Zuurstof

Zuurstof
n, meervoud: oxygenen

Definitie: het kleurloze, reukloze, gasvormige element dat wordt weergegeven door het symbool “O”, met een atoomnummer van 8

Zuurstof Definitie

In de biochemie is zuurstof het kleurloze, reukloze, gasvormig element, aangeduid met het symbool “O”, met een atoomnummer van 8, dat ongeveer 21% van het volume van de atmosfeer uitmaakt, en biologisch belangrijk is wegens zijn rol in diverse biochemische en fysiologische processen, vooral bij aërobe organismen. Etymologie: Oudgrieks ὀξύς (oxús, wat “scherp” betekent) + γενής (-genēs, wat “producent” betekent). Symbool: O.

Zuurstof is een van de chemische elementen die in de natuur voorkomen. Een scheikundig element verwijst naar de zuivere substantie van één soort atoom. Momenteel zijn er 94 natuurlijke elementen en 24 synthetische. Zuurstof is een van de meest voorkomende elementen in levende wezens, samen met koolstof, waterstof en stikstof. Het is ook het op twee na meest voorkomende element in het heelal, naast waterstof en helium.

Eigenschappen van zuurstof

Zuurstof is een natuurlijk gasvormig element met een atoomnummer van 8 en een atoomgewicht van 15,96. In het periodiek systeem behoort het tot de chalcogenen. Het is een reactief niet-metaal met een elektronenconfiguratie van He 2s2 2p4. Het is in staat zich te verbinden met alle elementen, met uitzondering van fluor, om oxiden, basen, zuurstofzuuranhydriden, enz. te vormen. Bij kamertemperatuur is zuurstof slechts matig actief met de meeste stoffen. Bij hogere temperaturen wordt het echter zeer actief en wordt het beschouwd als een van de krachtigste chemische stoffen. Het smeltpunt van zuurstof is -218,79 °C. Zijn dichtheid bij STP is 1,49 g/L bij 0°C en 760 mm druk.

In de 18e en 19e eeuw leerden wetenschappers dat de luchtbestanddelen vloeibaar konden worden gemaakt door de lucht samen te persen en af te koelen. In 1883 werd zuurstof voor het eerst in een stabiele toestand vloeibaar gemaakt.1 De vloeibare zuurstof is lichtblauw van kleur, heeft een dichtheid van 1,141 g/cm3, een kookpunt van -182,96 °C bij 101,325 kPa (760 mmHg), en een vriespunt van -218,79 °C. Momenteel wordt het gebruikt in militaire vliegtuigen en in de gasindustrie.

Vaste zuurstof is een andere fysische toestand van zuurstof die zich bij normale atmosferische druk vormt bij een temperatuur lager dan -218,79 °C. Het heeft ook een lichtblauwe kleur. Het heeft een dichtheid van 21 cm3/mol in de α-fase tot 23,5 cm3/mol in de γ-fase.2

Isotopen van zuurstof

De natuurlijk voorkomende isotopen van zuurstof zijn Zuurstof-16, Zuurstof-17, en Zuurstof-18. Alle drie isotopen zijn stabiel. Zuurstof-16 (16O) heeft 8 neutronen en 8 protonen in zijn kern. Het is de meest voorkomende zuurstofisotoop en vertegenwoordigt 99,762% van de natuurlijke abundantie (NA, d.w.z. de abundantie van de isotoop in de natuur). Zuurstof-17 (17O) heeft 9 neutronen en 8 protonen in zijn kern. Zijn NA is 0,0373% in zeewater en 0,0377421% in zeewater. Zuurstof-18 (18O) heeft 10 neutronen en 8 protonen in zijn kern. Zijn NA is 0,2%.

Allotropen van zuurstof

Een allotroop van een element heeft betrekking op een van de veelvoudige stoffen die gevormd worden door slechts één soort element. Voorbeelden van allotropen van zuurstof zijn atomaire zuurstof, dio-zuurstof, ozon en tetra-zuurstof. Atoomzuurstof (O1) is een zeer reactieve allotroop van zuurstof. Het heeft de neiging zich snel aan nabije moleculen te binden. Zuurstof (O2) (vrije zuurstof) komt in twee hoofdvormen voor: tripletzuurstof en singletzuurstof. Triplet zuurstof 3O2 is de triplet grondtoestand van zuurstof. Het is beter bekend als moleculaire zuurstof.

