Loxigen és l'element químic de símbol O i nombre atòmic 8. És un calcogen, un no-metall molt reactiu i un oxidant que forma òxids amb facilitat amb la majoria dels altres elements, així com amb compostos.
El seu nom ve dels ètims grecs ὀξύς (oxís) (‘àcid’, del gust dels àcids) i -γενής (-genes) (‘productor’, literalment ‘engendrador’). A la taula periòdica pertany al grup dels calcògens i al període 2. És un element no metàl·lic molt reactiu que forma compostos (particularment òxids) fàcilment amb gairebé tots els altres elements. En condicions normals de pressió i temperatura, dos àtoms de l'element s'enllacen per formar dioxigen, un gas diatòmic inodor i insípid de fórmula química O₂. L'oxigen és el tercer element més abundant de l'Univers en massa, després de l'hidrogen i l'heli,Emsley 2001, p.297 i l'element més abundant en massa de l'escorça terrestre. El gas oxigen diatòmic constitueix el 20,9% del volum de l'atmosfera de la Terra.Cook & Lauer 1968, p.500
Totes les classes principals de molècules estructurals dels éssers vius, com ara les proteïnes, els glúcids, els lípids i els àcids nucleics, contenen oxigen, igual que els principals compostos inorgànics que es troben a les closques, dents i ossos dels animals. L'oxigen en forma O₂ és produït a partir de l'aigua pels cianobacteris, les algues i les plantes durant la fotosíntesi, i és utilitzat en la respiració cel·lular de totes les formes de vida complexes. L'oxigen és tòxic pels organismes anaerobis obligats, que foren la forma dominant de vida primitiva a la Terra fins que el O₂ començà a acumular-se a l'atmosfera fa uns 2.500 milions d'anys. Una altra forma (al·lotròpica) de l'oxigen, l'ozó (O₃), ajuda a protegir la biosfera de la radiació ultraviolada amb la capa d'ozó, situada a gran altitud (però és un agent contaminant a la troposfera, on és un producte secundari del boirum). En altituds encara més elevades (òrbita terrestre baixa) l'oxigen atòmic té una presència important i és una causa d'erosió de les sondes espacials.
L'oxigen fou descobert independentment per Carl Wilhelm Scheele a Uppsala, el 1773 o abans, i Joseph Priestley a Anglaterra, el 1774, però sovint es dona la prioritat a Priestley, car la seva publicació fou impresa abans. El nom oxigen fou encunyat el 1777 per Antoine Lavoisier, els experiments del qual amb aquest element contribuïren a desacreditar l'aleshores popular teoria del flogist de la combustió i la corrosió. L'oxigen és produït industrialment per destil·lació fraccionada d'aire liquat, eliminant el diòxid de carboni i el nitrogen de l'aire per mitjà de zeolites, per l'electròlisi de l'aigua i altres mitjans. L'oxigen s'usa en la producció de l'acer, de plàstics i tèxtils, com a combustible de coets, en l'oxigenoteràpia i l'ozonoteràpia, i com a part de l'equip de manteniment de vida en aeronaus, submarins, viatges espacials i submarinisme.
Característiques Estructura En condicions normals de pressió i temperatura, l'oxigen és un gas incolor i inodor de fórmula O₂, en què els dos àtoms d'oxigen estan enllaçats químicament l'un amb l'altre amb una configuració electrònica en estat triplet. Aquest enllaç té un ordre d'enllaç de dos del qual sovint se simplifica la descripció com a enllaç doble o com una combinació d'un enllaç bielectrònic i dos enllaços trielectrònics.
L'oxigen triplet és l'estat fonamental de la molècula O₂. La configuració electrònica de la molècula presenta dos electrons no aparellats que ocupen dos orbitals moleculars degenerats.Un orbital és un concepte de la mecànica quàntica que modela un electró com una partícula que és també una ona i que té una distribució espacial sobre un àtom o molècula. 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 del nitrogen, en què tots els orbitals moleculars d'enllaç estan ocupats, però alguns orbitals d'antienllaç no ho estan.
En la forma triplet normal, les molècules de O₂ són paramagnètiques (formen un imant en presència d'un camp magnètic) a causa del moment magnètic d'espín dels electrons no aparellats de la molècula i l'energia d'intercanvi entre molècules veïnes de O₂.Emsley 2001, p.303 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.El paramagnetisme de l'oxigen es pot fer servir analíticament en analitzadors d'oxigen paramagnètic que determinen la puresa de l'oxigen gasós. ()
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 les molècules orgàniques comunes. A la natura, l'oxigen singlet es forma habitualment durant la fotosíntesi, mitjançant l'energia de la llum solar.Krieger-Liszkay 2005, 337-46 També és produït a la troposfera per la fotòlisi de l'ozó per part de llum de longitud d'ona curta,Harrison 1990 i pel sistema immunitari com a font d'oxigen actiu.Wentworth 2002 Els carotenoides 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 els teixits.Hirayama 1994, 149-150
Al·lòtrops miniatura|esquerra|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. Aquesta és la forma utilitzada per les formes complexes de vida, com ara els animals, en la respiració cel·lular (vegeu rol biològic) i és la forma que representa una part important de l'atmosfera terrestre (vegeu abundància). Els altres aspectes de l'O₂ són tractats a la resta d'aquest article.
