Tlen

Tlen
n., liczba mnoga: oksygeny

Definicja: bezbarwny, bezwonny, gazowy pierwiastek reprezentowany przez symbol „O”, o liczbie atomowej 8

Tlen Definicja

W biochemii tlen jest bezbarwnym, bezwonnym, gazowy pierwiastek reprezentowany przez symbol „O”, z liczbą atomową 8, i stanowi około 21% objętości atmosfery, i biologicznie ważne dla jego roli w różnych procesach biochemicznych i fizjologicznych, zwłaszcza organizmów tlenowych. Etymologia: Starożytna greka ὀξύς (oxús, czyli „ostry”) + γενής (-genēs, czyli „producent”). Symbol: O.

Tlen jest jednym z pierwiastków chemicznych występujących w przyrodzie. Pierwiastek chemiczny odnosi się do czystej substancji jednego rodzaju atomu. Obecnie 94 są naturalne elementy, podczas gdy 24 są syntetyczne. Tlen jest jednym z najbardziej powszechnych pierwiastków w organizmach żywych, wraz z węglem, wodorem i azotem. Jest również trzecim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, obok wodoru i helu.

Właściwości tlenu

Tlen jest naturalnym pierwiastkiem gazowym o liczbie atomowej 8 i masie atomowej 15,96. W układzie okresowym należy do chalkogenów. Jest reaktywnym niemetalem o konfiguracji elektronowej He 2s2 2p4. Może łączyć się ze wszystkimi pierwiastkami, z wyjątkiem fluoru, tworząc tlenki, zasady, bezwodniki tlenowe itp. W temperaturze pokojowej tlen jest tylko umiarkowanie aktywny z większością substancji. Jednakże, w wyższych temperaturach, staje się bardzo aktywny, że jest uważany za jeden z najpotężniejszych środków chemicznych. Temperatura topnienia tlenu wynosi -218,79 °C. Jego gęstość w STP wynosi 1,49 g/L w temperaturze 0°C i ciśnieniu 760 mm.

W XVIII i XIX wieku naukowcy dowiedzieli się, że składniki powietrza mogą być skroplone przez sprężanie i chłodzenie powietrza. W 1883 roku po raz pierwszy skroplono tlen w stabilnym stanie.1 Ciekły tlen ma bladoniebieski kolor, gęstość 1,141 g/cm3, temperaturę wrzenia -182,96 °C przy ciśnieniu 101,325 kPa (760 mmHg) i temperaturę zamarzania -218,79 °C. Obecnie jest on stosowany w samolotach wojskowych i przemyśle gazowym.

Stały tlen jest innym stanem fizycznym tlenu, który tworzy się w normalnym ciśnieniu atmosferycznym w temperaturze poniżej -218,79 °C. Ma również bladoniebieski kolor. Ma gęstość od 21 cm3/mol w fazie α do 23,5 cm3/mol w fazie γ.2

Izotopy tlenu

Naturalnie występujące izotopy tlenu to Tlen-16, Tlen-17 i Tlen-18. Wszystkie trzy izotopy są stabilne. Tlen-16 (16O) ma 8 neutronów i 8 protonów w swoim jądrze. Jest to najobficiej występujący izotop tlenu i stanowi 99,762% naturalnej liczebności (NA, tj. liczebność izotopu w przyrodzie). Tlen-17 (17O) ma w swoim jądrze 9 neutronów i 8 protonów. Jego NA wynosi 0,0373% w wodzie morskiej i 0,0377421% w wodzie morskiej. Tlen-18 (18O) ma 10 neutronów i 8 protonów w swoim jądrze. Jego NA wynosi 0,2%.

Allotropy tlenu

An allotrop pierwiastka odnosi się do każdej z wielu substancji utworzonych przez tylko jeden typ pierwiastka. Przykładami alotropów tlenu są tlen atomowy, dwutlenek, ozon i tetraoksygen. Tlen atomowy (O1) jest bardzo reaktywnym alotropem tlenu. Ma on tendencję do szybkiego wiązania się z pobliskimi cząsteczkami. Tlen (O2) (wolny tlen) występuje w dwóch głównych formach: trypletowej i singletowej. Tlen trypletowy 3O2 jest trypletowym stanem podstawowym tlenu. Jest on bardziej znany jako tlen cząsteczkowy.

