Oxigeno

Egoera estandarretan (T = 0 K eta p = 1 atm), oxigenoa gas diatomikoa, kolorgea, usaingabea eta zaporegabea da, likido- eta solido-egoeran, ostera, urdina. Dioxigenoa −183 °C-tan isurkari bihurtzen da, eta −218 °C-tan solidotu egiten da. Loturari dagokionez, oxigeno atomoak lotura kobalente bikoitz sendo baten bidez lotzen dira, loturaren ordena bi delarik.[6]

Oxigeno atomoen simetria eta energia berdineko orbital atomikoak konbinatuz, orbital molekularrak lortzen dira.[7] Oxigeno atomoen 1s orbital atomikoak aurrez aurre gainezartzean, σ lotzaile eta σ antilotzaile orbital molekularrak sortzen dira; 2p orbital atomikoak paraleloki gainezartzean, σ lotzaile, σ antilotzaile, π lotzaile eta π antilotzaile orbital molekularrak sortzen dira. Orbital molekularraren diagraman, orbital molekularrak energiaren arabera kokatuko dira, txikienetik hasita handienera arte. Elektroiak Aufbau printzipioari jarraituz betetzen ditu orbital molekularrak, hots, energia txikienetik hasita handienera.

Egoera horretan, molekula paramagnetikoa da, orbital molekularrean bi elektroi desparekatu agertzen direlako. Ondorioz, dioxigeno molekulak kanpoko eremu magnetikoaren eragina handitzen du; hots, iman batek bezala jokatuko du. Oxigeno likidoak laborategian egindako esperimentuetan oso magnetismo handia duela demostratu da.

Oxigeno elementuaren alotroporik ohikoena dioxigenoa (O₂) da. Dioxigenoa izaki bizidunen arnasketa prozesuan erabiltzen da eta atmosferako konposizioan garrantzi handia dauka. Lotura-ordena bi da, lotura-distantzia 1,21 Å eta lotura-energia 498 kJ/mol-koa. Gas-egoeran, kolorgea, usain gabekoa, paramagnetikoa, egonkorra eta uretan nahiko disolbaezina da (tenperatura handitu ahala, disolbagarritasuna txikitzen da). Likido-egoeran, kolore urdin argia du eta lehergarria da. Solido-egoeran, urdina da. Dioxigenoa lortzeko bi iturri natural daude, biotikoa eta abiotikoa. Iturri abiotikoan, eguzkiko argi ultramorearen bitartez CO₂-ak jasaten duen fotodisoziazioaren ondorioz sortzen da dioxigenoa eta iturri biotikoan, landareen fotosintesiaren bitartez sortzen da.

Ozonoa Lurrean ohikoa ez den gasa da, bereziki estratosferan aurkitzen da.

Trioxigenoa (O₃), ozono gisa ezagutzen den eta oso toxikoa eta erreaktiboa den oxigeno elementuaren alotropoa da[8]. Trioxigenoa estratosferan sortzen da dioxigenoak erradiazioa xurgatzearen ondorioz. Dioxigenoak espektro elektromagnetikoaren erradiazio ultramorea xurgatzean, molekula disoziatu eta disoziatutako atomo bakoitzak beste dioxigeno batekin erreakzionatzen du ozono molekula sortuz.[9] Horrela, estratosferan metatzen den ozono-geruzak erradiazio kaltegarriez babesten du planeta, erradiazio horiek xurgatzen dituztelako. Gas-egoeran, urdin argi kolorekoa eta usain sakonekoa da, diamagnetikoa, ezegonkorra, uretan nahiko disolbaezina eta oso toxikoa. Likido-egoeran, urdina eta lehergarria da. Solido-egoeran, morea/beltza kolorea dauka.

Oxigenoaren beste forma alotropikoak oxigeno atomikoa (O) eta oxozonoa (O₄)[10] dira. Oxigeno atomikoa dioxigenoaren disozioaren ondorioz tenperatura altuetan sortzen da. Oxozonoa 2001. urtean aurkitu zen[11] horrek egitura metaegonkorra du eta tenperatura baxuetan bi dioxigenoen arteko interakzioaren ondorioz sortzen da.