El trioxigen (O₃), conegut habitualment com a ozó, és un al·lòtrop molt reactiu de l'oxigen que danya el teixit pulmonar.Stwertka 1998, p.48 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 radiació ultraviolada (UV). Com que l'ozó absorbeix gran part de la regió UV de l'espectre, la capa d'ozó de l'atmosfera superior funciona com a escut protector del planeta contra la radiació. Tanmateix, a prop de la superfície és un contaminant format com a subproducte del gas d'escapament dels automòbils.Stwertka 1998, p.49
La molècula metaestable tetraoxigen (O₄ fou descoberta el 2001,Cacace 2001, 4062 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 un clúster romboèdric de l'O₈.Lundegaard 2006, 201–04 Aquest clúster té el potencial per ser un oxidant molt més potent que l'O₂ o l'O₃, per la qual cosa se'l podria utilitzar com a combustible de coets. 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 GPaDesgreniers 1990, 1117–22 i el 1998 es demostrà que a temperatures molt baixes, aquest estat esdevé superconductor.Shimizu 1998, 767–69
Propietats físiques
L'oxigen és més soluble en aigua que el nitrogen; l'aigua conté aproximadament una molècula d'O₂ per cada dues molècules d'N₂, en comparació amb una ràtio atmosfèrica d'aproximadament 1:4. La solubilitat de l'oxigen en aigua depèn de la temperatura, 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). A 25 °C i 4 atm a l'aire, l'aigua dolça conté aproximadament 6,04 mil·lilitres (mL) d'oxigen per litre, mentre que -en les mateixes condicions- l'aigua marina en conté aproximadament 4,95.Evans & Claiborne 2006, 88 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 es liqua a 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) i es congela a 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F).Lide 2003, Secció 4 Tant l'O₂ líquid com el sòlid són substàncies transparents, però que en grans masses adquireixen un color blau cel causat per l'absorció de la vermella, mentre que la blava, a causa de la difusió de Rayleigh, no s'absorbeix (o ho fa molt menys). Se sol obtenir O₂ líquid de gran puresa per destil·lació fraccionada de l'aire liquat; 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.
Isòtops i origen estel·lar
miniatura|Cap al final de la vida d'una estrella massiva, es concentra ¹⁶O a la capa O, 17O a la capa H i 18O a la capa He. L'oxigen d'ocurrència natural es compon de tres isòtops estables, el ¹⁶O, el 17O i el 18O, sent el ¹⁶O el més abundant (99,762% d'abundància natural).
La part més gran del ¹⁶O és sintetitzada al final del procés de fusió de l'heli dels estels, però també se'n produeix una mica en el procés de combustió del neó.Meyer 2005, 9022 El 17O es forma principalment per la combustió d'hidrogen en heli durant el cicle CNO, cosa que en fa un isòtop comú en les zones consumidores d'hidrogen de les estrelles. La majoria del 18O és produït quan el ¹⁴N (abundant a causa de la combustió CNO) captura un nucli d'4He, fent que el 18O sigui comú a les zones riques en heli de les estrelles.
Se n'han caracteritzat catorze radioisòtops, el més estable dels quals són el 15O, amb un període de semidesintegració de 122,24 segons, i el ¹⁴O, amb una semivida de 70,606 s. Tots els altres isòtops radioactius tenen una semivida inferior a 27 s, i la majoria d'aquestes semivides són inferiors a 83 mil·lisegons. El mode de desintegració més comú dels isòtops més lleugers que el ¹⁶O és la desintegració β+ per generar nitrogen, i el mode més comú per als isòtops més pesants que el 18O és la desintegració beta per formar fluor.
Abundància 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. Aproximadament un 0,9% de la massa del Sol és oxigen. L'oxigen constitueix un 49,2% de l'escorça terrestre en massa i és el component principal dels oceans de la Terra (88,8%) en massa. 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).Emsley 2001, p.298Es tenen dades per als valors de fins a uns 80 km per sobre de la superfície La Terra és rara entre els planetes del sistema solar per l'elevada concentració de gas oxigen en la seva atmosfera: Mart (amb 0,1% d'O₂ en volum) i Venus tenen concentracions molt més baixes. Tanmateix, l'O₂ que envolta aquests altres planetes és produït només per l'impacte de la radiació ultraviolada sobre molècules amb oxigen, com ara el diòxid de carboni.
miniatura|L'aigua freda conté més O₂ dissolt.
La concentració particularment elevada d'oxigen a la Terra és el resultat del cicle de l'oxigen. Aquest cicle biogeoquímic descriu el desplaçament de l'oxigen a dins i entre els tres principals reservoris a la Terra: l'atmosfera, la biosfera i la litosfera. El factor impulsor principal del cicle de l'oxigen és la fotosíntesi oxigènica, que és la responsable de la presència d'oxigen a l'atmosfera actual de la Terra. La fotosíntesi oxigènica (la que fan les plantes, les algues i els cianobacteris) allibera oxigen a l'atmosfera, i la respiració 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.