اکسیژن چیست ؟

اکسیژن عنصری است که توسط عموم مردم بواسطه نقش حیاتی آن شناخته شده است. بدون این عنصر، انسان و دیگر موجودات زنده توانایی تنفس و زندگی کردن نخواهند داشت. اکسیژن نه تنها برای زنده ماندن مهم است، بلکه نقشی اساسی را در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی بازی می‌کند. اکسیژن معمول‌ترین عنصر در پوسته زمین است و در حدود 20 درصد هوای تنفسی ما را تشکیل می‌دهد.

اکسیژن در جو زمین

جو زمین در حال حاضر شامل ۲۱ درصد از این گاز است. اکسیژن از راه‌های مختلفی به تولید می‌رسد. فرآیند «تجزیه فوتوشیمیایی» (Photochemical Dissociation) که در آن مولکول‌های آب توسط اشعه ماورا بنفش شکسته می‌شوند در حدود ۱-۲ درصد از اکسیژن ما را تولید می‌کند. فرآیند دیگری که موجب تولید اکسیژن می‌شود، فوتوسنتز است که توسط گیاهان و باکتری‌های فوتوسنتزی به تولید می‌رسد. واکنش کلی فوتوسنتز در زیر آورده شده است:

اکسیژن 18 چیست؟

اکسیژن 18، ایزوتوپ پایدار و طبیعی اکسیژن و یکی از «پریکرسرها»‌ (Precursers) در تولید «فلودئوکسی گلوکز» (Fludeoxyglucose) یا همان FDG است که در «توموگرافی با گسیل پوزیتورن» (Positron Emission Tomography) کاربرد دارد.

واکنش‌های اکسیژن با گروه‌های اصلی در جدول تناوبی

اکسیژن عنصری بسیار فعال و فراوان در زمین و بدن انسان است و در ترکیبات بسیاری یافت می‌شود. این ترکیباتِ شامل اکسیژن، از جمله مواد مورد علاقه شیمیدان‌ها است. در حقیقت، به دلیل واکنش‌پذیری بالا، این عنصر، بیشتر به صورت ترکیبات مختلف قابل مشاهده است. دلیل واکنش‌پذیری آن را می‌توان در آرایش الکترونی و داشتن دو جفت الکترون ناپیوندی جستجو کرد.

این عنصر دارای دو آلوتروپ با نام‌های دی‌اکسیژن با فرمول 

 و اوزون با فرمول 

 است که هردو به عنوان اکسنده‌هایی بسیار قوی به شمار می‌آیند. اکسیژن معمولا عدد اکسایش 

 یافت می‌شود اما می‌تواند یون‌های پراکسید و سوپراکسید را به ترتیب با فرمول‌های شیمیایی 

 تشکیل دهد. با داشتن اعداد اکسایش مختلف،‌ ترکیبات زیادی در واکنش‌ با اکسیژن به تولید می‌رسند. در بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی شامل فوتوسنتز و تنفس، ردی از اکسیژن در واکنش‌های شیمیایی آن‌ها دیده می‌شود.

اکسیدها

اکسیدها ترکیبات شیمیایی هستند که در آن‌ها حداقل یک اتم اکسیژن و یک اتم دیگر وجود داشته باشد. ۴ نوع عدد اکسایش برای اکسیژن در نظر می‌گیرند 

روندهای واکنش اکسیژن در جدول تناوبی

روندهایی کلی در خصوص واکنش این عنصر با گروه‌های اصلی در جدول تناوبی وجود دارد که در زیر آورده شده‌اند:

بیشتر نافلزات، اکسیدهایی را با بالاترین عدد اکسایش ممکن تشکیل می‌دهند. البته هالیدها از این قانون، جدا و بیشتر اکسیدهای فلزات هم شامل عدد اکسایش 

 هستند.

به عنوان یک قاعده کلی، اکسیدهای فلزی، بازی هستند و اکسیدهای نافلزی، خاصیت اسیدی دارند. خاصیت بازی یک اکسید با افزایش خاصیت یونی (فلزی) افزایش می‌یابد. اکسیدهای فلزی، پراکسیدها و سوپراکسیدها با حل شدن در آب، برای تولید یک محلول بازی با آن واکنش می‌دهند. علاوه بر این، اکسیژن با نافلزات، اکسیدهای کووالانسی تشکیل می‌دهد که در واکنش با آب، محلول‌های اسیدی را تولید می‌کنند.

واکنش اکسیژن با هیدروژن

اکسیژن با هیدروژن واکنش می‌دهد تا دو ترکیب مختلف را تشکیل دهد: آب و «هیدروژن پراکسید» 

. آب ترکیبی است که در واکنش‌های اکسید و احیا و واکنش‌های تعادلی اسید و باز کاربرد فراوان دارد. آب می‌تواند به عنوان یک اسید، باز، اکسنده و کاهنده نیز عمل کند. این خاصیت چندگانه آب، آن را به مهم‌ترین ترکیب در روی زمین تبدیل کرده است. واکنش اکسیژن با هیدروژن برای تولید آب را می‌توانید در زیر مشاهده کنید:

واکنش اکسیژن با عناصر گروه 1 جدول تناوبی

این عنصر به سرعت با عناصر گروه ۱ واکنش می‌دهد. تمامی اکسیدهای فلزات قلیایی به هنگام حل شدن در آب، محلول‌هایی بازی تشکیل می‌دهند. محصولات حاصل از سوختن فلزات قلیایی، پایداری بالایی دارند. به طور مثال، اگر 

 را نماد فلز قلیایی در نظر بگیریم، با کنترل دقیق اکسیژن می‌توان اکسیدهایی به شکل 

 تولید کرد اما زمانی که به آن‌ها حرارت بدهیم، لیتیوم،‌سدیم، پتاسیم، روبیدیم و سزیم در واکنش با اکسیژن می‌سوزند و شعله‌ور می‌شوند.

