Oxigén (O): tulajdonságok, előfordulás és biológiai szerep

Korai kísérletek

Az egyik első ismert kísérletet, amely arra vonatkozott, hogy az égéshez levegőre van szükség, a bizánci görög Philo végezte el a Kr. e. 2. században. Pneumatica című művében azt írta, hogy egy edényt fejjel lefelé fordítva egy égő gyertya fölé, és vizet téve az edény köré, egy kis víz került az edénybe. Philón úgy vélte, hogy ez azért történt, mert a levegő a klasszikus tűz elemmé változott. Ez tévedés volt. Sok idővel később Leonardo da Vinci helyesen dolgozta ki, hogy az égés során a levegő elfogyott, ami a vizet az edénybe kényszerítette.

A 17. század végén Robert Boyle megállapította, hogy az égéshez levegőre van szükség. John Mayow angol kémikus ezt azzal egészítette ki, hogy kimutatta, hogy a tűznek csak egy része levegőre van szüksége. Ezt ma már oxigénnek nevezzük (dioxigén formájában). Egyik kísérletében azt találta, hogy egy gyertyát egy zárt edénybe helyezve a víz a levegő térfogatának egynegyedét pótolja a tartályban, mielőtt kialszik. Ugyanez történt, amikor egy egeret tett a dobozba. Ebből arra következtetett, hogy az oxigén a légzéshez és az égéshez szükséges.

A flogiszton elmélet

Robert Hooke, Ole Borch, Mihail Lomonoszov és Pierre Bayen a 17. és 18. században mindannyian kísérleteztek oxigénnel. Egyikük sem gondolta, hogy ez egy kémiai elem. Ennek oka valószínűleg a flogiszton-elmélet elképzelése volt. Ez volt az, amiről a legtöbben azt hitték, hogy égést és korróziót okoz.

J. J. Becher 1667-ben alkotta meg, Georg Ernst Stahl pedig 1731-ben egészítette ki. A flogisztonelmélet szerint minden éghető anyag két részből áll. Az egyik rész, az úgynevezett flogiszton, az azt tartalmazó anyag elégetésekor szabadul fel.

A nagyon jól éghető anyagokról, amelyek csak kis mennyiségű maradékot hagynak maguk után, mint például a fa vagy a szén, azt gondolták, hogy flagisztonból készülnek. Az olyan dolgokról, amelyek korrodálódnak, mint a vas, azt gondolták, hogy csak kis mennyiségben tartalmaznak. A levegő nem volt része ennek az elméletnek.

Discovery

A lengyel alkimista, filozófus és orvos, Michael Sendivogius a levegőben lévő anyagról beszélt, amelyet az "élet táplálékának" nevezett, és ez az anyag az oxigén. Sendivogius 1598 és 1604 között megállapította, hogy ez az anyag ugyanaz, mint ami a kálium-nitrát hőbomlása során keletkezik. Egyesek szerint ez volt az oxigén felfedezése, míg mások nem értenek ezzel egyet.

Azt is gyakran mondják, hogy az oxigént először Carl Wilhelm Scheele svéd gyógyszerész fedezte fel. Ő 1771-ben higany-oxid és néhány nitrát hevítésével állított elő oxigént. Scheele az általa előállított gázt "tűzlevegőnek" nevezte, mivel ez volt az egyetlen ismert gáz, amely lehetővé tette az égést. Felfedezését 1777-ben publikálta.

1774. augusztus 1-jén Joseph Priestley brit lelkész kísérletében a napfényt egy üvegcsőben lévő higany-oxidra irányította. Ezáltal egy olyan gáz keletkezett, amelyet ő "deflogisztikus levegőnek" nevezett el. Azt is megállapította, hogy a gyertyák fényesebben égtek a gázban, és az egerek tovább éltek, miközben belélegezték azt. Amikor belélegezte a gázt, azt mondta (leegyszerűsítve): "Olyan érzés volt, mint a normális levegő, de a tüdőm utána könnyebbnek és könnyebbnek éreztem". Eredményeit 1775-ben publikálták. Mivel az ő eredményeit publikálták először, általában őt szokták az oxigén felfedezőjének mondani.

Antoine Lavoisier francia kémikus később azt mondta, hogy ő is felfedezte az anyagot. Priestly 1774-ben meglátogatta őt, és beszámolt neki a kísérletéről. Scheele ugyanebben az évben levelet is küldött Lavoisier-nek, amelyben beszámolt felfedezéséről.