Zijn twee zuurstofatomen zijn verbonden door één volledige σ-binding plus twee π halfbindingen. Het is de meest voorkomende en de meest stabiele allotroop van zuurstof op aarde. Dit is de vorm die door organismen wordt gebruikt, b.v. bij de celademhaling. Het komt ook vrij als bijproduct van fotosynthese door foto-autotrofen.

Singlet zuurstof 1O2 is dio zuurstof met een formule van O=O. Het is reactiever op organische verbindingen dan tripletzuurstof. Het kan van tripletzuurstof worden onderscheiden aan de hand van het aantal elektronenspins. Singlet zuurstof heeft slechts één mogelijke rangschikking van elektronenspins, terwijl triplet zuurstof er drie heeft. Singlet zuurstof is een van de reactieve zuurstofsoorten (ROS).

In foto-autotrofen wordt singlet zuurstof geproduceerd door chlorofylmoleculen tijdens de fotosynthese. Planten gaan het schadelijke oxidatieve effect tegen door de werking van carotenoïden. Herbivoren die plantendelen eten die rijk zijn aan chlorofylpigmenten die singletzuurstof produceren, zijn vatbaar voor lichtgevoeligheid.

Mensen, bijvoorbeeld, die een veganistisch dieet volgen, kunnen gevoeliger worden voor licht en vatbaar worden voor fotodermatitis. Bij zoogdieren wordt ROS in verband gebracht met de oxidatie van LDL-cholesterol, dat op zijn beurt verantwoordelijk is voor de schadelijke effecten op het hart- en vaatstelsel. In de geneeskunde is het de actieve zuurstofsoort bij fotodynamische therapie.

Ozon (O3) is een molecuul dat aanwezig is in de ozonlaag van de stratosfeer. Het is in staat het grootste deel van de ultraviolette straling van de zon te absorberen. Tetraoxygeen (O4) werd ook wel oxozone genoemd.

Zuurstofhoudende verbindingen

Water (H2O) is een van de oxiden van waterstof en het meest voorkomende oxide. De waterstofatomen zijn met zuurstof verbonden door covalente bindingen. Water is een polaire molecule doordat de zuurstof een lichte negatieve lading heeft, terwijl de hydrogenen een lichte positieve lading hebben. De polariteit van water maakt het een uitstekend oplosmiddel. De licht negatieve zuurstof trekt kationen aan, terwijl de licht positieve waterstof anionen aantrekt. Water heeft dus het vermogen om moleculen te scheiden en te ioniseren. Water, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO, en ZnO zijn voorbeelden van oxiden, die ook voorbeelden zijn van anorganische verbindingen die zuurstof bevatten.

Organische verbindingen worden fundamenteel gedefinieerd als die stoffen die koolstofatomen en koolstof-koolstof (C-C) en koolstof-waterstof (C-H) bindingen bevatten. Voorbeelden van veel voorkomende organische verbindingen met zuurstof en R (de organische functionele groep) zijn alcoholen (R-OH), aldehyden (R-CO-H), amiden R-C(O)-NR2, esters (R-COO-R), ethers (R-O-R), en ketonen (R-CO-R). Andere belangrijke organische verbindingen die zuurstof bevatten zijn citroenzuur, formaldehyde, glycerol, acetamide, formaldehyde, en glutaraldehyde.

