Oxigenul este un element chimic cu simbolul O și numărul atomic 8. Face parte din grupa calcogenilor și este un element nemetalic foarte reactiv și un agent oxidant care formează foarte ușor compuși (în special oxizi) cu majoritatea elementelor. După abundență, oxigenul este al treilea cel mai întâlnit element în univers, după hidrogen și heliu.Emsley 2001, p.297 În condiții normale de temperatură și presiune, doi atomi de oxigen se leagă pentru a forma dioxigenul, un compus diatomic, incolor, inodor și insipid, cu formula .
Multe clase majore de molecule organice în organismele vii, cum ar fi proteinele, acizii nucleici, carbohidrații, și grăsimile, conțin oxigen, la fel ca și cei mai importanți compuși organici, care fac parte din cochiliile, dinții și oasele animalelor. Majoritatea masei organismelor vii o reprezintă oxigenul deoarece face parte din apă, principala componentă a formelor de viață (spre exemplu, aproape 2/3 din masa corpului uman). Oxigenul elementar e produs de cianobacterii, alge și plante, fiind folosit în respirația celulară în toate formele complexe de viață. Oxigenul e toxic pentru organismele anaerobe obligate, care erau forma dominantă de viață timpurie pe Pământ până când -ul a început să se acumuleze în atmosferă. -ul liber elementar a început să se adune în atmosferă acum circa 2,5 miliarde de ani, la aproximativ un miliard de ani de la prima apariție a acestor organisme. Dioxigenul constituie 20,8% din volumul de aer. Oxigenul este cel mai abundent element după masă în scoarța Pământului, făcând parte din compuși de oxizi ca dioxidul de siliciu, reprezentând aproape jumătate din masa scoarței terestre.
Oxigenul reprezintă o parte importantă din atmosferă, și e necesar la susținerea majorității vieții terestre, fiind folosit în respirație. Totuși, e prea reactiv chimic pentru a rămâne un element liber în atmosfera Pământului fără a ne fi reaprovizionat continuu de fotosinteza din plante, care folosesc energia luminii Soarelui pentru a produce oxigen elementar din apă.Homogeneous Catalysis with Metal Complexes: Fundamentals and Applications, de Gheorghe Duca, pagina 20 Altă formă (alotrop) a oxigenului, ozonul (), absoarbe radiațiile UVB (raze ultraviolete UV-B) și în consecință, stratul de ozon de la mare altitudine ajută la protejarea biosferei de radiațiile ultraviolete,The World of Chemistry: Essentials: Essentials, de Melvin D. Joesten,John L. Hogg,Mary E. Castellion, pagina 146 dar existent la suprafață e un poluant al aerului, fiind un produs secundar al smogului.Mid-Atlantic States: state of the environment, 1997 : a cleaner, safer and ..., de United States. Environmental Protection Agency. Region III., Cuprins La altitudini chiar mai mari, oxigenul atomic are o prezență ridicată și e o cauză pentru eroziunea rachetelor spațiale. Oxigenul e produs industrial prin distilația fracțională a aerului lichefiat, folosirea zeoliților cu adsorbția la presiune variabilă pentru a concentra oxigenul din aer, electroliza apei și alte metode. Întrebuințările oxigenului elementar includ producția oțelului, plasticului și textilelor, lipirea, sudarea și tăierea oțelurilor și altor metale, propulsoare de rachete, terapia cu oxigen și sisteme de susținere a vieții în aeronave, submarine, zborul spațial și scufundare.
Oxigenul a fost descoperit independent de Carl Wilhelm Scheele, în Uppsala, în anul 1773 sau mai devreme, și de Joseph Priestley în Wiltshire, în anul 1774, dar lui Priestley i se acordă mereu prioritate deoarece lucrarea sa a fost publicată prima. Numele oxigen a fost inventat în 1777 de către Antoine Lavoisier, ale cărui experimente cu oxigenul au contribuit la discreditarea - atunci populară - teoriei flogisticului a combustiei și coroziunii.
