Oxigen

Oxigen
n., plural: oxigeni

Definiție: elementul gazos, incolor și inodor, reprezentat prin simbolul „O”, cu numărul atomic 8

Definiția oxigenului

În biochimie, oxigenul este elementul incolor, inodor și inofensiv, element gazos reprezentat prin simbolul „O”, cu un număr atomic de 8, și constituie aproximativ 21% din volumul atmosferei, fiind important din punct de vedere biologic pentru rolul său în diverse procese biochimice și fiziologice, în special ale organismelor aerobe. Etimologie: Greaca veche ὀξύς (oxús, care înseamnă „ascuțit”) + γενής (-genēs, care înseamnă „producător”). Simbol: O.

Oxigenul este unul dintre elementele chimice care se găsesc în natură. Un element chimic se referă la substanța pură a unui tip de atom. În prezent, 94 sunt elemente naturale, în timp ce 24 sunt elemente sintetice. Oxigenul este unul dintre cele mai frecvente elemente din organismele vii, alături de carbon, hidrogen și azot. Este, de asemenea, al treilea cel mai abundent element din univers, alături de hidrogen și heliu.

Proprietățile oxigenului

Oxigenul este un element natural gazos cu un număr atomic de 8 și o greutate atomică de 15,96. În tabelul periodic, aparține calcanilor. Este un nemetal reactiv cu o configurație electronică de He 2s2 2p4. Este capabil să se combine cu toate elementele, cu excepția fluorului, pentru a forma oxizi, baze, anhidrizi de oxi-acizi etc. La temperatura camerei, oxigenul este doar moderat de activ cu majoritatea substanțelor. Cu toate acestea, la temperaturi mai ridicate, el devine foarte activ, încât este considerat unul dintre cei mai puternici agenți chimici. Punctul de topire al oxigenului este de -218,79 °C. Densitatea sa la STP este de 1,49 g/L la 0°C și 760 mm de presiune.

În secolele al XVIII-lea și al XIX-lea, oamenii de știință au aflat că componentele aerului pot fi lichefiate prin comprimarea și răcirea aerului. În 1883, oxigenul a fost lichefiat în stare stabilă pentru prima dată.1 Oxigenul lichid are culoarea albastru deschis, densitatea de 1,141 g/cm3, punctul de fierbere de -182,96 °C la 101,325 kPa (760 mmHg) și punctul de îngheț de -218,79 °C. În prezent, este utilizat în industria aeronautică militară și în industria gazelor.

Oxigenul solid este o altă stare fizică a oxigenului care se formează la presiunea atmosferică normală la o temperatură sub -218,79 °C. Are, de asemenea, o culoare albastru deschis. Are o densitate de la 21 cm3/mol în faza α la 23,5 cm3/mol în faza γ.2

Izotopii oxigenului

Izotopii oxigenului care apar în mod natural sunt: oxigenul-16, oxigenul-17 și oxigenul-18. Toți cei trei izotopi sunt stabili. Oxigenul-16 (16O) are 8 neutroni și 8 protoni în nucleul său. Este cel mai abundent izotop al oxigenului și reprezintă 99,762% din abundența naturală (NA, adică abundența izotopului în natură). Oxigenul-17 (17O) are 9 neutroni și 8 protoni în nucleul său. NA sa este de 0,0373% în apa de mare și de 0,0377421% în apa de mare. Oxigenul-18 (18O) are 10 neutroni și 8 protoni în nucleul său. NA sa este de 0,2%.

Alotropi ai oxigenului

Un alotrop al unui element se referă la oricare dintre substanțele multiple formate de un singur tip de element. Exemple de alotropi ai oxigenului sunt oxigenul atomic, dioxigenul, ozonul și tetraoxigenul. Oxigenul atomic (O1) este un alotrop foarte reactiv al oxigenului. Acesta are tendința de a se lega rapid de moleculele din apropiere. Dioxidul (O2) (oxigenul liber) apare în două forme majore: triplet și singlet. Oxigenul triplet 3O2 este starea de bază triplet a dioxigenului. Este mai bine cunoscut sub numele de oxigen molecular.

Cei doi atomi de oxigen sunt legați printr-o legătură σ completă plus două jumătăți de legături π. Este cel mai comun și cel mai stabil alotrop de oxigen de pe Pământ. Aceasta este forma care este utilizată de organisme, de exemplu în respirația celulară. Este, de asemenea, eliberat ca produs secundar al fotosintezei de către fotoautotrofe.

Oxigenul de șinglet 1O2 este dioxigen cu formula O=O. Este mai reactiv față de compușii organici decât este oxigenul triplet. Se poate distinge de oxigenul triplet pe baza numărului de spini electronici. Oxigenul singlet are un singur aranjament posibil al spinului electronic, în timp ce oxigenul triplet are trei. Oxigenul singulet este una dintre speciile reactive de oxigen (ROS).

În fotoautotrofe, oxigenul singulet este produs de moleculele de clorofilă în timpul fotosintezei. Plantele contracarează efectul oxidativ dăunător prin acțiunea carotenoizilor. Ierbivorele care ingerează părți de plante bogate în pigmenți clorofilieni care produc oxigen singulet sunt predispuse la fotosensibilitate.

