Az oxigén:
 

Az oxigén a periódusos rendszer kémiai elemeinek egyike. Neve görög eredetű. 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 nagyon erős oxidálószer. Az oxigén – tömegre vetítve – a világegyetem harmadik leggyakoribb eleme a hidrogén és a hélium után; 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 2,5 milliárd évvel ezelőtt kezdett felhalmozódni a légkörben körülbelül egymilliárd évvel ezen organizmusok első megjelenése után. A kétatomos oxigéngáz a levegő térfogatának 20,8 %-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 afehérjék, 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 az obligát anaerob szervezetek számára, melyek a korai élet domináns formái voltak a Földön, amíg az O2 el nem kezdett felhalmozódni a légkörben.
 
Az oxigén allotróp 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 flogiszton-elméletének 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 oxigén-terápiát; illetve a repülőgépek, tengeralattjárók, az űrrepülés és a búvárkodás létfenntartó rendszereit.

Szerkezete:

Standard hőmérsékleten és nyomáson az oxigén színtelen, szagtalan gáz. Molekula képlete O2, melyben a két oxigénatom kapcsolódik egymáshoz.

 


O2 oxigénmolekula
 

Az elemi oxigén leggyakoribb allotróp módosulata a Földön az O2 vegyképletű dioxigén. Ebben a molekulában a kötés hossza 121 pm, a kötés energiája pedig 498 kJ•mol−1. Ez az oxigén azon formája, amelyet a komplex élet a sejtlégzés során hasznosítani tud, illetve amely a Földlégkörének jelentős részét teszi ki. 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 felső légkör ózonrétege egyfajta védőpajzsként funkcionál a bolygó számára. 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 bebizonyosodott, hogy ez a fázis 20 GPa nyomáson jön létre, és valójában romboéderes O8 klaszter. Ez a klaszter potenciálisan sokkal erősebb oxidálószer, mint akár az O2, akár az O3, ezért felhasználható lehet rakéta-hajtóanyagként. Fémes fázisát 1990-ben fedezték fel, amikor szilárd oxigént 96 GPa feletti nyomásnak tettek ki, 1998-ban pedig bebizonyosodott, hogy ez a fázis nagyon alacsony hőmérsékleten szupravezetővé válik.

Cseppfolyós oxigén, benne felszálló oxigén buborékokkal.
 
 
Fizikai tulajdonságai – vízben oldhatósága
 

Az oxigén apoláris tulajdonsága miatt a vízben rosszul, bár a nitrogénnél jobban oldódik. Az oxigén vízoldhatósága hőmérsékletfüggő, 0 °C-on körülbelül kétszer annyi (14,6 mg/l), mint 20 °C-on (7,6 mg/l). 25 °C-on, normál légköri nyomáson (101,3 kPa) az édesvíz literenként körülbelül 6,04 milliliter; míg a tengervíz literenként körülbelül 4,95 milliliter oxigént tartalmaz. 5 °C-on az oldhatóság édesvíz esetében 9,0 milliliterre; tengervíz esetében 7,2 milliliterre emelkedik literenként. Az oxigén −182,95 °C-on (90,20 K) lecsapódik, és −218,79 °C-on (54,36 K) 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 levegő kondenzációjával is elő lehet állítani, ehhez folyékony nitrogén hűtőközeget használnak. A cseppfolyós oxigén rendkívül reakcióképes anyag, más 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').
      

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 0,9 %-át oxigén alkotja. A földkéreg tömegének 49,2 %-a oxigén, és a fő alkotóeleme a világ óceánjainak (88,8 tömegszázalék); mind kötött, mind szabad állapotban előfordul. Az oxigéngáz a Föld légkörének második leggyakoribb eleme (20,8 térfogatszázalék). A hideg víz több oldott oxigént tartalmaz.
A szokatlanul magas oxigén koncentráció a Földön az oxigén ciklus eredménye. Ez a biogeokémiai ciklus írja le az oxigén mozgását annak három fő tározója közt a Földön; melyek: a légkör, a bioszféraés a litoszféra. Az oxigén ciklus legfőbb tényezője a fotoszintézis, amely a Föld mai légköréért is felelős. A fotoszintézis ugyanis oxigént szabadít fel, amely a légkörbe kerül; ezzel szemben a biológiai oxidáció (légzés) és az élőlények pusztulása (bomlás) révén kikerül onnan. A jelenlegi egyensúlyi állapotban az oxigéntermelés és -fogyasztás azonos mértékű, évente körülbelül a teljes légköri oxigén mennyiségének kétezred részét teszi ki.

