Oxigén

Az oxigén a periódusos rendszer kémiai elemeinek egyike. Vegyjele O, rendszáma 8. Neve görög eredetű, a ὀξύς (oxys; ’sav’, szó szerint ’heveny’, utalva a savak savanyú ízére) és a -γενής (-genes; ’nemző’) szavak összetételéből származik; mert elnevezése idején még tévesen úgy gondolták, hogy az oxigén az összes savhoz szükséges összetevő. Régies magyar elnevezése éleny vagy savító. Standard hőmérsékleten és nyomáson az oxigénatomok párosával egymáshoz kötődnek, az így létrejött kétatomos dioxigén (O2) színtelen, szagtalan, íztelen gáz. Ez a molekula a légkör fontos részét képezi, nélkülözhetetlen a szárazföldi élet fenntartásához.

Az oxigén az oxigéncsoport elemei közé tartozik; erősen reaktív nemfémes elem, amely más elemekkel könnyen képez vegyületeket (úgynevezett oxidokat), a három legkönnyebb nemesgáz, a hélium, a neon és az argon kivételével. Az oxigén nagyon erős oxidálószer, az elemek közül csak a fluor elektronegativitása nagyobb. Az oxigén – tömegre vetítve – a világegyetem harmadik leggyakoribb eleme a hidrogén és a hélium után;Emsley 2001, p.297 egyben a Föld leggyakoribb eleme is, hiszen a földkéreg tömegének majdnem felét oxigén teszi ki (természetesen kötött állapotban). Az oxigén kémiailag túl reaktív ahhoz, hogy hosszabb ideig elemi formában megmaradjon a légkörben. Az élő szervezetek fotoszintézise – melynek során a napfény energiájának felhasználásával vízből elemi oxigént állítanak elő – biztosítja folyamatos utánpótlását. A szabad, elemi oxigén mintegy ezelőtt kezdett felhalmozódni a légkörben (nagy oxigenizációs esemény) körülbelül egymilliárd évvel ezen organizmusok első megjelenése után. A kétatomos oxigéngáz a levegő térfogatának %-át alkotja.

Az élőlények tömegének legnagyobb részét az oxigén képezi, mert azok fő alkotóeleme a víz (például az emberi testtömeg körülbelül kétharmada). Az oxigén megtalálható az élő szervezetekben előforduló számos fontos szerves kémiai vegyületcsoportban – mint például a fehérjék, nukleinsavak, szénhidrátok, és zsírok –, akárcsak a jelentős szervetlen vegyületekben, amelyek az állati fogakat, csontokat, héjakat, páncélokat alkotják. A cianobaktériumok, algák és növények által termelt elemi oxigént minden bonyolult élet a sejtlégzéskor használja fel. Az oxigén mérgező a szigorúan anaerob szervezetek számára, melyek a korai élet domináns formái voltak a Földön, amíg az O2 el nem kezdett felhalmozódni a légkörben. Az oxigén allotrop módosulata, az ózon (O3), jelentős mértékben elnyeli az UV-B sugárzást, így a nagy magasságban kialakult ózonréteg megvédi a bioszférát az ultraibolya sugárzás káros hatásaitól. Az ózon ugyanakkor a felszín közelében a szmog melléktermékeként kialakuló szennyezőanyag. Ennél nagyobb magasságban, alacsony Föld körüli pályán az atomos oxigén jelentős mennyiségben van jelen, ez okozza az űrjárművek erózióját.

Az oxigént egymástól függetlenül fedezte fel Carl Wilhelm Scheele 1773-ban (vagy korábban) Uppsalában; illetve Joseph Priestley 1774-ben Wiltshire-ben; mivel azonban Priestley munkája előbb jelent meg, gyakran neki tulajdonítják az elsőséget. Az oxigén nevet Antoine Laurent de Lavoisier francia kémikus alkotta meg 1777-ben, akinek az elemmel elvégzett kísérletei hozzájárultak az égés és korrózió akkoriban népszerű flogisztonelméletének megcáfolásában. Az oxigént az iparban cseppfolyósított levegő szakaszos lepárlásával; víz elektrolízisével; illetve zeolitok és nyomás adszorpció (pressure swing adsorption) alkalmazásával állítják elő. Az oxigént számos területen alkalmazzák, beleértve a műanyag-, textil- és acélgyártást; az acél és más fémek forrasztását, hegesztését és vágását; a rakéta-hajtóanyagot; az oxigénterápiát; illetve a repülőgépek, tengeralattjárók, az űrrepülés és a búvárkodás létfenntartó rendszereit.