Katu Begi nebulosak, oxigeno ionizatuan aberatsak diren eskualdeak ditu, irudian berdez ageri direnak.

Lurrazaleko elementurik ugariena da, biosferan, airean, itsasoan eta lurzoruan. Halaber, unibertsoko hirugarren elementurik ugariena da, hidrogeno eta helio elementuen atzetik.[3] Eguzkiaren masaren % 0,9 oxigenoa da,[12] horrrez gain, lurrazalaren % 49,2 eta lurreko ozeanoen osagai nagusia da, % 88,8. Itsasoetan, tenperatura txikietan oxigeno kantitatea handitu egiten da; izan ere, tenperatura altuetan O₂ kantitatea txikitzen da, oxigeno atomikoa sortzeko disoziatzen delako. Oxigenoa gas egoeran, atmosferako bigarren osagairik nagusiena da, bolumenaren % 20,8 eta masaren % 23,1a hartzen duelako. Lurra eguzki-sistemako oxigeno-kontzentrazio handiena duen planeta da; adibidez, Martek % 0,1eko kontzentrazioa du eta Artizarrak are gutxiago.

Oxigeno gaseosoaren kontzentrazio altuaren ondorioz, oxigenoaren zikloa dago. Mugimendu hori planetaren zonalde nagusietan gertatzen da: atmosferan, biosferan eta litosferan. Landareen fotosintesiaren ondorioz, oxigenoa askatzen da, arnasketa eta deskonposizio-prozesuek, ostera, ezabatzen dute.

Berez erretzen ez bada ere, oxigenoa da errekuntzak mantentzen dituen eragile nagusia; oxigenorik gabe ez legoke errekuntzarik.[13]

Oxigenoa oso elektronegatiboa da eta elementu ia guztiekin erreakzionatzen du, erreakzio horri errekuntza deritzo. Errekuntza erreakzio kimiko bat da, non oxigenoa erregai batekin elkartzen den, beroa eta oxidoa kanporatuz. Oxigeno gaseosoak alkalino eta lurralkalinoekin erreakzionatzen du giro-tenperaturan, eta tenperatura altuetan elementu gehienekin (metal noble, gas geldo eta halogenoekin izan ezik), oxido metalikoak eta ez-metalikoak sortuz. Ur-disoluzioan, oxigenoak oxidatzaile bezala jokatzen du ingurune azido edota basikoan, eta estekatzaile bezala konplexuetan. Bi errekuntza mota daude, osatua eta osagabea:

• Errekuntza osatua: materia organikoan dagoen karbono guztia erre ondoren, CO₂-an bihurtzen denean.
• Errekuntza osagabea: erregaiaren zati batek erreakzionatzen ez duenean, oxigeno kantitate txikia dagoelako.

Filonen esperimentuak ondorengo ikertzaileei.

Konbustio eta airearen arteko erlazioaren gainean egin zen lehenengo esperimentu ezagunetakoa Bizantzioko Filonek garatu zuen K.a. II. mendean. Pneumatika izeneko obran. Filonek ikusi zuen piztutako kandela baten gainean alderantziz jarritako ontzi bat jartzen bazen, eta ontzi horren lepoa urez inguratzen bazen, likidoaren zati bat ontziaren lepotik igotzen zela.[14] Esperimentu horren emaitzak ikusita, suposizio bat egin zuen, suposizio okerra hain zuzen ere. Suposizio horren arabera airearen zati bat, sua, elementu klasiko bilakatzen zen. Ondorioz, kristalen poroetatik ihes egiteko gai zen. Mende batzuk geroago, Leonardo da Vincik ikusi zuen airearen zati bat arnasketa eta konbustioan kontsumitzen dela.[15]

XVII. mendearen amaieran, Robert Boylek airea konbustiorako beharrezkoa dela egiaztatu zuen. John Mayow kimikari ingelesak, Boyleren lana perfekzionatu zuen konbustioa emateko airearen zati bat, spiritus nitroaereus edo nitroaereus izena eman ziona, besterik ez dela behar adieraziz.[16] Esperimentu batean aurkitu zuen bai sagu bai piztutako kandela bat ur gainean jarritako edukiontzi itxi batean jartzen badira, ura edukiontzitik gora igotzen dela, eta ur horrek airearen hamalauren bat ordezkatzen duela kandela itzali edo sagua hil baino lehen.[17] Horren ondorioz, nitroaereusa arnasketa nahiz konbustio bidez kontsumitzen dela pentsatu zuen.