Élettani szerepe
 

Fotoszintézis és sejtlégzés: 
A természetben, a szabad oxigén a fotoszintézis - a víz fényenergia hatására való elbontása - során keletkezik. Egyes becslések szerint, a tengerekben élő zöldmoszatok és cianobaktériumok állítják elő a Földön található szabad oxigén mintegy 70 %-át, és csupán a többit termelik meg a szárazföldi növények szén-dioxid + víz + napfény → glükóz + dioxigén. A molekuláris dioxigén (O2) az összes aerob szervezet sejtlégzéséhez elengedhetetlen. Az oxigén a mitokondriumban hasznosítódik: az oxidatív foszforiláció során segíti az ATP keletkezését. Az aerob légzés folyamata lényegében fordított fotoszintézis. A gerincesekben, az oxigén a átdiffundál membránon keresztül a tüdőbe majd a vörösvérsejtekbe. Itt a hemoglobin megköti a dioxigént, ezzel a színét kékes vörösről világos vörössé változtatva. (A hemoglobin más részén a Bohr-effektus révén szén-dioxid szabadul fel). Egy liter vér 200 cm3 O2-t képes feloldani. A reaktív oxigén-gyökök, mint például a szuperoxid-ion (O2-) és a hidrogén-peroxid (H2O2), az organizmusok oxigén-felhasználásának veszélyes melléktermékei. A magasabb rendű szervezetek immunrendszereinek bizonyos részei azonban létrehozhatnak peroxidot, szuperoxidot és szinglett oxigént, hogy elpusztítsák a támadó mikrobákat. Ezek a gyökök szintén fontos szerepet játszanak a növények kórokozó-támadásra adott hiperszenzitív válaszában.

Emberi szervezet

Az oxigén parciális nyomása egy élő gerinces szervezetében a légzőrendszerben a legmagasabb, majd az artériák, a perifériás szövetek és a vénák mentén haladva egyre csökken. Az oxigén parciális nyomása, az a nyomás, amely akkor lenne, ha egyedül töltené ki a rendelkezésre álló teret. Egy nyugalmi állapotban lévő felnőtt ember 1,8-2,4 gramm oxigént lélegez be percenként.

Előállítása

A 19. század végére a tudósok felismerték, hogy a levegő cseppfolyósítható és az összetevői szétválaszthatók, ha a levegőt komprimálják (összenyomják), és lehűtik. Stabil állapotú folyékony oxigént először a lengyel Jagelló Egyetem tudósainak (Zygmunt Wróblewski és Karol Olszewski) sikerült előállítania 1883 március 29.-én. Az első kereskedelmileg is életképes folyékony oxigén előállító eljárást 1895-ben egymástól függetlenül fejlesztette ki Carl von Linde német, és William Hampson brit mérnök. Mindketten addig csökkentették a levegő hőmérsékletét, amíg az folyékonnyá nem kondenzálódott; majd az összetevő gázokat egyesével felforralva desztillációval különválasztották.

 


Hofmann elektrolízis készülék, víz elektrolíziséhez (vízbontás).

Az iparban évente 100 millió tonna oxigént állítanak elő a levegőből, melynek két fő eljárása ismert. A leggyakoribb eljárás a levegő szakaszos lepárlása (frakcionált desztilláció) alkotóelemeire, amely során az oxigén folyékony, a nitrogén gőzállapotú. A másik eljárás, tiszta, száraz levegő zeolit molekuláris szűrőágy-pár egyikén való átáramoltatása, amely elnyeli a nitrogént, és a kiáramló gáz 90-93 % oxigéntartalmú.[61] Ezzel párhuzamosan a másik, nitrogénnel telített zeolit ágyban lecsökkentik a kamra üzemi nyomását, illetve fordított irányban átáramoltatják rajta az oxigéngáz áram egy elterelt részét; így a kamrában nitrogéngáz szabadul fel. Adott idő elteltével a kamrák szerepe felcserélődik, így a vezetékekben folyamatos oxigéngáz áramlás tartható fenn. Ez az úgynevezett adszorpciós nyomás fordítás (pressure swing adsorption - PSA). Az oxigéngázt egyre inkább ezekkel a nem-kriogén technológiákkal állítják elő.