Lavoisier hozzájárulása

Lavoisier végezte el az első főbb oxidációs kísérleteket, és ő adta az első helyes magyarázatot az égés működésére. Ezekkel és más kísérletekkel bebizonyította a flogiszton-elmélet téves voltát. Azt is megpróbálta bebizonyítani, hogy a Priestley és Scheele által felfedezett anyag kémiai elem.

Egy kísérletben Lavoisier megállapította, hogy az ón és a levegő zárt tartályban történő felmelegítésekor a tömeg nem növekedett. Azt is megállapította, hogy a tartály kinyitásakor levegő áramlik be. Ezt követően megállapította, hogy az ón tömege ugyanannyival nőtt, mint a beáramló levegőé. Eredményeit 1777-ben publikálta. Azt írta, hogy a levegő két gázból áll. Az egyiket "életfontosságú levegőnek" (oxigén) nevezte, amely az égéshez és a légzéshez szükséges. A másikat "azote"-nak (nitrogén) nevezte el, ami görögül "élettelent" jelent. Egyes nyelvekben, köztük a franciában ma is így nevezik a nitrogént.

Lavoisier az "éltető levegőt" átnevezte "oxygène"-re, ami görögül "savakból előállítót" jelent. Azért nevezte így, mert úgy gondolta, hogy az oxigén minden savban benne van, ami tévedés volt. Sok kémikus rájött, hogy Lavoiser tévedett az elnevezésben, de a név addigra már túlságosan elterjedt volt ahhoz, hogy megváltoztassák.

Az angol nyelvben az "oxigén" lett az elnevezés, annak ellenére, hogy az angol tudósok ellenezték.

Későbbi történelem

John Dalton atomelmélete szerint minden elemnek egy atomja van, és a vegyületekben lévő atomok általában egyedül vannak. Tévesen gondolta például, hogy a víz (_H2O) képlete csak HO. Joseph Louis Gay-Lussac és Alexander von Humboldt 1805-ben kimutatták, hogy a víz két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll. 1811-re Amedeo Avogadro az Avogadro-törvény alapján helyesen kiszámította, hogy miből áll a víz.

A 19. század végére a tudósok rájöttek, hogy a levegőt folyadékká lehet alakítani, és a benne lévő vegyületeket el lehet különíteni a levegő összenyomásával és lehűtésével. Raoul Pictet svájci kémikus és fizikus úgy fedezte fel a folyékony oxigént, hogy kén-dioxid elpárologtatásával a szén-dioxidot folyadékká alakította. Ezt aztán szintén elpárologtatta, hogy az oxigéngázt lehűtse, hogy folyékonnyá alakítsa. 1877. december 22-én táviratot küldött a Francia Tudományos Akadémiának, amelyben közölte felfedezését.

Tulajdonságok és molekulaszerkezet

Normál hőmérsékleten és nyomáson az oxigénnek nincs színe, szaga vagy íze, kémiai képlete O
_2, az úgynevezett dioxigén_.

Diooxigénként két oxigénatom kémiailag kapcsolódik egymáshoz. Ezt a kötést sokféleképpen lehet nevezni, de egyszerűen kovalens kettős kötésnek nevezik. A dioxigén nagyon reaktív, és sok más elemmel reakcióba léphet. Oxidok akkor keletkeznek, amikor fémelemek reagálnak a dioxigénnel, mint például a vasoxid, amelyet rozsda néven ismerünk. A Földön rengeteg oxidvegyület létezik.

Allotrópok

A Földön az oxigén közös allotípusát (típusát) dioxigénnek (O2) nevezik. Ez a földi légkör második legnagyobb része a dinitrogén (N2) után. Az O2 kötéshossza 121 pm, kötési energiája pedig 498 kJ/mol Energiája miatt az O2-t az összetett élet, például az állatok használják.

Az ózon (O3) nagyon reaktív, és belélegezve károsítja a tüdőt. Az ózon a felső légkörben keletkezik, amikor az O2 egyesül a tiszta oxigénnel, amely az O2 ultraibolya sugárzás általi felhasadásakor keletkezik. Az ózon sok sugárzást elnyel az elektromágneses spektrum UV részében, ezért a felső légkörben lévő ózonréteg védi a Földet a sugárzástól.

A tetraoxigént (O4) 2001-ben fedezték fel. Csak extrém körülmények között létezik, amikor az O2-re nagy nyomás nehezedik.