Georg Stahlek flogistoren teoria garatzen eta hedatzen lagundu zuen.

Antimonioa berotzean pisuz handitzen zenez, nitroaereusa antimonioarekin konbinatzen zela ondorioztatu zuen Mayowek.[16] Horrez gain, birikak nitroaereusa airetik banatu eta odolera pasatzen zuela pentsatu zuen. Oro bat, izakien beroa eta mugimendu muskularra nitroaereus eta gorputzeko zenbait substantziaren arteko erreakzioaren produktuak zirela.[16] Mayowek esperimentu horien inguruko txosten eta ideiak Tractatus duo izeneko obran argitaratu zituen 1668an.[17]

Robert Hookek, Ole Borchek, Mijail Lomonosovek eta Pierre Bayenek oxigenoa ekoiztu zuten XVII. eta XVIII. mendeetan egin ziren hainbat esperimentutan, baina horietako inork ez zuen elementutzat antzeman.[18] Horren arrazoia flogistoren teoria erabili zutelako ustea dago. Izan ere, hori da garai horretan konbustioa eta korrosioa azaltzeko erabiltzen zen teoria nagusia.

Teoria hau 1667an sortu zuen Johann Joachim Becher kimikari alemaniarrak eta Georg Stahlek birmoldatu zuen 1731n.[19] Teoria horren arabera, konbustioa emateko gai diren material guztiak bi zatiz osatuta daude: flogisto izeneko zati bat, substantzia erretzean aireratzen zena, eta bestea, konbustioa eman eta gero errauts bihurtuko zena.[15]

Carl Wilheim Scheelek lehenago egin zuen aurkikuntza Priestleyek baino, baina beranduago argitaratu zuen.

Sukoiak diren eta hondar gutxi uzten duten materialak, hala nola egurra edo ikatza, flogistoz eratuta zeudela uste zuten batik bat. Sukoiak ez diren burdina bezalako materialak, ostera, flogisto gutxi zutela.[15] Teoria horren faltsutasunaren aztarnetako bat metalek oxidazioa jasatean pisua irabazten zutela izan zen (berez flogisto zatia galdu beharko luketenean).

Oxigenoa Carl Wilhelm Scheele farmazeutiko suediarrak aurkitu zuen 1772 inguruan, merkurio oxidoa eta zenbait nitrato berotzean, oxigeno gaseosoa sortu zuenean.[15] Scheelek «suaren airea» izena eman zion gasari. Aurkikuntzaren inguruko txosten bat idatzi zuen «Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer» izena eman ziona. 1775ean editoreari bidali zion eta 1777ra arte ez zen argitaratu.[18]

Bien bitartean, 1774ko abuztuaren 1ean, Joseph Priestley elizgizon britaniarrak esperimentu bat egin zuen, zeinetan eguzki-argia merkurio (II) oxidoaren (HgO) gainean enfokatzen zuen kristalezko hodi baten barnean. Esperimentuan gas bat kanporatu zen «aire desflogistikatu» izena eman ziona.[15] Gas horrekin, kandelek biziki su hartzen zutela ikusi zuen Priestleyek. Horrez gain, sagua aktiboago eta gehiago bizi zela gas hori arnasten zuen bitartean.[18]

Aurkikuntza Joseph Priestleyri esleitzen zaio.

Pristleyek 1775ean argitaratu zituen bere aurkikuntzak «An Account of Further Discoveries in Air» izeneko artikuluan.[15][20] Egindako aurkikuntza lehenago argitaratu zuenez, bera hartzen da oxigenoaren aurkitzailetzat.