Jego dwa atomy tlenu są połączone jednym pełnym wiązaniem σ i dwoma półwiązaniami π. Jest to najbardziej powszechne i najbardziej stabilny alotropu tlenu na Ziemi. Jest to forma, która jest wykorzystywana przez organizmy, np. w oddychaniu komórkowym. Jest on również uwalniany jako produkt uboczny fotosyntezy przez fotoautotrofy.

Tlen singletowy 1O2 jest dwutlenkiem o wzorze O=O. Jest on bardziej reaktywny w stosunku do związków organicznych niż tlen trypletowy. Można go odróżnić od tlenu trypletowego na podstawie liczby spinów elektronowych. Tlen singletowy ma tylko jeden możliwy układ spinów elektronowych, podczas gdy tlen trypletowy ma ich trzy. Tlen singletowy jest jednym z reaktywnych form tlenu (ROS).

W fotoautotrofach, tlen singletowy jest produkowany przez cząsteczki chlorofilu podczas fotosyntezy. Rośliny przeciwdziałają szkodliwemu efektowi oksydacyjnemu poprzez działanie karotenoidów. Zwierzęta roślinożerne, które spożywają części roślin bogate w pigmenty chlorofilu wytwarzające tlen singletowy są podatne na fotowrażliwość.

Ludzie, na przykład, którzy trzymają się diety wegańskiej mogą stać się bardziej wrażliwi na światło i predysponowani do fotodermatitis. U ssaków, ROS jest związane z utlenianiem cholesterolu LDL, co z kolei odpowiada za szkodliwe skutki dla układu sercowo-naczyniowego. W medycynie jest to aktywny gatunek tlenu w terapii fotodynamicznej.

Ozon (O3) jest cząsteczką obecną w warstwie ozonowej stratosfery. Jest on zdolny do pochłaniania większości promieniowania ultrafioletowego pochodzącego ze Słońca. Tetraoksygen (O4) był również nazywany oksozonem.

Związki tlenowe

Woda (H2O) jest jednym z tlenków wodoru i najbardziej rozpowszechnionym tlenkiem. Atomy wodoru są związane z tlenem przez wiązania kowalencyjne. Woda jest polarna cząsteczka ze względu na jej tlenu, który ma niewielki ładunek ujemny, podczas gdy jego hydrogeny mają niewielki ładunek dodatni. Polarność wody sprawia, że jest ona doskonałym rozpuszczalnikiem. Lekko ujemny tlen przyciąga kationy, podczas gdy lekko dodatni wodór przyciąga aniony. Dzięki temu woda ma zdolność do dysocjacji i jonizacji cząsteczek. Woda, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO i ZnO są przykłady tlenków, które są również przykłady związków nieorganicznych zawierających tlen.

Związki organiczne są zasadniczo zdefiniowane jako te substancje zawierające atomy węgla i węgiel-węgiel (C-C) i węgiel-wodór (C-H) wiązań. Przykłady powszechnych związków organicznych zawierających tlen i R (organiczna grupa funkcyjna) to alkohole (R-OH), aldehydy (R-CO-H), amidy R-C(O)-NR2, estry (R-COO-R), etery (R-O-R) i ketony (R-CO-R). Inne ważne związki organiczne, które mają tlen są kwas cytrynowy, formaldehyd, glicerol, acetamid, formaldehyd i glutaraldehyd.