Numele lui derivă de la rădăcinile greci ὀξύς oxys, „acid”, literal „ascuțit”, referindu-se la gustul acru al acizilor, și -γενής -genes, „producător”, literal „născător”, deoarece la vremea denumirii, se credea, greșit, că toți acizii aveau nevoie de oxigen în compoziția lor.Oxygen and Living Processes: An Interdisciplinary Approach, editat de D.L. Gilbert, pagina 15
Istoric Experimente timpurii
Primele experimente cunoscute despre relația dintre ardere și aer a fost realizat de către Filon din Bizanț, un scriitor din domeniul mecanicii din Grecia Antică, secolul al II-lea î.Hr.. În lucrarea sa, Pneumatica, Filon a observat că inversarea unui vas deasupra unei lumânări aprinse și înconjurarea gâtului vasului cu apă a avut ca efect ridicarea apei. Filon a presupus incorect că părți din aerul din vas s-au transformat în elementul clasic foc și astfel a putut ieși prin porii vasului. Multe secole mai târziu, Leonardo da Vinci s-a bazat pe munca lui Filon, observând faptul că părți din aer sunt consumate în timpul combustiei și respirației.Cook & Lauer 1968, p.499.
La sfârșitul secolului al XVII-lea, Robert Boyle a arătat că este nevoie de aer pentru ardere. Chimistul englez John Mayow (1641–1679) a îmbunătățit munca sa prin demonstrarea faptului că focul are nevoie doar de o parte din aer, pe care a numit-o spiritus nitroaereus sau simplu nitroaereus. Într-un experiment, el a aflat că dacă plasa ori un șoarece sau o lumânare aprinsă într-un recipient închis peste apă, se ridica apa și înlocuia o paisprezecime din volumul aerului înainte ca aceasta să se stingă. Plecând de aici, el a presupus că nitroaereus este consumat atât în respirație, cât și în ardere.
Mayow a observat că stibiul crește în greutate dacă este încălzit, și a dedus că nitroaereus s-ar fi combinat cu metalul. El de asemenea s-a gândit că plămânii separă nitroaereus din aer și îl trece în sânge și că mișcarea și căldura animalelor este rezultatul unei reacții dintre nitroaereus și diverse substanțe din corp. Evidențe ale acestora și ale altor experimente au fost publicate în 1688 în lucrarea sa, Tractatus duo, din broșura „De respiratione”.
Teoria flogisticului
Robert Hooke, Ole Borch, Mikhail Lomonosov și Pierre Bayen au produs oxigen în urma experimentelor în timpul secolelor XVII și XVIII, dar niciunul nu l-a recunoscut ca fiind un element chimic.Emsley 2001, p.299 Aceasta a fost în parte din cauza răspândirii unei filozofii a combustiei și coroziunii denumită teoria flogisticului, teorie care era explicația favorită pentru aceste procese.
Stabilită în 1667 de către alchimistul german J. J. Becher, și modificată de chimistul Georg Ernst Stahl la 1731, teoria flogisticului afirma faptul că toate materialele combustibile erau alcătuite din două părți. O parte, denumită flogistic, era eliberată când substanța care îl conținea era arsă, iar partea deflogisticată se credea că era forma sa adevărată, sau calx.
Se credea despre materialele foarte combustibile care lasă puțin reziduu, cum ar fi lemnul sau cărbunele, că sunt făcute în majoritate din flogistic, în timp ce substanțele necombustibile care se corodează, cum ar fi fierul, conțineau foarte puțin. Aerul nu a avut un rol în teoria flogisticului, și nici nu s-au efectuat experimente cantitative inițiale pentru a testa idea; în schimb, teoria era bazată pe observațiile referitoare la ce se întâmplă când ceva arde, pe faptul că majoritatea obiectelor comune par să devină mai luminoase și să piardă ceva în timpul procesului.
