L'oxigen triplet és l'estat fonamental de la molècula O₂.[9] La configuració electrònica de la molècula presenta doselectrons no aparellats que ocupen dosorbitals molecularsdegenerats.[10] Aquests orbitals són considerats com d'antienllaç (que debiliten l'ordre d'enllaç de tres a dos), de manera que l'enllaç diatòmic de l'oxigen és més feble que l'enllaç triple diatòmic delnitrogen, en què tots els orbitals moleculars d'enllaç estan ocupats, però alguns orbitals d'antienllaç no ho estan.[9]
En la forma triplet normal, les molècules de O₂ sónparamagnètiques (formen unimant en presència d'uncamp magnètic) a causa delmoment magnètic d'espín dels electrons no aparellats de la molècula i l'energia d'intercanvi entre molècules veïnes de O₂.[11] L'oxigen líquid és atret pels imants fins a tal punt que, en experiments de laboratori, es pot sostenir un pont d'oxigen líquid pel seu propi pes entre els pols d'un imant potent.[12][13]
L'oxigen singlet, un nom que es dona a diverses espècies d'alta energia de O₂ molecular en què tots els espins d'electrons estan aparellats, és molt més reactiu amb lesmolècules orgàniques comunes. A la natura, l'oxigen singlet es forma habitualment durant lafotosíntesi, mitjançant l'energia de lallum solar.[14] També és produït a latroposfera per lafotòlisi de l'ozó per part de llum de longitud d'ona curta,[15] i pelsistema immunitari com a font d'oxigen actiu.[16] Elscarotenoides dels organismes fotosintètics (i possiblement també en els animals) tenen un paper important en l'absorció d'energia de l'oxigen singlet i en la conversió a l'estat fonamental no excitat abans que pugui danyar elsteixits.[17]
L'ozó és un gas rar que a la Terra es troba principalment a l'estratosfera.
L'al·lòtrop comú de l'oxigen elemental de la Terra s'anomena dioxigen, O₂. Té una longitud d'enllaç de 121 pm i una energia d'enllaç de 498 kJ·mol-1.[18] Aquesta és la forma utilitzada per les formes complexes de vida, com ara elsanimals, en larespiració cel·lular (vegeurol biològic) i és la forma que representa una part important de l'atmosfera terrestre (vegeuabundància). Els altres aspectes de l'O₂ són tractats a la resta d'aquest article.
El trioxigen (O₃), conegut habitualment com aozó, és un al·lòtrop molt reactiu de l'oxigen que danya elteixit pulmonar.[19] L'ozó és produït a l'atmosfera superior quan l'O₂ es combina amb l'oxigen atòmic format per la fragmentació de l'O₂ per part de la radiacióultraviolada (UV).[6] Com que l'ozó absorbeix gran part de la regió UV de l'espectre, lacapa d'ozó de l'atmosfera superior funciona com a escut protector delplaneta contra la radiació.[6] Tanmateix, a prop de la superfície és uncontaminant format com a subproducte del gas d'escapament dels automòbils.[20]
La molèculametaestabletetraoxigen (O₄ fou descoberta el 2001,[21][22] i s'assumí que existia en un dels sis estats de l'oxigen sòlid). El 2006 es demostrà que aquest estat, creat mitjançant la pressurització de l'O₂ a 20 GPa, és en realitat unclústerromboèdric de l'O₈.[23] Aquest clúster té el potencial per ser unoxidant molt més potent que l'O₂ o l'O₃, per la qual cosa se'l podria utilitzar com acombustible de coets.[21][22] El 1990 se'n descobrí un estat metàl·lic que es produeix quan se sotmet l'oxigen sòlid a una pressió de més de 96 GPa[24] i el 1998 es demostrà que a temperatures molt baixes, aquest estat esdevésuperconductor.[25]
L'oxigen és méssoluble enaigua que elnitrogen; l'aigua conté aproximadament una molècula d'O₂ per cada dues molècules d'N₂, en comparació amb una ràtio atmosfèrica d'aproximadament 1:4. Lasolubilitat de l'oxigen en aigua depèn de latemperatura, de tal manera que es pot dissoldre gairebé el doble d'oxigen (14,6 mg·L−1) a 0 °C que a 20 °C (7,6 mg·L−1).[26] A 25 °C i 4 atm a l'aire, l'aigua dolça conté aproximadament 6,04 mil·lilitres (mL) d'oxigen perlitre, mentre que -en les mateixes condicions- l'aigua marina en conté aproximadament 4,95.[27] A 5 °C la solubilitat augmenta a 9,0 mL (un 50% més que a 25 °C) per litre per a l'aigua dolça, i a 7,2 mL (un 45% més) per litre per a l'aigua salada.
