Dari mana oksigen atmosfer berasal?
Ia tidak ada pada mulanya. Atmosfer Bumi purba terdiri dari nitrogen, karbon dioksida, metana, dan uap air, tanpa oksigen bebas yang berarti.
Sekitar 2 700 juta tahun lalu, sianobakteri tertentu mengembangkan fotosintesis oksigenik: memakai energi cahaya untuk mencabut elektron dari air, melepaskan oksigen sebagai limbah. Itu adalah pembaruan metabolik dengan akibat sebesar planet.
Selama ratusan juta tahun oksigen itu tidak menumpuk. Lautan mengandung besi fero terlarut, yang bereaksi dengannya dan mengendapkan oksida. Hasilnya adalah formasi besi berpita, lapisan merah dan kelabu berselang-seling yang mengendap antara 2 500 dan 1 800 juta tahun lalu dan yang kini menyusun sebagian besar bijih besi yang kita tambang.
Ketika besi terlarut habis, oksigen mulai menumpuk di atmosfer. Peristiwa itu, sekitar 2 400 juta tahun lalu, dikenal sebagai Peristiwa Oksidasi Besar.
⚠️ Bagi kehidupan yang ada, itu bencana. Oksigen adalah pengoksidasi kuat dan menghancurkan perkakas biokimia organisme anaerob. Sebagian besar punah atau terdesak ke lingkungan tanpa oksigen, tempat keturunannya masih hidup. Itu barangkali kepunahan terbesar dalam sejarah kehidupan.
Mengapa oksigen cair menempel pada magnet?
Karena molekul O₂ memiliki dua elektron tak berpasangan, sesuatu yang tidak diramalkan struktur Lewis yang lazim.
Digambar sebagai O=O, molekul itu akan memiliki semua elektron berpasangan dan bersifat diamagnetik. Percobaan mengatakan sebaliknya: pancaran oksigen cair yang dituang di antara kutub elektromagnet tertahan menggantung.
Teori orbital molekul menjelaskannya. Saat orbital atom dua oksigen digabungkan, dua elektron terakhir menempati orbital π antiikatan yang setingkat. Menurut kaidah Hund mereka menempati masing-masing satu orbital dengan spin sejajar, alih-alih berpasangan dalam satu orbital.
Hasilnya adalah molekul berspin total 1: keadaan triplet. Ini menjadikan oksigen argumen penentu yang memihak teori orbital molekul melawan teori ikatan valensi, pada tahun tiga puluhan.
Warna biru pucat oksigen cair berasal dari keanehan yang sama. Dua molekul bertetangga menyerap bersama satu foton di daerah merah spektrum, transisi yang terlarang pada molekul terpencil dan hanya tampak ketika molekul-molekul berdekatan.
Struktur triplet itu juga berakibat biologis: ia membuat oksigen bereaksi dengan bahan organik lebih lambat daripada yang diizinkan termodinamika. Tanpa penghalang kinetik itu, makhluk hidup akan terbakar.
Apa arti massa atomnya berupa rentang?
Oksigen memiliki tiga isotop stabil: oksigen 16, yang 99,76 %, oksigen 17, dan oksigen 18. Perbandingannya berbeda menurut asal sampel secukupnya sehingga IUPAC menerbitkan rentang alih-alih satu nilai.
Keragamannya berasal dari fraksinasi selama daur air. Air dengan oksigen 16 menguap sedikit lebih mudah daripada yang mengandung oksigen 18, karena lebih ringan. Uap yang keluar dari lautan karena itu miskin isotop berat, dan hujan yang jatuh dari uap itu lebih miskin lagi.
Efeknya menumpuk seiring jarak dan dingin. Es Greenland dan Antarktika memiliki kadar oksigen 18 jauh lebih rendah daripada air laut, dan kadar itu bergantung pada suhu saat saljunya terbentuk.
Dari sanalah salah satu metode terpenting paleoklimatologi: mengebor es, mengukur perbandingan oksigen 18 dan oksigen 16 lapis demi lapis, dan merekonstruksi suhu ratusan ribu tahun terakhir.
Asas yang sama berlaku bagi cangkang foraminifera dalam sedimen laut, yang merekam volume es global.
Bagaimana ia diperoleh secara industri?
Lewat distilasi bertingkat udara cair, proses yang sama yang memisahkan nitrogen dan gas mulia.
Udara dimampatkan, didinginkan, dan dikembangkan berulang kali sampai mencair sekitar 80 K. Kemudian ia dibiarkan menguap dalam kolom: nitrogen, yang mendidih pada 77,36 K, keluar lebih dahulu; oksigen, pada 90,19 K, tertinggal. Selisih tiga belas derajat itu cukup untuk pemisahan yang bersih.
Industri dunia menghasilkan ratusan juta ton per tahun. Pemakai utamanya bukan kedokteran melainkan industri baja: proses konverter oksigen dasar menghembuskan oksigen murni ke besi kasar cair untuk membakar kelebihan karbon dan mengubahnya menjadi baja.
Dalam kedokteran ia dipakai pada kadar terkendali. Pasien dengan gagal napas menerima udara yang diperkaya, bukan oksigen murni, kecuali dalam keadaan tertentu dan untuk waktu terbatas.
Untuk keperluan kecil ada konsentrator, yang memisahkan nitrogen dari udara memakai saringan molekul zeolit alih-alih mencairkannya. Ia menghasilkan oksigen 90-95 % dan tidak memerlukan pasokan dari luar.
Mengapa ia unsur paling melimpah di kerak?
Karena ia bergabung dengan hampir segalanya dan produknya adalah padatan yang tidak pergi ke mana pun.
Oksigen mewakili sekitar 46 % kerak bumi menurut massa dan hampir 90 % menurut volume, sebab ion oksida berukuran besar dan kation logam menempati rongga di antaranya. Kerak bumi, secara struktur, adalah tumpukan ion oksida.
Silikat adalah kelompok mineral yang dominan dan semuanya mengandung oksigen terikat pada silikon dalam tetrahedron SiO₄. Ditambah oksida, karbonat, dan sulfat.
Dalam tubuh manusia oksigen juga unsur paling melimpah menurut massa, sekitar 65 %, hampir seluruhnya dalam bentuk air.
Kelimpahan kosmiknya menempati urutan ketiga, setelah hidrogen dan helium. Ia disintesis di dalam bintang masif lewat peleburan karbon dan helium, dan tersebar dalam supernova. Bahwa ia begitu umum dan begitu reaktif menjelaskan mengapa kimia hampir seluruh alam semesta padat berputar di sekitarnya.