Ontdekking van zuurstof

In de 17e en 18e eeuw leidden de vroege experimenten van wetenschappers als Robert Hooke, Ole Borch, en Pierre Bayen tot de productie van zuurstof. Zuurstof werd toen echter nog niet als een chemisch element erkend. Eeuwenlang was de overheersende gedachte dat de vier belangrijkste elementen lucht, vuur, water en aarde waren. Het was nog niet bekend dat elk van hen bestond uit eenvoudiger bestanddelen, die later chemische elementen werden genoemd.
Joseph Priestley 1733 – 1804, de Britse geestelijke, bestreed dit geloof en beweerde dat de lucht bestond uit stoffen zoals het gas dat hij bij zijn experimenten uit kwikoxide (HgO) had waargenomen. Hij noemde dit gas gedeflogiseerde lucht. Later kreeg het gas in 1777 de naam oxygène van Antoine Lavoisier 1743 – 1794, Frans scheikundige.3 Priestley was de eerste die over zuurstof publiceerde en werd als zodanig gewoonlijk toegeschreven als de ontdekker van zuurstof.

De Engelse naam zuurstof werd overgenomen van Lavoisier’s oxygène, dat op zijn beurt was afgeleid van het Griekse ὀξύς (oxús, wat “scherp” betekent) en -γενής (-genēs, wat “producent” betekent). Het was echter een verkeerde benaming, omdat men dacht dat het element een bestanddeel was bij de vorming van alle zuren. De naam was zo ingeburgerd dat hij tot op heden bleef bestaan, zelfs nadat was ontdekt dat hij niet waar was.

Biologisch belang

In de biologie speelt zuurstof een cruciale rol in verschillende biochemische en fysiologische processen. Het is het meest voorkomende element (65% in massa) in het menselijk lichaam, gevolgd door: koolstof (18,5%), waterstof (9,5%), stikstof (3,2%), calcium (1,5%), en fosfor (1%).

Ademhaling

Bij de mens en andere gewervelde landdieren komt zuurstof (O2) het lichaam binnen via de longen, en bindt zich dan aan de hemoglobine van de rode bloedcellen om te worden afgegeven aan verschillende delen van het lichaam. De zuurstof komt los van de hemoglobine en komt via diffusie in de weefsels terecht. Op zijn beurt wordt kooldioxide opgenomen dat naar de longen wordt gebracht om daar te worden afgegeven.

Zuurstof komt de cel binnen om door mitochondriën te worden gebruikt om ATP te genereren door middel van cellulaire ademhaling. Het fungeert als de laatste elektronenacceptor in de elektronentransportketen tijdens de oxidatieve fosforylering. De totale reactie van de celademhaling is: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Omdat hierbij zuurstof wordt gebruikt, wordt het proces als aëroob omschreven. De aanwezigheid van zuurstof maakt de celademhaling ongeveer tien maal efficiënter in het produceren van ATP.

Immuunfunctie

Bij de mens zijn waterstofperoxide (H2O2), singletzuurstof en superoxide-ionen enkele van de ROS die van nature voorkomen als bijproducten van het zuurstofgebruik. Zij worden gebruikt om ziekteverwekkers te vernietigen, en hebben dus een immuunfunctie.

Fotosynthese

Foto-autotrofen, zoals cyanobacteriën, groene algen en planten, produceren zuurstof door middel van fotosynthese. De algemene formule van het proces is:
6 CO2 + 6 H2O + fotonen → C6H12O6 + 6 O2
Koolstofdioxide, water en fotonen zijn nodig om glucose en O2 te produceren. De zuurstof wordt uiteindelijk aan de atmosfeer afgegeven.

Zuurstoftherapie

Zuurstof wordt ook geacht een therapeutische rol te hebben, vooral bij de behandeling of het beheer van ischemische weefsels. Zuurstoftherapie, het gebruik van zuurstof voor medische behandeling, wordt gebruikt voor de behandeling van aandoeningen met een verminderde zuurstofopname, zoals longontsteking en emfyseem. Zuurstof (O2) kan echter giftig zijn bij hoge partiële drukken (<50 kilopascal). Het kan leiden tot gezondheidsproblemen en stuiptrekkingen.

