Nguyên tố oxygen

Số nguyên tử: 8
Trọng lượng nguyên tử: 15,9994
Màu sắc: không màu
Pha: khí
Phân loại: phi kim
Điểm nóng chảy: - 219^oC
Điểm sôi: - 183^oC
Cấu trúc tinh thể: không rõ

Oxygen là một trong những nguyên tố thiết yếu nhất trong sự tiến hóa của loài người. Nó là nguyên tố dồi dào nhất trên Trái đất, cấu tạo nên một nửa khối lượng của lớp vỏ hành tinh và 86% khối lượng của các đại dương. Nó cũng là nguyên tố dồi dào thứ ba trong Vũ trụ, sau hydrogen và helium, mặc dù hành tinh của chúng ta là khác thường trong Hệ Mặt trời vì có hàm lượng oxygen cao như thế. Oxygen rất hoạt tính và sẽ tạo nên oxide với đa số nguyên tố khác, trừ helium và một số khí trơ. Ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn, hai nguyên tử oxygen kết hợp thành O₂, chất khí không màu, không mùi chiếm khoảng 21% thành phần không khí và thiết yếu cho đa số dạng sống trên Trái đất.

Để hiểu tường tận vai trò dung dưỡng sự sống của oxygen trên hành tinh Trái đất, chúng ta phải đi ngược thời gian về ba tỉ năm trước đây, khi các biến thiên hàm lượng oxygen đã kích hoạt chuỗi vận động hướng tới sự đa dạng sinh học. Chính lúc này tảo lục-lam bắt đầu phát triển và sự quang hợp ra đời. Đây là quá trình nhờ đó cây xanh sử dụng carbon dioxide và ánh sáng để sản sinh năng lượng; kết quả là oxygen được giải phóng vào khí quyển.

Trong khoảng một tỉ năm, đa phần lượng oxygen được sinh ra đó đi vào sự oxy hóa của sắt. Khoảng 500 triệu năm trước, khi thực vật đất liền bắt đầu sinh sôi, oxygen khí quyển đạt tới hàm lượng khoảng 21% thể tích, mức nó duy trì kể từ đó. Chính sự tăng hàm lượng oxygen khí quyển đã cho phép sự đa dạng sinh học bởi vì các sinh vật đa bào, và những dạng sống cao cấp hơn như con người và giới động vật, cần có oxygen để sinh sôi nảy nở. Như vậy oxygen không những dung dưỡng sự sống của loài người trên Trái đất, mà nó còn giúp khai sinh ra chúng ta lúc ban đầu.

Việc khám phá ra oxygen có thể quy về cho ba nhà hóa học thế kỉ 18 (mặc dù khoảng 300 năm trước đó Leonardo Da Vinci đã lưu ý rằng không khí có chứa cái gì đó thiết yếu cho đời sống con người và giới động vật và không có nó thì ngọn lửa nến không thể cháy). Vào năm 1772, nhà hóa học người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele (xem phần Carbon) trở thành nhà khoa học đầu tiên tách được oxygen bằng cách nung nóng oxide thủy ngân và một số muối nitrate; tuy nhiên, khám phá của ông không được công bố mãi cho đến 5 năm sau đó. Trong khi đó, nhà hóa học người Anh Joseph Priestly đã tạo ra oxygen bằng cách nhiệt phân oxide thủy ngân và công bố các kết quả của ông vào năm 1774. Ông đã thông báo với nhà hóa học Antoine Lavoisier về khám phá của mình, và nhà hóa học người Pháp này đã trở thành nhà khoa học đầu tiên nắm bắt được tầm quan trọng to lớn của oxygen trong các quá trình hóa học trên Trái đất: sự hô hấp và sự cháy. Từ đó, các lí thuyết khoa học đã trị vì suốt một trăm năm bị đảo lộn. Lavoisier đã tin (một cách sai lầm) rằng mọi acid đều chứa oxygen, nên ông đặt cho nguyên tố mới tên là oxy gène – oxy nghĩa là “hăng” và gen nghĩa là “tạo ra”. Mặc dù không đúng, nhưng tên gọi gắn liền từ đó và được sử dụng rộng rãi.

Oxygen cần thiết cho mọi tế bào trong cơ thể vì một số lí do, trong đó có sự trao đổi chất, sự tăng trưởng của mô mới và loại bỏ chất thải. Nếu bộ não không nhận được oxygen trong vài ba phút thì các tế bào của nó sẽ bắt đầu chết. Sau khi chúng ta hít vào, oxygen trong phổi được hấp thu bởi nguyên tử sắt trong hemoglobin (một protein có trong các tế bào hồng cầu) và mang đi khắp cơ thể đến các cơ quan và các mô. Oxygen là một thành phần của ADN và hầu như mọi hợp chất sinh học khác. Nó chiếm 60% khối lượng cơ thể người, bởi vì đa phần cơ thể bạn được cấu tạo bởi nước (đó là một hợp chất hydrogen – oxygen). Oxygen có trong xương và răng của chúng ta, và trong máu, mồ hôi và nước mắt của chúng ta.