Oamenii, de exemplu, care se țin de o dietă vegană pot deveni mai sensibili la lumină și pot fi predispuși la fotodermatită. La mamifere, ROS este asociat cu oxidarea colesterolului LDL, care, la rândul său, este responsabil de efectele dăunătoare asupra sistemului cardiovascular. În medicină, este specia de oxigen activă în terapia fotodinamică.

Ozonul (O3) este o moleculă prezentă în stratul de ozon din stratosferă. Ea este capabilă să absoarbă cea mai mare parte a radiațiilor ultraviolete de la Soare. Tetraoxigenul (O4) a mai fost numit și oxozonă.

Compuși oxigenați

Apa (H2O) este unul dintre oxizii de hidrogen și cel mai comun oxid. Atomii de hidrogen sunt legați de oxigen prin legături covalente. Apa este o moleculă polară datorită oxigenului său care are o ușoară sarcină negativă, în timp ce hidrogenii săi au o ușoară sarcină pozitivă. Polaritatea apei face ca aceasta să fie un solvent excelent. Oxigenul ușor negativ atrage cationii, în timp ce hidrogenul ușor pozitiv atrage anionii. Astfel, apa are capacitatea de a disocia și ioniza moleculele. Apa, CO2, MgO, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO și ZnO sunt exemple de oxizi, care sunt, de asemenea, exemple de compuși anorganici care conțin oxigen.

Compușii organici sunt definiți în mod fundamental ca fiind acele substanțe care conțin atomi de carbon și legături Carbon-Carbon (C-C) și Carbon-Hidrogen (C-H). Exemple de compuși organici obișnuiți care conțin oxigen și R (grupa funcțională organică) sunt alcoolii (R-OH), aldehidele (R-CO-H), amidele R-C(O)-NR2, esterii (R-COO-R), eterii (R-O-R) și cetonele (R-CO-R). Alți compuși organici importanți care au oxigen sunt acidul citric, formaldehida, glicerolul, acetamida, formaldehida și glutaraldehida.

Descoperirea oxigenului

În secolele al XVII-lea și al XVIII-lea, primele experimente ale unor oameni de știință precum Robert Hooke, Ole Borch și Pierre Bayen au dus la producerea oxigenului. Cu toate acestea, acesta nu a fost recunoscut ca element chimic pe atunci. Mai degrabă, gândirea predominantă timp de multe secole a fost că cele patru elemente majore erau aerul, focul, apa și pământul. Nu se știa încă că fiecare dintre ele era alcătuit din constituenți mai simpli, care mai târziu au fost numiți elemente chimice.
Joseph Priestley 1733 – 1804, clericul britanic, a contestat această credință și a susținut că aerul era alcătuit din substanțe precum gazul pe care a observat că a fost eliberat din oxidul mercuric (HgO) în experimentele sale. El s-a referit la acest gaz ca la aerul deflogisticat. Mai târziu, gazul a primit numele de oxygène în 1777 de către Antoine Lavoisier 1743 – 1794, chimist francez.3 Priestley a fost primul care a publicat despre oxigen și, ca atare, a fost atribuit de obicei ca fiind descoperitorul oxigenului.

Numele englezesc oxygen a fost adoptat de la oxygène al lui Lavoisier, care la rândul său a fost derivat din grecescul ὀξύς (oxús, care înseamnă „ascuțit”) și -γενής (-genēs, care înseamnă „producător”). Totuși, era o denumire greșită, deoarece se credea că elementul era un constituent în formarea tuturor acizilor. Denumirea era bine stabilită, încât a rămas până în prezent, chiar și după ce s-a constatat că nu era adevărată.

Importanță biologică

În biologie, oxigenul joacă un rol crucial în diverse procese biochimice și fiziologice. Este cel mai abundent element (65% din masă) în corpul uman, urmat de: carbon (18,5%), hidrogen (9,5%), azot (3,2%), calciu (1,5%) și fosfor (1%).

Respirație

La om și la alte vertebrate terestre, dioxigenul (O2) intră în organism prin plămâni, apoi se leagă de hemoglobina globulelor roșii pentru a fi livrat în diferite părți ale corpului. Dioxidul se desprinde de hemoglobină și intră în țesuturi prin difuzie. La rândul său, dioxidul de carbon este preluat pentru a fi adus în plămâni pentru a fi eliberat în exterior.

Oxigenul intră în celulă pentru a fi utilizat de mitocondrii pentru a genera ATP prin respirație celulară. Acesta acționează ca acceptor final de electroni în lanțul de transport al electronilor în timpul fosforilării oxidative. Reacția generală a respirației celulare este: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Din moment ce utilizează oxigenul, procesul este descris ca fiind aerob. Prezența oxigenului face ca respirația celulară să fie de aproximativ zece ori mai eficientă în producerea de ATP.

Funcția imunitară

La om, peroxidul de hidrogen (H2O2), oxigenul singlet și ionii superoxid sunt unele dintre ROS care apar în mod natural ca produse secundare ale utilizării oxigenului. Aceștia sunt utilizați pentru a distruge agenții patogeni și, prin urmare, au o funcție imunitară.

