene infine rilasciato nell’atmosfera.

Ossigenoterapia

Si pensa che l’ossigeno abbia anche un ruolo terapeutico soprattutto nel trattamento o nella gestione dei tessuti ischemici. L’ossigenoterapia, l’uso dell’ossigeno per il trattamento medico, è usata per trattare le condizioni con un’alterazione dell’assorbimento dell’ossigeno, come la polmonite e l’enfisema. L’ossigeno (O2) può essere tossico ad alte pressioni parziali (<50 kilopascal). Può portare a problemi di salute e convulsioni.

Storia geologica dell’ossigeno

da 3,85 a 2,45 miliardi di anni fa, non c’era ancora ossigeno libero nell’atmosfera della Terra e la maggior parte delle parti oceaniche erano anossiche. L’ossigeno libero ha cominciato ad esistere nell’atmosfera quando si sono evoluti gli organismi fotosintetici. Si ritiene che ciò sia avvenuto circa 3,5 miliardi di anni fa. Attraverso la fotosintesi, essi utilizzavano l’anidride carbonica, l’acqua e i fotoni per produrre zuccheri. Anche l’ossigeno prodotto dalla fotosintesi veniva scartato come prodotto di scarto.
Tra 2,45 e 1,85 milioni di anni fa, il livello di ossigeno iniziò ad aumentare significativamente. Gran parte dell’ossigeno libero prodotto dagli organismi è stato assorbito negli oceani e nelle rocce del fondo marino. L’accumulo di ossigeno indotto biologicamente è stato indicato come il Grande Evento di Ossigenazione. Si suppone che sia avvenuto durante il periodo Sideriano (2,5-2,3 miliardi di anni fa) dell’era Paleoproterozoica. L’accumulo significativo di ossigeno libero causò l’estinzione di molti anaerobi obbligati.

L’ossigeno libero cominciò a uscire dagli oceani da 1,85 a 0,85 miliardi di anni fa. Le superfici terrestri ne assorbirono gran parte. Da allora ad oggi, l’ossigeno libero si è accumulato nell’atmosfera, soprattutto quando i serbatoi di ossigeno sono stati riempiti. L’evoluzione degli organismi che potevano metabolizzare l’ossigeno ha frenato l’aumento dell’ossigeno libero disponibile.

Nel periodo Carbonifero (358,9-298,9 milioni di anni fa) dell’era Paleozoica, il livello di ossigeno nell’atmosfera è salito al 35% in volume. Si pensava che questo fosse un fattore nell’evoluzione di insetti e anfibi di grandi dimensioni. Si è anche ipotizzato che la disponibilità di ossigeno abbia portato alla diversità degli organismi aerobici.4

Ciclo dell’ossigeno

L’ossigeno è il terzo elemento più abbondante nell’universo, dopo l’idrogeno e l’elio. Pertanto, è ampiamente presente e ciclico sulla Terra. Il ciclo dell’ossigeno è uno dei cicli biogeochimici sulla Terra, essendo convertito da una forma all’altra.

I quattro principali serbatoi di ossigeno sono l’atmosfera, l’idrosfera, la litosfera e la biosfera. La litosfera è la più grande riserva, in particolare all’interno dei minerali di silicato e di ossido nella crosta terrestre e nel mantello. Nell’atmosfera, l’ossigeno si presenta prevalentemente come diossigeno. Ci sono anche altre molecole ossigenate, come l’ozono (O3), CO2, H2O (come vapore acqueo), e altri ossidi. L’alta concentrazione di ozono spiega la formazione dello scudo UV, chiamato strato di ozono, nella stratosfera. Nell’idrosfera, l’ossigeno si trova nelle molecole d’acqua, negli acidi carbonici e come ossigeno libero. Una fonte importante di ossigeno proviene dalla biosfera come sottoprodotto del processo biologico, la fotosintesi. Anche la fotolisi forma ossigeno. Scompone l’acqua e il protossido di azoto per rilasciare ossigeno libero nell’atmosfera, mentre l’idrogeno e l’azoto nello spazio. Gli animali marini con gusci di carbonato di calcio servono anche come fonte biologica. Quando muoiono, il carbonato di calcio del loro guscio viene incorporato nelle rocce sedimentarie calcaree.

L’ossigeno libero dell’atmosfera viene metabolizzato dagli animali aerobi per la respirazione. E così facendo, rilasciano anidride carbonica.

La litosfera assorbe ossigeno libero dall’atmosfera negli agenti atmosferici chimici, come nella formazione della ruggine.

Leggi:

• Trasporto di ossigeno nella fotosintesi sanguigna
• Respirazione cellulare – Tutorial di biologia online

1. Papanelopoulou, F. (2013). “Louis Paul Cailletet: La liquefazione dell’ossigeno e la nascita della ricerca sulle basse temperature”. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). “Il volume molare (densità) dell’ossigeno solido in equilibrio con il vapore”. 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 gennaio). Recuperato da www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, 1 gennaio). L’ossigeno ha fornito il respiro della vita che ha permesso agli animali di evolversi. Recuperato da www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

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