Fizikai tulajdonságok

Az oxigén könnyebben oldódik a levegőből a vízbe, mint a nitrogén. Ha ugyanannyi levegő és víz van jelen, akkor minden 2 N2-molekulára 1 O2-molekula jut (1:2 arány). Ez eltér a levegőtől, ahol 1:4 az oxigén és a nitrogén aránya. Az O2 is könnyebben oldódik az édesvízben, mint a tengervízben. Az oxigén 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) hőmérsékleten kondenzálódik, és 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F) hőmérsékleten fagy meg. Mind a folyékony, mind a szilárd O2 átlátszó, világoskék színű.

Az oxigén nagyon reaktív, és távol kell tartani mindentől, ami éghet.

Izotópok

A természetben az oxigénnek három stabil izotópja van. Ezek a ^16O, ^17O és ^18O. Az oxigén mintegy 99,7%-a a ^16O izotóp.

Előfordulás

Az oxigén a Földön a tömegét tekintve leggyakoribb elem. A világegyetemben a hidrogén és a hélium után a harmadik leggyakoribb elem. A Nap tömegének körülbelül 0,9%-a oxigén. Az oxigén a földkéreg 49,2%-át teszi ki, olyan oxidvegyületek részeként, mint a szilícium-dioxid. A Föld óceánjainak is ez a fő alkotóeleme, tömegének 88,8%-át teszi ki. Az oxigéngáz a második leggyakoribb része a légkörnek, tömegének 20,8%-át, térfogatának 23,1%-át teszi ki. A Föld más ismert bolygókhoz képest furcsa, mivel légkörének nagy része oxigéngáz. A Mars térfogatának 0,1%-a O2, a Naprendszer többi bolygója ennél kevesebbet tartalmaz.

A Földön található nagy mennyiségű oxigéngáz az oxigén körforgásának köszönhető. Ezt főként a fotoszintézis szabályozza, amely szén-dioxidból, vízből és a Nap energiájából oxigéngázt állít elő. A légzés ezután kivonja az oxigéngázt a légkörből, és visszaalakítja szén-dioxiddá és vízzé. Ez ugyanolyan ütemben történik, így az oxigéngáz és a szén-dioxid mennyisége nem változik emiatt.

Orvosi

Az O2 nagyon fontos része a légzésnek. Emiatt használják az orvostudományban. Arra használják, hogy növeljék az oxigén mennyiségét a személy vérében, hogy több légzés történhessen. Ezáltal gyorsabban egészségesekké válhatnak, ha betegek. Az oxigénterápiát tüdőtágulás, tüdőgyulladás, egyes szívproblémák és minden olyan betegség kezelésére használják, amely megnehezíti az oxigénfelvételt.

Életfenntartás

Az űrruhákban alacsony nyomású O2-t használnak, amely a testet a gázzal veszi körül. Tiszta oxigént használnak, de sokkal alacsonyabb nyomáson. Ha a nyomás magasabb lenne, mérgező lenne.

Az oxigén NFPA 704 szerint a sűrített oxigéngáz nem veszélyes az egészségre és nem gyúlékony.

Toxicitás

Nagy nyomáson az oxigéngáz (O2) veszélyes lehet az állatokra, beleértve az embereket is. Görcsöket és más egészségügyi problémákat okozhat. Az oxigénmérgezés általában 50 kilopascal (kPa) feletti nyomáson kezdődik, ami a levegőben normál nyomáson körülbelül 50% oxigénnek felel meg (a földi levegő oxigéntartalma körülbelül 20%).

A koraszülött csecsemőket korábban nagy mennyiségű O2-t tartalmazó levegővel teli dobozokba helyezték. Ezt abbahagyták, amikor néhány csecsemő megvakult az oxigéntől.

A tiszta O2 belélegzése az űrruhában nem okoz kárt, mivel alacsonyabb nyomást alkalmaznak.

Égési és egyéb veszélyek

A koncentrált mennyiségű tiszta O2 gyors tüzet okozhat. Ha a koncentrált oxigén és a tüzelőanyagok közel kerülnek egymáshoz, egy kis gyulladás hatalmas tüzet okozhat. Az Apollo-1 legénysége mindannyian a kapszula levegőjében használt koncentrált oxigén miatt keletkezett tűzben vesztette életét.

Ha a folyékony oxigén szerves vegyületekre, például fára kerül, felrobbanhat.