L'oxigen esliqua a 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) i escongela a 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F).[28] Tant l'O₂líquid com elsòlid són substànciestransparents, però que en grans masses adquireixen uncolorblau cel causat per l'absorció de lavermella, mentre que lablava, a causa de ladifusió de Rayleigh, no s'absorbeix (o ho fa molt menys). Se sol obtenir O₂ líquid de gran puresa perdestil·lació fraccionada de l'aireliquat;[29] també es pot produir oxigen líquid per condensació a partir de l'aire, utilitzant nitrogen líquid com a refrigerant. És una substància altament reactiva i cal allunyar-lo dels materials combustibles.[30]
Cap al final de la vida d'una estrella massiva, es concentra ¹⁶O a la capa O,17O a la capa H i18O a la capa He.
L'oxigen d'ocurrència natural es compon de tresisòtops estables, el ¹⁶O, el17O i el18O, sent el ¹⁶O el més abundant (99,762% d'abundància natural).[31]
La part més gran del ¹⁶O éssintetitzada al final del procés defusió de l'heli delsestels, però també se'n produeix una mica en elprocés de combustió del neó.[32] El17O es forma principalment per la combustió d'hidrogen enheli durant elcicle CNO, cosa que en fa un isòtop comú en les zones consumidores d'hidrogen de les estrelles.[32] La majoria del18O és produït quan el¹⁴N (abundant a causa de la combustió CNO) captura un nucli d'4He, fent que el18O sigui comú a les zones riques en heli de les estrelles.[32]
L'oxigen és l'element químic més abundant en massa a la biosfera, l'aire, el mar i la terra.L'oxigen és el tercer element químic més abundant de l'Univers, després de l'hidrogen i l'heli.[1] Aproximadament un 0,9% de la massa delSol és oxigen.[3] L'oxigen constitueix un 49,2% de l'escorça terrestre en massa[2] i és el component principal delsoceans de la Terra (88,8%) en massa.[3] El gas oxigen és el segon component més comú de l'atmosfera terrestre, ja que en representa un 21,0% del volum i un 23,1% de la massa (aproximadament 1015 tones).[3][36][37] La Terra és rara entre els planetes delsistema solar per l'elevada concentració de gas oxigen en la seva atmosfera:Mart (amb 0,1% d'O₂ en volum) iVenus tenen concentracions molt més baixes. Tanmateix, l'O₂ que envolta aquests altres planetes és produït només per l'impacte de laradiació ultraviolada sobre molècules amb oxigen, com ara eldiòxid de carboni.
L'aigua freda conté més O₂ dissolt.
La concentració particularment elevada d'oxigen a la Terra és el resultat delcicle de l'oxigen. Aquestcicle biogeoquímic descriu el desplaçament de l'oxigen a dins i entre els tres principals reservoris ala Terra: l'atmosfera, labiosfera i lalitosfera. El factor impulsor principal del cicle de l'oxigen és lafotosíntesi oxigènica, que és la responsable de la presència d'oxigen a l'atmosfera actual de la Terra. La fotosíntesi oxigènica (la que fan lesplantes, lesalgues i elscianobacteris) allibera oxigen a l'atmosfera, i larespiració i la desintegració l'eliminen de l'atmosfera. En l'equilibri present, la producció i el consum d'oxigen s'esdevenen al mateix ritme, d'aproximadament 1/2.000 del total d'oxigen atmosfèric per any.
També hi ha oxigen lliure dissolt a les masses d'aigua de la Terra. La solubilitat augmentada de l'O₂ (vegeupropietats físiques) té conseqüències importants per a la vida als oceans, car els oceans polars suporten una densitat de vida molt superior gràcies al contingut més elevat d'oxigen.[38] L'aigua contaminada pot tenir una quantitat reduïda d'O₂, exhaurida per algues i altres biomaterials en descomposició (vegeueutrofització). Els científics avaluen aquest aspecte de la qualitat de l'aigua mesurant-ne lademanda bioquímica d'oxigen o la quantitat d'O₂ necessària per retornar-lo a la concentració normal.[39]
Una fórmula general simplificada de la fotosíntesi és aquesta:[41]
6CO₂ + 6H₂O +fotons → C₆H₁₂O₆ + 6O₂(o simplement diòxid de carboni + aigua + llum solar → glucosa + dioxigen)
Lafotòlisi de l'aigua es produeix a lesmembranes tilacoïdals dels organismes fotosintètics i requereix l'energia de quatrefotons.[42] Hi ha molts passos, però el resultat és la formació d'un gradient deprotons a través de la membrana tilacoïdal, que s'utilitza per sintetitzarATP mitjançantfotofosforilació.[43] L'O₂ restant després de l'oxidació de la molècula d'aigua és alliberat a l'atmosfera.[44]
Relació entre la fotosíntesi i la respiració. L'oxigen (a l'esquerra) és consumit en larespiració dels compostos orgànics per formardiòxid de carboni i aigua. Aquests poden produir oxigen i compostos orgànics altra vegada en lafotosíntesi.