Odkrycie tlenu

W XVII i XVIII wieku, wczesne eksperymenty naukowców takich jak Robert Hooke, Ole Borch i Pierre Bayen doprowadziły do produkcji tlenu. Jednak nie został on wtedy uznany za pierwiastek chemiczny. Przez wiele wieków dominowało raczej przekonanie, że cztery główne żywioły to powietrze, ogień, woda i ziemia. Nie wiedziano jeszcze, że każdy z nich składa się z prostszych składników, które później nazwano pierwiastkami chemicznymi.
Joseph Priestley 1733 – 1804, brytyjski duchowny, zaprzeczał temu przekonaniu i twierdził, że powietrze składa się z substancji, takich jak gaz, który zaobserwował, że został uwolniony z tlenku rtęci (HgO) w swoich eksperymentach. Określił ten gaz mianem powietrza zdeplognifikowanego. Później, gaz ten otrzymał nazwę oxygène w 1777 roku przez Antoine Lavoisier 1743 – 1794, francuskiego chemika.3 Priestley był pierwszym, który publikował na temat tlenu i jako taki był zwykle przypisywany jako odkrywca tlenu.

Angielska nazwa tlenu została przyjęta od oxygène Lavoisiera, która z kolei pochodziła od greckiego ὀξύς (oxús, co oznacza „ostry”) i -γενής (-genēs, co oznacza „producent”). Było to jednak błędne określenie, ponieważ uważano, że pierwiastek ten jest składnikiem tworzącym wszystkie kwasy. Nazwa była dobrze ugruntowana, że pozostał do dziś, nawet po tym, jak okazało się, że nie jest prawdziwe.

Znaczenie biologiczne

W biologii, tlen odgrywa kluczową rolę w różnych procesach biochemicznych i fizjologicznych. Jest to najbardziej obfity element (65% masy) w organizmie człowieka, a następnie: węgiel (18,5%), wodór (9,5%), azot (3,2%), wapń (1,5%) i fosfor (1%).

Oddychanie

W ludzi i innych kręgowców lądowych, tlenu (O2) wchodzi do ciała przez płuca, a następnie wiąże się z hemoglobiny czerwonych krwinek, aby być dostarczane do różnych części ciała. Tlen odłącza się od hemoglobiny i poprzez dyfuzję dostaje się do tkanek. Z kolei dwutlenek węgla jest podnoszony, aby zostać doprowadzony do płuc w celu uwolnienia na zewnątrz.

Tlen wchodzi do komórki, aby zostać wykorzystany przez mitochondria do wytworzenia ATP w procesie oddychania komórkowego. Działa on jako końcowy akceptor elektronów w łańcuchu transportu elektronów podczas fosforylacji oksydacyjnej. Ogólna reakcja oddychania komórkowego to: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Ponieważ proces ten wykorzystuje tlen, określa się go jako tlenowy. Obecność tlenu sprawia, że oddychanie komórkowe jest około dziesięć razy bardziej wydajne w wytwarzaniu ATP.

Funkcje immunologiczne

W ludziach, nadtlenek wodoru (H2O2), tlen singletowy i jony ponadtlenkowe są niektórymi z ROS, które naturalnie występują jako produkty uboczne stosowania tlenu. Są one wykorzystywane do niszczenia patogenów, a zatem mają funkcję immunologiczną.

Fotosynteza

Fotototrofy, takie jak sinice, zielone algi i rośliny, produkują tlen poprzez fotosyntezę. Ogólna formuła procesu to:
6 CO2 + 6 H2O + fotony → C6H12O6 + 6 O2
Dwutlenek węgla, woda i fotony są wymagane do produkcji glukozy i O2. Tlen jest ostatecznie uwalniany do atmosfery.

Tlenoterapia

Uważa się również, że tlen ma rolę terapeutyczną, zwłaszcza w leczeniu lub zarządzaniu niedokrwionymi tkankami. Tlenoterapia, wykorzystanie tlenu do leczenia, jest stosowana w leczeniu stanów chorobowych z upośledzonym poborem tlenu, takich jak zapalenie płuc i rozedma płuc. Tlen (O2) może być toksyczny w wysokich ciśnieniach parcjalnych (<50 kilopaskali) chociaż. Może to prowadzić do problemów zdrowotnych i drgawek.