Geologische geschiedenis van zuurstof

3,85 tot 2,45 miljard jaar geleden was er nog geen vrije zuurstof in de atmosfeer van de aarde en waren de meeste oceaandelen anoxisch. Vrije zuurstof begon in de atmosfeer te bestaan toen fotosynthetische organismen zich ontwikkelden. Aangenomen wordt dat dit ongeveer 3,5 miljard jaar geleden gebeurde. Via fotosynthese maakten zij gebruik van kooldioxide, water en fotonen om suikers te produceren. Ook de zuurstof die bij de fotosynthese vrijkwam, werd als afvalproduct weggegooid.
In 2,45 tot 1,85 miljoen jaar geleden begon het zuurstofgehalte aanzienlijk te stijgen. Veel van de vrije zuurstof die door organismen werd geproduceerd, werd opgenomen in oceanen en gesteente op de zeebodem. De door organismen veroorzaakte zuurstofophoping wordt wel de Grote Zuurstofstijging genoemd. Men vermoedt dat deze gebeurtenis zich heeft voorgedaan tijdens de Siderische periode (2,5-2,3 miljard jaar geleden) van het Paleoproterozoïcum. De aanzienlijke toename van vrije zuurstof veroorzaakte het uitsterven van veel obligate anaërobe organismen.

Vrije zuurstof begon 1,85 tot 0,85 miljard jaar geleden uit de oceanen te ontsnappen. Het landoppervlak absorbeerde een groot deel ervan. Vanaf dat moment tot heden stapelde de vrije zuurstof zich uiteindelijk op in de atmosfeer, vooral wanneer zuurstofreservoirs gevuld werden. De evolutie van organismen die zuurstof konden metaboliseren, remde de toename van de beschikbare vrije zuurstof af.

In het Carboon (358,9-298,9 miljoen jaar geleden) van het Paleozoïcum steeg het zuurstofgehalte in de atmosfeer tot 35% in volume. Dit zou een rol hebben gespeeld bij de evolutie van insecten en amfibieën van grote afmetingen. Er werd ook verondersteld dat de beschikbaarheid van zuurstof leidde tot de diversiteit van aërobe organismen.4

Zuurstofcyclus

Zuurstof is het op twee na meest voorkomende element in het heelal, na waterstof en helium. Het komt dan ook op grote schaal voor en wordt op aarde gekringeld. De zuurstofcyclus is een van de biogeochemische cycli op aarde, waarbij het van de ene vorm in de andere wordt omgezet.

De vier voornaamste reservoirs van zuurstof zijn de atmosfeer, de hydrosfeer, de lithosfeer en de biosfeer. De lithosfeer is het grootste reservoir, met name in de silicaat- en oxidemineralen in de aardkorst en de aardmantel. In de atmosfeer komt zuurstof voornamelijk voor als dioxyde. Er zijn ook andere zuurstofhoudende moleculen, zoals ozon (O3), CO2, H2O (als waterdamp), en andere oxiden. De hoge concentratie ozon zorgt voor de vorming van het UV-schild, de ozonlaag, in de stratosfeer. In de hydrosfeer komt zuurstof voor in watermoleculen, in koolzuren en als vrije zuurstof. Een belangrijke bron van zuurstof is afkomstig uit de biosfeer als bijproduct van het biologische proces fotosynthese. Bij fotolyse wordt ook zuurstof gevormd. Het breekt water en stikstofoxide af, waarbij vrije zuurstof vrijkomt in de atmosfeer en waterstof en stikstof in de ruimte. Zeedieren met calciumcarbonaatschalen dienen ook als biologische bron. Wanneer zij sterven, wordt het calciumcarbonaat in hun schelp opgenomen in de kalkstenen sedimentaire gesteenten.

Vrije zuurstof uit de atmosfeer wordt door aërobe dieren gemetaboliseerd voor ademhaling. En daarbij geven ze koolstofdioxide af.

De lithosfeer absorbeert vrije zuurstof uit de atmosfeer bij chemische verwering, zoals bij de vorming van roest.

Lees:

• Transport of Oxygen in Blood photosynthesis
• Cell Respiration – Biology Online Tutorial

1. Papanelopoulou, F. (2013). “Louis Paul Cailletet: The liquefaction of oxygen and the emergence of low-temperature research”. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. 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
3. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, 1 januari). Retrieved from www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, januari 1). Zuurstof zorgde voor levensadem waardoor dieren konden evolueren. Opgehaald van www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/