Un adult en repòsinhala entre 1,8 i 2,4 grams d'oxigen per minut.[46] Això significa que la humanitat inhala més de 6.000 milions de tones d'oxigen cada any.[47]
Acumulació del O₂ a l'atmosfera terrestre: 1) No es produeix O₂ (3.850–2.450 Ma); 2) Es produeix O₂, però és absorbit pels oceans i les roques del fons marí (2.450–1.850 Ma); 3) el O₂ comença a sortir dels oceans en forma de gas, però és absorbit per la superfície terrestre i la formació de la capa d'ozó (1.850–850 Ma); 4-5) Els reservoris de O₂ s'omplen i el gas s'acumula (0.85–present).
El gas oxigen lliure era pràcticament inexistent a l'atmosfera terrestre abans que evolucionessin elsbacteris fotosintètics. L'oxigen lliure començà a aparèixer en quantitats significatives durant elPaleoproterozoic (entre fa 2.500 i fa 1.600 milions d'anys). Al principi, l'oxigen es combinà amb elferro dissolt als oceans per crearformacions de ferro bandat. L'oxigen lliure començà a sortir dels oceans en forma de gas fa 2.700 milions d'anys i assolí un 10% del seu nivell actual fa aproximadament 1.700 milions d'anys.[48]
La presència de grans quantitats d'oxigen dissolt i lliure als oceans i l'atmosfera podria haver causat l'extinció de la majoria d'organismes anaeròbics aleshores vivents, durant lacatàstrofe de l'oxigen, fa uns 2.400 milions d'anys. Tanmateix, larespiració cel·lular amb O₂ permet alsorganismes aeròbics produir molt mésATP que els anaeròbics, ajudant-los a dominar labiosfera terrestre.[49] La fotosíntesi i la respiració cel·lular de O₂ permeté l'evolució de lescèl·lules eucariotes i finalment organismes multicel·lulars complexos com ara plantes i animals.
Des de principis delCambrià, fa 540 milions d'anys, els nivells de O₂ han fluctuat entre el 15% i el 30% en volum.[50] A finals delCarbonífer (fa uns 300 milions d'anys), els nivells de O₂ atmosfèric assoliren un màxim d'un 35% en volum,[50] permetent als insectes i amfibis arribar a mides molt més grans que els seus descendents actuals. Les activitats humanes, incloent-hi la combustió de 78.000 milions de tones decombustibles fòssils cada any, han tingut un efecte molt petit en la quantitat d'oxigen lliure a l'atmosfera.[11] Al ritme actual de fotosíntesi, caldrien uns 2.000 anys per regenerar tot el O₂ present a l'atmosfera.[51]
L'experiment de Filó inspirà els investigadors posteriors.
Un dels primers experiments coneguts sobre la relació entre lacombustió i l'aire fou dut a terme per l'escriptor de mecànicagrec del segle ii aCFiló de Bizanci. A la seva obraPneumatica, Filó observà que, en invertir un recipient sobre una espelma encesa i envoltar el coll del recipient amb aigua, una mica d'aigua pujava al coll.[52]Filó deduí incorrectament que parts de l'aire del recipient es convertien en l'elementfoc i així podien escapar a través de porus del vidre. Molts segles més tard,Leonardo da Vinci continuà l'obra de Filó observant que una part de l'aire es consumeix durant la combustió i larespiració.[53]
A finals del segle xvii,Robert Boyle demostrà que l'aire és necessari per a la combustió. El químic anglèsJohn Mayow polí aquest treball demostrant que el foc només requereix una part de l'aire, que anomenàspiritus nitroaereus o simplementnitroaereus.[54] En un experiment descobrí que, en posar o bé un ratolí o bé una espelma encesa dins un recipient tancat a sobre d'aigua feia que l'aigua pugés i reemplacés una catorzena part del volum de l'aire abans d'extingir els subjectes.[55] D'això, Mayow deduí que elnitroaereus es consumeix tant en larespiració com en la combustió.
Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) farmacèutic i químic suec (tot i que d'origen alemany), descriu el descobriment de l'oxigen, produït durant els seus treballs entre 1772 i 1773, en el seu llibreChemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer ('Tractat químic de l'aire i del foc') publicat en 1777.
Tradicionalment aquest descobriment ha estat atribuït al químic angloamericàJoseph Priestley (1733-1804), qui el descobrí de manera independent en 1772, tot i que el primer que publicà un treball sobre aquest gas i li donà nom fou el químic francèsLavoisier (1743-1749) en 1777. Utilitzà per a això dues arrels gregues: ὀξύς (oxís) ('àcid', literalment 'punxant', pel sabor dels àcids) i -γενής (-genés) ('generador'), perquè va creure que l'oxigen era un constituent indispensable dels àcids.
En escalfar monòxid demercuri, Priestley va obtenir dos vapors: un es condensava en gotes, el mercuri, però, què era l'altre? Priestley ajuntà aquest gas en un recipient i feu alguns assaigs: si introduïa una brasa de fusta, cremava; si hi apropava ratolins vius, aquests es tornaven molt actius. En vista del qual, Priestley inhalà una mica d'aquest gas i notà que se sentia molt «lleuger i còmode». A aquest gas l'anomenà airedesflogistitzat, avui se sap que era oxigen. Tanmateix, Priestley fou la primera persona que emprà una màscara d'oxigen.
La principal utilització de l'oxigen és comoxidant, car té una elevada electronegativitat, només superada pelfluor; així, per exemple, s'usa oxigen líquid en els motors de propulsió delscoets, mentre que en els processos industrials i en el transport l'oxigen per a lacombustió es pren directament de l'aire. Altres aplicacions industrials són lasoldadura i la fabricació d'acer imetanol.
La medicina també fa ús de l'oxigen subministrant-lo com a suplement a pacients amb dificultats respiratòries; i s'empren botelles d'oxigen en diverses pràctiques esportives com el submarinisme o laborals, en el cas d'accedir a llocs tancats, o escassament ventilats, amb atmosferes contaminades (neteja interior de dipòsits, treball en sales de pintura, etc.)
L'oxigen provoca una resposta d'eufòria a qui l'inhala, pel que històricament ha estat usat com a divertiment, pràctica que persisteix avui en dia. En el segle xix també es va utilitzar, mesclat ambòxid de dinitrogen comanalgèsic.
L'ozó (O₃) es forma mitjançant descàrregues elèctriques en presència d'oxigen molecular (durant les tempestes elèctriques per exemple), i s'acumula a l'atmosfera a lacapa d'ozó. S'ha trobat a l'oxigen líquid, en petites quantitats, una doble molècula d'oxigen (O₂)₂.
Els derivats oxigenats són propensos a generarradicals lliures, especialment durant els processosmetabòlics. Aquests radicals són altament reactius, i són capaços de danyar lescèl·lules i el seuADN i, per tant, són relacionats amb elcàncer i l'envelliment cel·lular.
Les fonts d'oxigen molt concentrades promouen una combustió ràpida. Hi ha risc de foc i d'explosió quan es posen propers oxidants i combustibles; de tota manera cal un iniciador de la combustió com és la calor o una espurna.[56]
Les atmosferes riques en oxigen en presència de materials combustibles són susceptibles de provocar incendis que es propaguen amb gran rapidesa així com explosions. El mateix succeeix si les fonts d'oxigen sónclorats,perclorats,dicromats, etc
L'O 2 concentrat farà que el procés de la combustió sigui ràpid i energètic.[56]Els vessaments d'oxigen líquid, si es permet que mullin lamatèria orgànica com la fusta, productes petroquímics i l'asfalt pot fer que aquests materialsdetonin de manera impredictible amb un impacte mecànic.[56] Com altres líquidscriogènics en contacte amb el cos humà poden fer congelacions de la pell i els ulls.
↑Pauling, L..The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals: an introduction to modern structural chemistry. 3a ed.. Ithaca, N.Y.: Cornell University Press, 1960.
↑El paramagnetisme de l'oxigen es pot fer servir analíticament en analitzadors d'oxigen paramagnètic que determinen la puresa de l'oxigen gasós. («Company literature of Oxygen analyzers (triplet)». Servomex. [Consulta: 15 desembre 2007].)
↑Es tenen dades per als valors de fins a uns 80 km per sobre de la superfície
↑De The Chemistry and Fertility of Sea Waters de H.W. Harvey, 1955, citant C.J.J. Fox, "On the coefficients of absorption of atmospheric gases in sea water", Publ. Circ. Cons. Explor. Mer, no. 41, 1907. Tanmateix, Harvey remarca, segons articles posteriors aNature, que els valors sembla que són un 3% massa elevats.