Tulajdonságai Szerkezete Standard hőmérsékleten és nyomáson az oxigén színtelen, szagtalan gáz. Molekulaképlete O2, melyben a két oxigénatom triplett spinű elektronkonfigurációban kapcsolódik egymáshoz. Ennek a kötésnek a kötésrendje 2, de gyakran egyszerűen csak kettős kötésként vagy egy kételektronos és két háromelektronos kötés kombinációjaként hivatkoznak rá.

bélyeg|bal|150px|O2 oxigénmolekula

A triplett oxigén (nem tévesztendő össze az O3 vegyképletű ózonnal) az alapállapotú dioxigén molekula. A molekula elektronszerkezete két párosítatlan elektront tartalmaz, amelyek két degenerált molekulapályán találhatóak.A pálya kvantummechanikai fogalom, mely az atom vagy molekula körül valamilyen térbeli eloszlással rendelkező hullámtermészetű részecskeként modellezi az elektront. Ezek a molekulapályák lazítónak minősülnek (a kötésrendet háromról kettőre csökkentik); így a kétatomos oxigén kötése gyengébb, mint a kétatomos nitrogén hármas kötése.

Normál triplett állapotban a dioxigénmolekula paramágneses, azaz a párosítatlan elektronok spinjének mágneses momentuma és a szomszédos molekulák közötti negatív kicserélődési energia miatt az oxigén mágneses mező jelenlétében mágnest alkot. A folyékony oxigén olyan mértékben vonzódik a mágneshez, hogy laboratóriumi bemutatók során egy erős mágnes pólusai között kialakult folyékony oxigénhíd akár még saját súlyát is képes lehet megtartani.

A szingulett oxigén több, nagyobb energiájú (gerjesztett állapotú) molekuláris oxigén fajtát takar, amelyekben az összes elektronspin párosított. Sokkal reakcióképesebb a szerves molekulákkal szemben, mint önmagában a közönséges dioxigén. A természetben a szingulett oxigén általában vízből, fotoszintézis során keletkezik, a napfény energiájának felhasználásával. A troposzférában az ózon fotolízise által keletkezik, rövid hullámhosszú fény hatására; valamint az immunrendszer is előállítja mint aktív oxigénforrás. A fotoszintetizáló organizmusokban (és esetleg még az állatokban) található karotinoidok fontos szerepet játszanak a szingulett oxigén energiájának elnyelésében, és gerjesztetlen alapállapotúvá alakításában, még mielőtt az kárt okozhatna a szövetekben.

Allotrop módosulatai

Az elemi oxigén leggyakoribb allotrop módosulata a Földön az O2 vegyképletű dioxigén. Ebben a molekulában a kötés hossza , a kötés energiája pedig . Ez az oxigén azon formája, melyet a komplex élet a sejtlégzés során hasznosítani tud, illetve amely a Föld légkörének jelentős részét teszi ki.

bélyeg|150px|left|Az ózon ritka gáz a Földön, többnyire a sztratoszférában fordul elő

A trioxigén (O3) vagy ismertebb nevén ózon, az oxigén egy nagyon reaktív allotrópja, amely károsítja a tüdőszöveteket. Az ózon a felső légkörben keletkezik, amikor az O2 atomos oxigénnel egyesül; ez utóbbi a kétatomos oxigénmolekula ultraibolya (UV) sugárzás általi felhasítása révén jön létre. Mivel az ózon jól elnyeli az elektromágneses sugárzás UV tartományba eső részét, ezért a földi felső légkör ózonrétege mintegy védőpajzsként szolgál e sugárzással szemben. Közel a Föld felszínéhez azonban az ózon szennyezőanyag, amely a gépjárművek kipufogógázainak melléktermékeként alakul ki. A metastabil tetraoxigén (O4) molekulát 2001-ben fedezték fel, és azt feltételezték, hogy a szilárd oxigén hat fázisának egyikében létezik. 2006-ban igazolták, hogy ez a nyomáson létrejövő fázis valójában romboéderes O8 klaszter. Ez a klaszter potenciálisan sokkal erősebb oxidálószer, mint akár az O2, akár az O3, ezért felhasználható lehet rakéta-hajtóanyagban. Fémes fázisát 1990-ben fedezték fel, amikor szilárd oxigént feletti nyomásnak tettek ki, 1998-ban pedig kimutatták, hogy ez a fázis nagyon alacsony hőmérsékleten szupravezetővé válik.