دوره اکسیژن بزرگ

اتمسفر زمین همیشه پر از اکسیژن حیات بخش نبوده، یکبار از ترکیب گاز دی اکسید کربن و گاز های دیگر خفگی ای از این مخلوط ایجاد شد که اتمسفر زمین بیشتر شبیه به اتمسفر مریخ و ونوس شده بود. به طور گسترده ای، با باور به این که طلوع کردن گیاهان در صبح، گاز کربن دی اکسید را به گاز اکسیژن از طریق واکنش های شیمیایی فتوسنتز تغییر می دهد، باعث نام گذاری این دوره به عنوان رویداد اکسیژن بزرگ شده است.

اما امروزه حدس و پیشنهاد جدید دانشجویان بر این مبنا است که باید راه دیگری برای تبدیل دی اکسید کربن به گاز اکسیژن وجود داشته باشد. پیشنهاد علم جدید استفاده از نور ماوراء بنفش می باشد.

به گفته پژوهشگران یافته ها می تواند توضیح دهد که چگونه اتمسفر زمین تکامل یافته و به راهی که می توان اکسیژن را در فضا تولید کرد، اشاره می کند. با این که دانشمندان فکر میکنند بیشتر اکسیژن حاضر در زمین توسط گیاهان ساخته شده، آن ها مشکوک هستند که مقداری از این گاز موجود، قبل از فتوسنتز موجودات به وجود آمده است. اما به گفته ی اِن جی پژوهشگر علم شیمی میتوان فکر کرد اکسیژن گیاهان، از دو اتم اکسیژن موجود در برخی از سطوح تشکیل شده است، نه اینکه مولکول های اکسیژن از شکستن مولکول های کربن دی اکسید به وجود بیاید!

زمانی که توسط نور قسمتی از دی اکسید کربن شکسته می شود، مولکول به طور معمول به مونوکسید کربن و یک اتم اکسیژن تجزیه می شود.

یک نظریه پیشنهاد میدهد که دی اکسید کربن به طور بالقوه به مولکول ساده اکسیژن و کربن تبدیل میشود اما هیچ کس نتوانسته همچنین روندی را شناسایی کند. اِن جی و همکارانش یک نوع ابزار ساختند که به کمک آن دی اکسید کربن را تجزیه می کنند. این دستگاه با استفاده از نور ماوراء بنفش در خلا این تقسیم را انجام می دهد. این وسیله شامل دو لیزر میباشد، یک لیزر برای قطعه قطعه کردن دی اکسید کربن و یک لیزر برای شناسایی قطعات تولیدی.

به گفته ی این پژوهشگران این ماشین در جهان منحصر به فرد است. زمانی که پژوهشگران اولین لیزر را روی کربن دی اکسید نشان دادند،  لیزر دوم مولکول O2 و اتم های C را شناسایی کرد و مقدار کمی از کربن دی اکسید ( نزدیک به 5%) را نشان میدهد که  تبدیل به O2 شده است! هرچند کوچک، اما  برای نشان دادن این که میتوان O2 را بدون هیچ فرایند بیولوژیکی از CO2 تولید کرد کافی است.

به گفته پژوهشگران یافته ها نشان می دهند که امکان یک راه دیگر برای  ورود O2 به اتمسفر زمین و سیاره های دیگر وجود دارد. این امر پیامد هایی در جست و جوی مفاهیم حیات فرازمینی دارد، نشان میدهد که صرفا تشخیص وجود O2 در اتمسفر سیاره های دیگر نشانه ای از حضور زندگی در آنها نیست. در آخر، پژوهشگران اشاره کردند که ممکن است امکان استفاده از این روش برای ساخت اکسیژن در فضا یا سایر سیارات امکان پذیر باشد. اما، به گفته ی آنها، ابتدا نیازمند علم بیشتری به منظور بررسی اصول این که چگونه این واکنش رخ می دهد هستیم.

 یکی از دلایلی که این آزمایش تا به حال رخ نداده است، دشواری ایجاد وکیوم ها و خلاهایی شدید  از نور ماوراء بنفش میباشد. یک راه، استفاده از یک شتاب دهنده ذرات می باشد که نام دستگاهی که این فرایند را انجام میدهد، دستگاه سنکروترون میباشد. اما نتیجه ی استفاده از  لیزر موجود در آزمایشگاه اِن جی 10,000 تا 1 میلیون بار روشن تر و دقیق تر از نتیجه ی استفاده از دستگاه سنکروترون موجود می باشد.