Garai hartan zalantzan jarria izan zen arren, Lavoisierrek oxidazioari buruzko lehenengo esperimentu kuantitatibo egokiak aurrera eraman zituen, eta konbustioaren funtzionamenduaren inguruko lehenengo azalpen zuzena eman zuen.[15] 1774an hasitako esperimentu horiek eta antzeko beste esperimentu batzuk erabili zituen flogistoren teoria bertan behera uzteko, eta Pristleyek eta Scheelek aurkitutako substantzia, elementu kimiko bat zela frogatzeko.

Antoine Lavoisierrek flogistoren teoria bertan behera utzi zuen.

Esperimentu batean Lavoisierrek ikusi zuen ez zela pisu gehikuntza globalik sortzen eztainua eta airea edukiontzi itxi batean berotzen zirenean.[15] Horren ordez, edukiontzia zabaltzean barrura airea bat-batean sartzen zela ikusi zuen, eta beraz, horrek edukiontzi barruko aire zati bat kontsumitu egin zela adierazten zuen. Horrez gain, eztainuaren pisua handitu egin zela eta pisu gehikuntza hori edukiontzi barrura sartutako airearen pisuaren berdina zela ikusi zuen. Esperimentu hori eta konbustioari buruzko beste hainbat, 1777an argitaratu zen Sur la combustion en général izeneko liburuan bildu ziren.[15] Obra horretan, airea bi gasen nahastea dela frogatu zuen: «funtsezko airea», konbustioa eta arnasketa emateko beharrezkoa dena, eta bestea, ez zena ez konbustiorako ez arnasketarako behar, geroago nitrogeno izena hartuko zuena.[15]

Lavoisierrek «funtsezko airea»-ri oxigeno izena eman zion 1777an, grekotik abiatuz ὀξύς (oxys) ("azido" esan nahi duena) eta -γενής (-genēs; "sortzaile" esan nahi duena), azidoak eratzeko ezinbestekoa zela uste zuelako.[21][22] Baina denbora pasa ondoren, kimikariak, bereziki Humphry Davy-k 1812an, Lavoisierrek huts egin zuela konturatu ziren. Izan ere, hidrogenoa da azidoak eratzen dituen oinarria, baina ordurako oxigeno izena zabalduta zegoen.

Oxidoak, hala nola burdin oxido edo herdoila, oxigenoa beste elementu batzuekin konbinatzean sortzen dira.

Oxigenoaren elektronegatibotasuna dela eta, tenperatura altuetan ia elementu guztiekin loturak eratzen ditu oxidoak sortzeko. Hala ere, zenbait elementuk tenperatura eta presio normaletan, zuzenean eratzen dituzte konposatu oxidoak, adibidez, burdinak sortzen duen herdoila. Aluminio eta titanio bezalako metalen gainazala airearekin kontaktuan jartzean, oxidatu eta geruza fin batez estaltzen dira metala pasibotu eta korrosioa mantsotzen duena. Zenbait trantsizio-metalen oxidoak naturan aurkitzen dira konposatu ez-estekiometriko bezala, formula kimikoak iradokitzen duen baino metal kopuru txikiagoarekin. Adibidez, wustita minerala (FeO), modu naturalean sortzen dena, berez Fe_x-1O moduan idazten da, non «x», normalean, 0,05 ingurukoa den.[24]

Oxigeno konposatua atmosferan kantitate txikietan aurki daiteke karbono dioxido (CO₂) moduan. Lurrazala eratzen duten arroken zati handi bat oxido desberdinez eratuta daude, hala nola silizio dioxidoz (SiO₂, granito eta harean aurkitzen direnak), dialuminio trioxidoz (alumina Al₂O₃, bauxita eta korindoian aurkitzen direnak), diburdin trioxidoz (Fe₂O₃, hematite eta herdoilean aurkitzen direnak) eta kaltzio karbonatoz (CaCO₃, kareharrian aurkitzen dena). Gainerako lurrazala oxigenodun beste konposatu batzuez ere eratuta dago, bereziki zenbait silikato bereziz. Lurraren mantuan, zeinak lurrazalak baino askoz masa handiagoa duen, burdinaren eta magnesioaren silikatoak ugaritzen dira.

Ura oxigenoa duen konposatu ezagunenetarikoa da.