↑Les membranes tilacoïdals formen part delscloroplasts de les algues i les plantes, mentre que en elscianobacteris són simplement una d'entre moltes estructures membranals. De fet, es creu que els cloroplasts evolucionaren decianobacteris que antigament foren companys simbiòtics dels progeneradors de les plantes i les algues.
↑L'oxidació de l'aigua éscatalitzada per un complexenzimàtic ambmanganès conegut comcomplex generador d'oxigen (CGO) o complex fragmentador d'aigua, que es troba associat al costat luminal de les membranes tilacoïdals. El manganès és uncofactor important, tot i que també calencalci iclor perquè es produeixi la reacció (Raven 2005).
↑el O₂ és alliberat per una altra part de l'hemoglobina (vegeuefecte Bohr)
↑56,056,156,2Werley, Barry L. (Edtr.) (1991). "Fire Hazards in Oxygen Systems".ASTM Technical Professional training, Philadelphia: ASTM International Subcommittee G-4.05
Agostini, D.; H. Iida, and A. Takahashi «Positron emission tomography with oxygen-15 of stunned myocardium caused by coronary artery vasospasm after recovery». British Heart Journal, 73, 1, 1995, pàg. 69–72.DOI:10.1136/hrt.73.1.69.PMC:483759.PMID:7888266 [Consulta: 16 desembre 2007].
Campbell, Neil A.; Reece, Jane B..Biology, 7th Edition. San Francisco: Pearson - Benjamin Cummings, 2005, p. 522–23.ISBN 0-8053-7171-0.
Chiles, James R.Inviting Disaster: Lessons from the edge of Technology: An inside look at catastrophes and why they happen. Nova York: HarperCollins Publishers Inc., 2001.ISBN 0-06-662082-1.
Cook, Gerhard A.; Lauer, Carol M.. «Oxygen». A: Clifford A. Hampel.The Encyclopedia of the Chemical Elements. Nova York: Reinhold Book Corporation, 1968, p. 499–512. LCCN 68-29938.
Crabtree, R.The Organometallic Chemistry of the Transition Metals. 3a edició. John Wiley & Sons, 2001, p. 152.ISBN 978-0471184232.
Daintith, John.Biographical Encyclopedia of Scientists. CRC Press, 1994.ISBN 0750302879.
Desgreniers, S; Vohra, Y. K. & Ruoff, A. L. «Optical response of very high density solid oxygen to 132 GPa». J. Phys. Chem., 94, 1990, pàg. 1117–22.DOI:10.1021/j100366a020.
Donald, Kenneth.Oxygen and the Diver. Anglaterra: SPA in conjunction with K. Donald, 1992.ISBN 1854211765.
Emsley, John. «Oxygen». A:Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, Anglaterra, RU: Oxford University Press, 2001, p. 297–304.ISBN 0198503407.
Evans, David Hudson; Claiborne, James B..The Physiology of Fishes. CRC Press, 2006, p. 88.ISBN 0849320224.
Lide, David R. «Section 4, Properties of the Elements and Inorganic Compounds; Melting, boiling, and critical temperatures of the elements». A:CRC Handbook of Chemistry and Physics. 84a ed.. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2003.
Maksyutenko, P.; T. R. Rizzo, and O. V. Boyarkin «A direct measurement of the dissociation energy of water». J. Chem. Phys., 443, 2006, pàg. 125.DOI:10.1063/1.2387163.
Miller, J.R.; Berger, M.; Alonso, L.; Cerovic, Z.; Goulas, Y.; Jacquemoud, S.; Louis, J.; Mohammed, G.; Moya, I.; Pedros, R.; Moreno, J.F.; Verhoef, W.; Zarco-Tejada, P.J.. "Progress on the development of an integrated canopy fluorescence model".Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2003. IGARSS '03. Proceedings. 2003 IEEE International [Consulta: 22 gener 2008]
Morris, Richard.The last sorcerers: The path from alchemy to the periodic table (Hardback). Washington, D.C.: Joseph Henry Press, 2003.ISBN 0309089050.
Parks, G. D.; Mellor, J. W..Mellor's Modern Inorganic Chemistry. 6a edició. Londres: Longmans, Green and Co, 1939.
Raven, Peter H.; Ray F. Evert, Susan E. Eichhorn.Biology of Plants, 7th Edition. Nova York: W.H. Freeman and Company Publishers, 2005, p. 115–27.ISBN 0-7167-1007-2.
Roscoe, Henry Enfield; Schorlemmer, Carl.A Treatise on Chemistry. D. Appleton and Co., 1883, p. 38.