Fizikai tulajdonságai Az oxigén apoláris tulajdonsága miatt a vízben rosszul, bár a nitrogénnél jobban oldódik. A levegővel egyensúlyi állapotban levő vízben két oldott N2-molekulára körülbelül egy O2-molekula jut, szemben a légköri mintegy 4:1-es aránnyal. Az oxigén vízoldhatósága hőmérsékletfüggő, -on körülbelül kétszer annyi (), mint -on (). -on, normál légköri nyomáson () az édesvíz literenként körülbelül ; míg a tengervíz literenként körülbelül oxigént tartalmaz. -on az oldhatóság édesvíz esetében ; tengervíz esetében emelkedik literenként.

bélyeg|jobbra|220px|Oxigénnel töltött gázkisülési cső

Az oxigén -on () lecsapódik, és -on () megfagy. Folyékony és szilárd halmazállapotban is tiszta, halvány égkék színű anyag; színét a vörös tartományba eső fény abszorpciója okozza (ellentétben az ég kékjével, melynek oka a kék fény Rayleigh-szórása). Nagy tisztaságú folyékony oxigént általában cseppfolyósított levegő szakaszos lepárlásával (frakcionált desztilláció) állítanak elő. Folyékony oxigént a levegőből történő kondenzálásával is elő lehet állítani, ehhez folyékony nitrogén hűtőközeget használnak. A cseppfolyós oxigén rendkívül reakcióképes anyag, gyúlékony anyagoktól el kell különíteni.

Kémiai tulajdonságai Az oxigén szobahőmérsékleten kevéssé reakcióképes, magasabb hőmérsékleten azonban csaknem minden elemmel egyesül. Szobahőmérsékleten is képes oxidálni elemeket, magas hőmérsékleten exoterm reakcióban egyesül velük (égés). Erős oxidálószer, az oxidáció a vele kapcsolatos megfigyelések folyományaként kapta a nevét. Apoláris oldószerekben jól oldódik. Az egyatomos oxigén (mint minden naszcensz atom) annyira reagens, hogy a természetben csak nagyon rövid ideig létezik (jelölése 'O').

reakciója fémekkel:

reakciója nemfémes elemekkel:

reakciója szervetlen vegyületekkel:

reakciója szerves vegyületekkel:

az ózonképződés egyenlete: (reverzibilis)

Izotópjai bélyeg|220px|A nagytömegű csillagok életének végén az oxigén-16 az O rétegben, az oxigén-17 a H-rétegben, az oxigén-18 a He-rétegben koncentrálódik

A természetben előforduló oxigén három stabil izotópból áll: 16O, 17O és 18O; melyek közül a leggyakoribb az oxigén-16 (természetes előfordulása %). A legtöbb oxigén-16 a nagyobb tömegű csillagokban, a hélium fúzió (háromalfa-ciklus) végén szintetizálódik, de valamennyi a neon-égési folyamat során is keletkezik. Az oxigén-17 izotóp elsősorban a CNO-ciklus során keletkezik, amelyben a hidrogén héliummá ég el; így gyakori izotóp a csillagok hidrogén-zónájában. Az oxigén-18 legnagyobb részben akkor keletkezik, amikor a CNO-ciklusban létrejött 14N befogja a 4He atommagot. Emiatt az oxigén-18 a fejlett, nagy tömegű csillagok héliumban gazdag zónáiban gyakori izotóp.

Az oxigén tizennégy radioizotópja ismert. felezési idővel a legstabilabb az oxigén-15, őt követi az oxigén-14, melynek felezési ideje . Az összes többi radioaktív izotóp felezési ideje kevesebb, mint ; de a többségre elmondható, hogy -nél is rövidebb. Az 16O-nál könnyebb radioizotópok leggyakoribb bomlási módja a β+ bomlás, amely nitrogént eredményez; a 18O-nál nehezebb izotópok béta-bomlása fluor keletkezéséhez vezet.

Előfordulása

+A tíz leggyakoribb elem a Tejútrendszerben(spektroszkópiai becslés) Z Elem Koncentráció(ppm) 1 hidrogén 2 hélium 8 oxigén 6 szén 4600 10 neon 1340 26 vas 1090 7 nitrogén 960 14 szilícium 650 12 magnézium 580 16 kén 440

Az oxigén a földi bioszféra; a légkör, a tengerek és a szárazföldek tömegének leggyakoribb kémiai eleme. A hidrogén és a hélium után az oxigén a harmadik leggyakoribb elem az univerzumban. A Nap tömegének körülbelül %-át oxigén alkotja. A földkéreg tömegének %-a oxigén, és a fő alkotóeleme a világ óceánjainak (); mind kötött, mind szabad állapotban előfordul. Az oxigéngáz a Föld légkörének második leggyakoribb eleme (), tömege mintegy 1015 tonna ().Emsley 2001, p.298A közölt értékek a földfelszín feletti magasságra vonatkoznak. A Föld szokatlan a Naprendszer bolygói között abban a tekintetben, hogy a légkörben ilyen nagy mennyiségben található meg az oxigéngáz: a marsi () és vénuszi légkör jóval alacsonyabb koncentrációban tartalmazza. A környező bolygókon azonban az O2 kizárólag az oxigéntartalmú molekulák (például szén-dioxid) ultraibolya sugárzás hatására történő felhasadása révén jön létre.

bélyeg|220px|bal|A hideg víz több oldott oxigént tartalmaz