Uretan disolbagarriak diren silikatoak, Na₄SiO₄, Na₂SiO₃ eta  Na₂Si₂O₅ formula molekularrak dituztenak, garbigarri eta eranskailu bezala erabiltzen dira.[15] Oxigenoak, horrez gain, estekatzaile bezala jokatzen du trantsizio-metalekin, adibidez, O₂ loturak eratuz iridio atomoarekin Vaska konplexua eratuz[25] edo platinoarekin PtF₆ konplexuan[15] edo hemoglobinaren hemo taldeak duen burdinaren zentroarekin.

Dihidrogeno dioxidoa edo dioxidanoa, ura (H₂O) izenez ezaguna dena, oxigenoaren konposaturik arruntena da. Ur molekulan, hidrogeno atomoak lotura kobalente bidez lotzen azizkio oxigeno atomoari. Baina, horrez gain, ondoko molekulako oxigenoarekin erakarpen indar bat jasaten du (23,3 kJ/mol ingurukoa hidrogeno atomoko); erakarpen indar horiei hidrogeno-loturak deritze.[26] Molekulen artean ohikoak dira Van der Waals indarrak. Hidrogeno-loturak Van der Waals indar horiek baino % 15eko erakarpen handiagoa eragiten die ur-molekulei.[27]

Oxigenoak ATP molekularen masaren % 40a baino gehiago erakusten du.

Oxigenoa duten konposatu organikoen talde garrantzitsuenak ondorengoak dira (non «R» talde organikoa den): alkoholak (R−OH), eterrak (R−O−R), zetonak (R−CO−R), aldehidoak (R−COH), azido karboxilikoak (R−COOH), esterrak (R−COOR), anhidrido azidoak (R−CO−O−CO−R) eta amidak (RC(O)−NR₂).

Bestalde, oxigenoa duten disolbatzaile organiko ugari daude, esaterako: azetona, metanola, etanola, alkohol isopropilikoa, furanoa, tetrahidrofuranoa, eter etilikoa, dioxanoa, etil etanoatoa, dimetilformamida, dimetilsulfoxidoa, azido azetikoa eta azido formikoa. Azetona (CH₃(CO)CH₃) eta fenola (C₆H₅OH) beste substantzia batzuen sintesirako ere erabiltzen dira.

Industria kimikorako material garrantzitsua da azetona.    

Oxigenoa duten beste konposatu organiko garrantzitsu batzuk honako hauek dira: glizerola, formaldehidoa, glutaraldehidoa eta azetamida. Epoxidoak eter mota batzuk dira, zeinetan oxigeno atomoak hiru atomoko eraztuna osatzen duen.

Oxigenoak giro tenperaturan edo tenperatura baxuagoetan, konposatu organiko askorekin berez erreakzionatzen du, autooxidazio izeneko prozesu baten ondorioz. Oxigenoa duten konposatu organiko gehienak ez dira O₂-arekin zuzenean erreakzionatuz sortzen. Industria eta merkataritzan konposatu organiko garrantzitsuenak oxidazioz sortzen dira, eta horretarako, etilenoa edo azido perazetikoa erabiltzen dira aitzindari bezala.[15]

Oxigeno elementua biziarentzat ezinbestekoak diren biomolekula garrantzitsu ia gehienetan aurkitzen da. Eskualeno edo karoteno bezalako biomolekula konplexuek soilik ez dute oxigenorik. Biologikoki garrantzitsuak diren konposatu organikoen artean, karbohidratoek dute oxigeno proportziorik handiena masan. Lipido, gantz azido, aminoazido eta proteina guztiek ere oxigenoa dute (karbonilo eta ester taldeak dituztelako). Biologikoki garrantzitsuak diren eta energia garraiatzen duten fosfato taldean ere aurkitzen da (PO₄^3-), ATP eta ADP molekuletan zehazki. Horrez gain, bizkarrezurrean, purinetan (RNA eta DNAren adenina eta pirimidinetan izan ezik) eta hezurretan (hidroxiapatito edo kaltzio fosfato bezala) ere agertzen da.

Oxigenoaren toxikotasuna gerta daiteke birikek O₂-aren presio partziala, normala baino handiagoa denean hartzen dutenean. Hori urpean igeri egitean gerta daiteke.