Oxygen trong nước: nước càng lạnh thì oxygen hòa tan trong nó càng nhiều. Đây là lí do thỉnh thoảng bạn nhìn thấy các bọt bóng nhỏ hình thành bên trong cốc nước lọc, vì nước làm ấm một phần oxygen hòa tan buộc nó ra khỏi nước.

Là chất thiết yếu cho sự sống trên Trái đất, oxygen còn là nguyên nhân gây ra một số dạng phân hủy, ví dụ như sự ôi thiu thực phẩm. Oxygen không vị, không màu và không mùi, nên người ta dễ bỏ qua nó là một yếu tố gây ra sự ôi thiu; tuy nhiên, oxygen trong không khí cung cấp các điều kiện lí tưởng cho sự sinh sôi của vi sinh vật, nấm mốc và men, chúng ăn và lớn lên trên bề mặt thực phẩm. Đồng thời, các enzyme oxy hóa có trong thực phẩm còn làm tăng tốc các phản ứng hóa học giữa oxygen và thực phẩm, làm nó “bị hỏng”. Bản thân sự oxy hóa cũng có thể làm cho thực phẩm thối rữa bởi vì khi chất béo oxy hóa, các hợp chất được tạo ra gây ra một mùi ôi rất nồng. Con người đã phát triển nhiều phương pháp bảo quản thực phẩm hữu dụng, từ chôn thực phẩm dưới đất – để giữ nó ở nhiệt độ thấp và giúp cách li nó với không khí – đến phơi khô, ướp muối, đóng lon, đóng chai, đông lạnh và đóng gói chân không.

Tỉ lệ phần trăm oxygen trong không khí là không đổi lên tới độ cao khoảng 21 km; tuy nhiên, khi độ cao tăng thì mật độ không khí giảm, nghĩa là khi bạn càng lên cao thì trong không khí càng có ít nguyên tử oxygen hơn. Tình trạng này gây ra chứng bệnh do độ cao, các triệu chứng bao gồm hoa mắt, buồn nôn, nhức đầu và kiệt sức. Tình trạng đó có thể gây chết người, do chất lỏng ứ đọng trong phổi hoặc trong não. Những người leo núi và trượt tuyết dành nhiều thời gian ở những độ cao lớn nên thận trọng thích nghi với môi trường xung quanh, nâng độ cao đỉnh leo lên dần dần và tăng độ cao không quá 300 mét mỗi ngày. Đa số các trường hợp bệnh do độ cao xảy ra ở độ cao khoảng 3500 mét và cao hơn. Đỉnh của ngọn núi cao nhất ở Bắc Mĩ, Núi McKinley (còn gọi là Denali), ở Alaska là 6.194 mét trên mực nước biển. Đỉnh Everest, ở Nepal, cao 8.848 mét trên mực nước biển.

Ngoài O₂, dạng thù hình chính khác của oxygen là ozone, nó gồm ba nguyên tử oxygen liên kết với nhau. Trong tầng bình lưu, cách mặt đất 20 – 40 km, lớp ozone cung cấp một lá chắn bảo vệ Trái đất khỏi các tia tử ngoại nguy hại của Mặt trời. Một số hóa chất thải làm phá hủy tầng ozone, và vì thế làm yếu lá chắn bảo vệ mà nó mang lại – những chất thải này bao gồm khí thải từ xe cộ, các cơ sở công nghiệp và các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, ở vùng thấp của khí quyển, ozone là một chất ô nhiễm, được tạo ra bởi các phản ứng hóa học giữa các oxide của nitrogen và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi dưới ánh sáng mặt trời. Hít thở ozone có thể gây đau ngực, gây ho và sung huyết. Nó còn có thể làm trầm trọng thêm chứng hen suyễn và viêm phế quản.

Oxygen mang lại cho chúng ta sự sống, nhưng chúng ta đã sử dụng nó theo kiểu có thể làm cho sự sống trên Trái đất trở nên hết sức nguy hại đối với con người. Hoạt tính của nó thiết yếu cho quá trình cháy, đốt nhiên liệu cho các cơ sở sản xuất và động cơ xe cộ, do đó làm tăng lượng khí thải carbon dioxide và sự ấm lên toàn cầu. Thiên nhiên đã mất hàng tỉ năm để hàm lượng oxygen tăng lên, cho phép sự đa dạng sinh học và sự ra đời của nhân loại. Nhưng chỉ qua 300 năm công nghiệp hóa đã khơi ngòi một chuyển biến nguy hiểm hơn trong tiến trình sinh thái của hành tinh chúng ta.

Các tế bào hồng cầu được cơ thể sử dụng để chuyên chở oxygen từ phổi của bạn, nơi nó được hấp thu từ không khí, đến các cơ quan của bạn, nơi nó được đưa vào hoạt động trong các phản ứng sinh hóa sản sinh năng lượng. Người ta tin rằng tay đua thân bại danh liệt Lance Amstrong, và những vận động viên thiếu nhẫn nại và kém lương thiện khác, đã sử dụng một chất gọi là “erythropoetin” làm tăng sản sinh các tế bào hồng cầu, làm tăng khả năng trung chuyển oxygen của máu và cấp năng lượng sung sức hơn cho cơ bắp của vận động viên.

Bài trước | Bài kế tiếp