Geologiczna historia tlenu

3,85 do 2,45 miliarda lat temu, nie było jeszcze wolnego tlenu w atmosferze ziemskiej, a większość części oceanicznych była anoksyczna. Wolny tlen zaczął występować w atmosferze, gdy rozwinęły się organizmy fotosyntetyzujące. Uważa się, że nastąpiło to około 3,5 miliarda lat temu. W procesie fotosyntezy wykorzystują one dwutlenek węgla, wodę i fotony do produkcji cukrów. Tlen produkowany z fotosyntezy, jak również został odrzucony jako produkt odpadowy.
W 2,45 do 1,85 mln lat temu, poziom tlenu zaczął znacznie wzrosnąć. Duża część wolnego tlenu produkowanego przez organizmy została zaabsorbowana w oceanach i skałach dna morskiego. Biologicznie wywołane nagromadzenie tlenu zostało nazwane Wielkim Wydarzeniem Tlenowym. Przypuszcza się, że miało ono miejsce w okresie syderyjskim (2,5-2,3 mld lat temu) ery paleoproterozoicznej. Znaczne nagromadzenie wolnego tlenu spowodowało wyginięcie wielu obligatoryjnych beztlenowców.

Darmowy tlen zaczął wypływać z oceanów 1,85 do 0,85 miliarda lat temu. Powierzchnie lądowe wchłonęły znaczną jego część. Od tego czasu do chwili obecnej, wolny tlen ostatecznie zgromadził się w atmosferze, zwłaszcza gdy zbiorniki tlenu zostały wypełnione. Ewolucja organizmów, które mogły metabolizować tlen, ograniczyła przyrost dostępnego wolnego tlenu.

W okresie karbońskim (358,9-298,9 mln lat temu) ery paleozoicznej poziom tlenu w atmosferze wzrósł do 35% objętości. Uważano, że był to czynnik sprzyjający ewolucji owadów i płazów o dużych rozmiarach. Postawiono również hipotezę, że dostępność tlenu doprowadziła do zróżnicowania organizmów tlenowych.4

Cykl tlenowy

Tlen jest trzecim najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, po wodorze i helu. Dlatego też powszechnie występuje na Ziemi i podlega cyklowi. Cykl tlenu jest jednym z cykli biogeochemicznych na Ziemi, jest przekształcany z jednej formy do innej.

Cztery główne zbiorniki tlenu to atmosfera, hydrosfera, litosfera i biosfera. Litosfera jest największym rezerwuarem, szczególnie w obrębie minerałów krzemianowych i tlenkowych w skorupie ziemskiej i płaszczu. W atmosferze tlen występuje głównie jako dwutlenek. Występują w niej również inne cząsteczki tlenu, takie jak ozon (O3), CO2, H2O (jako para wodna) i inne tlenki. Wysokie stężenie ozonu odpowiada za tworzenie się w stratosferze osłony przed promieniowaniem UV, zwanej warstwą ozonową. W hydrosferze tlen występuje w cząsteczkach wody, w kwasach węglowych i jako wolny tlen. Główne źródło tlenu pochodzi z biosfery jako produkt uboczny procesu biologicznego, fotosyntezy. Fotoliza również tworzy tlen. Rozkłada ona wodę i podtlenek azotu, uwalniając wolny tlen do atmosfery, podczas gdy wodór i azot – w przestrzeń kosmiczną. Zwierzęta morskie posiadające skorupy z węglanu wapnia również służą jako źródło biologiczne. Kiedy umierają, węglan wapnia w ich skorupie staje się włączony do wapiennych skał osadowych.

Wolny tlen z atmosfery jest metabolizowany przez zwierzęta tlenowe do oddychania. I czyniąc to, uwalniają dwutlenek węgla.

Litosfera pochłania wolny tlen z atmosfery w wietrzeniu chemicznym, np. w tworzeniu rdzy.

Przeczytaj:

• Transport tlenu w fotosyntezie krwi
• Cell Respiration – Biology Online Tutorial

1. Papanelopoulou, F. (2013). „Louis Paul Cailletet: Skraplanie tlenu i powstanie badań nad niskimi temperaturami”. 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 stycznia). Retrieved from www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, January 1). Tlen zapewnił oddech życia, który pozwolił zwierzętom ewoluować. Retrieved from www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

.