O₂ gaseosoa toxikoa izan ahal da presio partzial handietan, konbultsio edo bestelako osasun-arazoak sortuz.[28][15] Normalean, toxikotasuna presio partziala 50 kPa baino handiagoa denean agertzen da edo itsas mailan, O_2-ak duen presio partziala 2,5 aldiz handiagoa bada. Hori ez da arazo izaten, aireztatze mekanikoa duten gaixoentzat izan ezik. Izan ere, oxigeno-maskaretatik ematen zaien gasaren % 30-% 50 besterik ez da O₂ bolumenaren proportzioa.[18]

Denbora batean zehar, haur goiztiarrei, O_2-an aberatsa zen inkubagailu batzuetan jartzen zitzaien. Baina bertan behera utzi zen ume batzuek ikusmena galdu ondoren.[18][29]

Erabilera espazialean O₂ puruaren arnasketak, hala nola zenbait jantzi espazial moderno edo espazio-ontzietan, ez du kalterik sortzen, erabiltzen den presio totala oso baxua dela bide.[30][31] Jantzi espazialen kasuan, O₂aren presio partziala arnasten den airean, 30 kPa inguruan aurkitzen da (normala baino 1,4 aldiz handiagoa).

Oxigenoaren toxikotasuna birika eta nerbio-sistema zentralean, sakonera handietan igeri egitean edo urpeko igeriketa profesionalean gerta daiteke.[18][28] 60 kPa baino presio partzial handiagoa duen O_2-a duen airea denbora luzez arnasten bada, biriketako fibrosi iraunkorra sortzera hel daiteke.[32] 160 kPa (~1,6 atmosfera) baino handiagoa duten presio partzialetan egoteak konbultsioak eragin ditzake, normalean, urpekarientzat hilgarriak izaten dira. Toxikotasun akutua eman daiteke % 21eko edo gehiagoko O₂-a duen airea arnasten bada 66 metro edo gehiagoko sakoneran. Orohar, % 100eko O₂-a duen airea arnasten bada, soilik 6 metroko sakoneran.[32][33] [34][35]

Apollo 1aren aginte moduluaren barnealdea. O₂ puruak normala baino handiago den presioan eta txinparta batek sutea eragin zuen, eta ondorioz, tripulazioaren heriotza.

Oxigeno-kontzentrazio handia duten iturriak konbustio azkarra bizkortzen du. Sute eta leherketa arriskuak oxidatzaile kontzentratuak eta erregaiak gertuegi jartzen direnean gertatzen dira. Hala ere, bai bero bai txinparta bidezko ignizioa beharrezkoa da konbustioari hasiera emateko.[36] Oxigenoa substantzia bera ez da erregai bat, oxidatzailea baizik. Konbustioa emateko arriskuak  oxidatzaile sendoak diren oxigenodun konposatuetan ere gertatzen da, hala nola peroxidoetan, kloratoetan, perkloratoetan eta dikromatoetan, suari oxigenoa eman diezaioketelako.

O₂ kontzentratuak konbustio azkarra eta energetikoa ahalbidetzen du. Oxigeno-likidoa bildu eta garraiatzen duten hoditeri eta altzairuzko ontziak, erregai moduan jokatzen dute. Horregatik, horien diseinu eta fabrikazioan arreta berezia jarri behar da ignizio-iturriak txikiagotu egiten direla ziurtatzeko.[36] Apollo 1aren tripulazioaren heriotza eragin zuen sutea hain azkar hedatzearen arrazoia presio atmosferikoa baino pixka bat handiagoa zen O₂ puruarekin presurizatu zutelako izan zen. Berez, misioan, presio normalaren 1/3 erabili beharko litzateke.[37]

Oxigeno likidoaren isurketa ematen baldin bada, eta hori egurra bezalako materia organikoarekin, produktu petrokimikoekin edo asfaltoarekin kontaktuan jartzen bada, talka mekaniko bat jasoz gero, material horiek edozein momentuan eztanda egitea eragin dezake.[36] Beste zenbait likido kriogenikok bezala, gorputzarekin kontaktuan jartzen bada, azalaren eta begien izoztea eragin dezake.