Descoperire
Oxigenul a fost descoperit pentru prima dată de către farmacistul suedez Carl Wilhelm Scheele. El a produs oxigen gazos prin încălzirea oxidului mercuric și a diverșilor azotați prin anul 1772. Scheele a denumit gazul „aer de foc” (), deoarece era singurul lucru care putea întreține arderea, și a scris despre descoperirea sa într-un manuscris intitulat Tratat despre Aer și Foc (), pe care l-a trimis editorului său în 1775. Totuși, acel document nu a fost publicat până în anul 1777.Emsley 2001, p.300
Între timp, pe 1 august 1774, clericul britanic Joseph Priestley a focalizat un fascicul de lumină solară pe o eprubetă cu oxid mercuric (HgO), astfel eliberând un gaz pe care el l-a denumit „aer deflogisticat”.Cook & Lauer 1968, p.500 El a observat faptul că lumânările ard mai bine când sunt expuse acelui gaz, iar că șoarecii sunt mai activi și trăiesc mai mult în timp ce îl respiră. După ce însăși el a respirat gazul, a notat: „Senzația cauzată de gaz în plămânii mei nu era senzitiv diferită față de cea a aerului normal, dar am realizat că pieptul meu era deosebit de ușor după ceva vreme.” Priestley și-a publicat descoperirile în 1775 într-o lucrare intitulată „An Account of Further Discoveries in Air”, care a fost inclusă în al doilea volum al cărții sale, Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Deoarece Priestley a publicat primul, el este cel considerat ca fiind descoperitorul.
Cunoscutul chimist francez Antoine Laurent Lavoisier a spus că ar fi descoperit noua substanță independent. Totuși, Priestley l-a vizitat pe Lavoisier în octombrie 1774 și i-a povestit despre experimentul său și cum a produs noul gaz. De asemenea, Scheele i-a trimis o scrisoare lui Lavoisier pe 30 septembrie 1774, în care descria propria descoperire a substanței anterior necunoscute, însă Lavoisier nu a recunoscut niciodată că ar fi primit-o (o copie a scrisorii a fost găsită printre lucrurile lui Scheele, după moartea sa).
Contribuția lui Lavoisier Ceea ce Lavoisier a făcut incontestabil (deși la vremea aceea era disputat) a fost realizarea primelor experimente cantitative adecvate cu privire la oxidare și elaborarea unei explicații corecte referitoare la modul în care funcționează arderea.
Într-un experiment, Lavoisier a observat că nu era nicio creștere în greutate când staniul metalic și aerul au fost încălzite într-un recipient închis. El a notat faptul că aerul a intrat când a deschis recipientul, ceea ce indica faptul că o parte de aer rămas înăuntru a fost consumat. De asemenea a realizat că staniul a crescut în greutate și că aceea creștere măsura la fel cu masa aerului care a intrat. Acestea și alte experimente referitoare la ardere au fost documentate în cartea sa, Sur la combustion en général, care a fost publicată în 1777. În această lucrare, el demonstrează că aerul este un amestec de două gaze: aer vital, care este esențial pentru ardere și respirație, și azote ( „fără viață”), care nu le întreține deloc. Termenul azote a devenit mai târziu azot în română (nitrogen în engleză), și a fost preluat în diferite limbi europene.
Lavoisier a redenumit aerul vital în oxygène în 1777, denumire care provine din termenii grecești (oxys) (acid, literal „ascuțit”, de la gustul acizilor) și -γενής (-genēs) (producător, literal „născător”), deoarece a crezut eronat că oxigenul este constituent al tuturor acizilor. Chimiștii (în special Sir Humphry Davy în 1812) au determinat în cele din urmă că Lavoisier greșise în această privință (de fapt hidrogenul este cel care stă la baza formării acizilor), dar era deja prea târziu; denumirea fusese preluată.
Evenimente recente
Ipoteza atomică originală a lui John Dalton afirma faptul că toate elementele chimice erau monoatomice și că atomii din compuși ar fi avut în mod normal cele mai simple rapoarte atomice. De exemplu, Dalton a crezut că formula chimică a apei era HO, prezentând masa atomică a oxigenului ca fiind de opt ori cea a hidrogenului, în contrast cu valoarea modernă de aproximativ 16. În 1805, Joseph Louis Gay-Lussac și Alexander von Humboldt au arătat că apa este formată din două volume de hidrogen și unul de oxigen, iar în 1811 Amedeo Avogadro a dat interpretarea corectă a compoziției apei, bazându-se pe ceea ce acum se numește legea lui Avogadro și pe ipoteza moleculelor diatomice elementale.Totuși, aceste rezultate au fost în mare parte ignorate până în 1860. În parte, această ignorare s-a datorat credinței că atomii unui element nu puteau avea nicio afinitate chimică față de atomii aceluiași element, și de asemenea s-a datorat excepțiilor aparent de la legea lui Avogadro, care nu a fost explicate decât mai târziu, din punctul de vedere al moleculelor disociate.