Fotosinteză

Fotoautotrofele, cum ar fi cianobacteriile, algele verzi și plantele, produc oxigen prin fotosinteză. Formula generală a procesului este:
6 CO2 + 6 H2O + 6 fotoni → C6H12O6 + 6 O2
Dioxidul de carbon, apa și fotonii sunt necesari pentru a produce glucoză și O2. Oxigenul este în cele din urmă eliberat în atmosferă.

Oxigenoterapia

Se crede că oxigenul are, de asemenea, un rol terapeutic, în special în tratarea sau gestionarea țesuturilor ischemice. Oxigenoterapia, utilizarea oxigenului pentru tratament medical, este utilizată pentru a trata afecțiunile cu absorbție deficitară a oxigenului, cum ar fi pneumonia și emfizemul. Totuși, oxigenul (O2) poate fi toxic la presiuni parțiale ridicate (<50 de kilopascali). Acesta poate duce la probleme de sănătate și convulsii.

Istoria geologică a oxigenului

În urmă cu 3,85 până la 2,45 miliarde de ani, nu exista încă oxigen liber în atmosfera Pământului și majoritatea părților oceanice erau anoxice. Oxigenul liber a început să existe în atmosferă atunci când au evoluat organismele fotosintetice. Se crede că acest lucru a avut loc în urmă cu aproximativ 3,5 miliarde de ani. Prin fotosinteză, acestea utilizau dioxidul de carbon, apa și fotonii pentru a produce zaharuri. Oxigenul produs și el în urma fotosintezei era aruncat ca deșeu.
În urmă cu 2,45-1,85 milioane de ani, nivelul de oxigen a început să crească semnificativ. O mare parte din oxigenul liber produs de organisme a fost absorbit în oceane și în rocile de pe fundul mărilor. Acumularea de oxigen indusă biologic a fost denumită Marele Eveniment de Oxigenare. Se presupune că a avut loc în timpul perioadei Siderian (acum 2,5-2,3 miliarde de ani) din Era Paleoproterozoică. Acumularea semnificativă de oxigen liber a cauzat dispariția multor anaerobi obligatorii.

Oxigenul liber a început să iasă din oceane în urmă cu 1,85 până la 0,85 miliarde de ani. Suprafețele terestre au absorbit o mare parte din el. De atunci și până în prezent, oxigenul liber s-a acumulat în cele din urmă în atmosferă, în special atunci când rezervoarele de oxigen s-au umplut. Evoluția organismelor care puteau metaboliza oxigenul a frânat creșterea oxigenului liber disponibil.

În perioada Carboniferului (358,9-298,9 milioane de ani în urmă) din era Paleozoică, nivelul de oxigen din atmosferă a crescut la 35% în volum. Se crede că acest lucru a fost un factor care a contribuit la evoluția insectelor și amfibienilor de dimensiuni mari. De asemenea, s-a emis ipoteza că disponibilitatea oxigenului a dus la diversitatea organismelor aerobe.4

Ciclul oxigenului

Oxigenul este al treilea cel mai abundent element din univers, după hidrogen și heliu. Prin urmare, el apare pe scară largă și este ciclat pe Pământ. Ciclul oxigenului este unul dintre ciclurile biogeochimice de pe Pământ, fiind transformat dintr-o formă în alta.

Cele patru rezervoare principale de oxigen sunt atmosfera, hidrosfera, litosfera și biosfera. Litosfera este cel mai mare rezervor, în special în mineralele de silicați și oxizi din crusta și mantaua Pământului. În atmosferă, oxigenul se găsește predominant sub formă de dioxigen. De asemenea, are și alte molecule oxigenate, cum ar fi ozonul (O3), CO2, H2O (sub formă de vapori de apă) și alți oxizi. Concentrația mare de ozon explică formarea scutului UV, numit strat de ozon, în stratosferă. În hidrosferă, oxigenul se găsește în moleculele de apă, în acizii carbonici și sub formă de oxigen liber. O sursă majoră de oxigen provine din biosferă, ca produs secundar al procesului biologic, fotosinteza. Fotoliza formează, de asemenea, oxigen. Aceasta descompune apa și protoxidul de azot pentru a elibera oxigen liber în atmosferă, în timp ce hidrogenul și azotul, în spațiu. Animalele marine cu cochilii de carbonat de calciu servesc, de asemenea, drept sursă biologică. Când mor, carbonatul de calciu din cochilia lor se încorporează în rocile sedimentare calcaroase.

Oxigenul liber din atmosferă este metabolizat de animalele aerobe pentru respirație. Și, făcând acest lucru, ele eliberează dioxid de carbon.

Litosfera absoarbe oxigenul liber din atmosferă în alterarea chimică, cum ar fi în formarea ruginei.

Citește:

• Transportul oxigenului în fotosinteza sangvină
• Cell Respiration – Biology Online Tutorial

2. 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 (în engleză). 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 ianuarie). Retrieved from www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
5. Hickey, H. (2015, 1 ianuarie). Oxigenul a oferit suflul vieții care a permis animalelor să evolueze. Retrieved from www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

.