Az oxigéngáz víz elektrolízisével is előállítható, mely során a víz molekuláris oxigénre és hidrogénre bomlik. Az elektrolízis során az elektródákra egyenáramot kapcsolnak. Váltóáram esetén mindkét oldali kémcsőben a hidrogén és oxigén robbanásveszélyes 2:1 arányú elegye keletkezik, mivel az anód és a katód a váltóáram frekvenciájának megfelelően folyamatosan felcserélődik. A közhiedelemmel ellentétben, az egyenáramú elektrolízis során tapasztalható 2:1-es arány nem bizonyítja a víz H2O vegyképletét, kivéve, ha élünk bizonyos feltételezésekkel a hidrogén és az oxigén formulájáról magáról. Hasonló módszer az oxidok és oxosavak elektrokatalitikus O2 evolúciója. Természetesen kémiai katalizátorok is használhatóak, mint például a kémiai oxigén generátor vagy az oxigéngyertya, amelyeket a tengeralattjárók létfenntartó rendszerébe építenek be, illetve alapfelszereltségként alkalmazzák a kereskedelmi repülőgépjáratokon dekompressziós vészhelyzet esetén. További levegő-szeparációs technológia a levegő nagy nyomás hatására, vagy elektromos áram révén kényszerített feloldása cirkónium-dioxidból készült kerámia membránokban, amely során csaknem tiszta oxigéngáz termelődik.

Felhasználása

Orvostudomány

A légzés alapvető célja az oxigén felvétele a levegőből, így az oxigén pótlást a gyógyászatban is használják. A kezelés nemcsak megnöveli a beteg vérében lévő oxigén szintjét, de megvan az a másodlagos hatása, hogy számos tüdőbetegség esetén csökkenti a vér áramlási ellenállását, így könnyít a szív terhelésén. Az oxigénterápiát használják a tüdőtágulat (emphysema), a tüdőgyulladás, bizonyos szívbetegségek (pangásos szívelégtelenség) kezelésére; illetve minden olyan betegségnél és rendellenességnél, amely a tüdőartéria fokozott vérnyomásával jár együtt, vagy rontja a szervezet oxigénfelvevő képességét. A kezelés elég rugalmas ahhoz, hogy ne csak a kórházakban alkalmazzák, de akár a beteg otthonában, vagy egyre inkább hordozható eszközök segítségével. Régebben elterjedt volt az oxigénsátor alkalmazása, de mára szinte teljesen felváltotta az oxigénmaszk és a nazális kanül. A megnövelt O2 koncentráció a tüdőben segít kiszorítani a szén-monoxidot a hemoglobin hem csoportjából. Az oxigéngáz mérgező a gázgangrénát okozó anaerob baktériumok számára, így a parciális nyomás megemelése segít megölni őket. Oxigént használnak azoknál a betegeknél is, akiknél gépi lélegeztetés szükséges; gyakran a környezeti levegő 21%-os koncentrációját meghaladó mértékben.

Vegyületei

A legismertebb oxigénvegyület a víz(H2O) A vízmolekulában a hidrogénatomok kovalens kötéssel kapcsolódnak az oxigénatomhoz, de ezen kívül további vonzást mutatnak (hidrogénatomonként körülbelül 23,3 kJ/mol) más vízmolekulák oxigénatomjai felé is. Ez a hidrogénkötés 15 %-al közelebb tartja egymáshoz a vízmolekulákat annál, mint ahogy az egy közönséges folyadékban a Van der Waals-erők alapján várható lenne.
 

Vissza a lap tetejére >>>>