Hít vào … thở ra… Nguyên tố thứ 8 trong bảng Tuần hoàn hóa học là một loại khí không màu, chiếm 21% bầu khí quyển của Trái Đất. Vì có ở khắp mọi nơi, oxi rất dễ bị “coi thường”. Trong thực tế, oxi là nguyên tố phản ứng nhất trong số các nguyên tố phi kim.
Theo Phòng thí nghiệm quốc gia Thomas Jefferson National Accelerator Facility của Mỹ. oxi là nguyên tố phổ biến thứ ba trong vũ trụ. Tuy nhiên, hoạt tính của oxi khiến nó khá hiếm trong bầu khí quyển của Trái Đất.
Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) là những sinh vật “thở” bằng sự quang hợp. Chúng hít khí carbon dioxide và thải ra khí oxi, giống như loài thực vật. Cyanobacteria được xem là loài sinh vật đầu tiên tạo ra oxy trên Trái Đất. Điều này được xem như một Sự kiện oxi hóa vĩ đại trong lịch sử.
Quá trình quang hợp của vi khuẩn lam diễn ra liên tục trước khi oxi xuất hiện khắp trong bầu khí quyển của Trái đất. Một nghiên cứu hồi tháng 3/2014 được đăng trên tạp chí Nature Geoscience. Cho thấy những hòn đá 2,95 tỷ năm tuổi được tìm thấy ở Nam Phi có chứa các oxit. Những tảng đá ban đầu nằm trong vùng biển nông, cho thấy oxi từ quá trình quang hợp bắt đầu tích tụ trong môi trường biển khoảng nửa tỉ năm trước. Khi nó bắt đầu tích tụ trong khí quyển khoảng 2,5 tỷ năm trước.
Sự sống ngày nay phụ thuộc rất nhiều vào oxi.
Nhưng ban đầu, sự tích tụ của oxi trong bầu khí quyển không khác gì một thảm họa. Bầu khí quyển mới khiến hàng loạt vi khuẩn kỵ khí tuyệt chủng. Trong đó có những sinh vật không cần oxy. Vi khuẩn kỵ khí không thể thích nghi hay tồn tại khi có oxi đã bị chết đi trong thế giới mới ngày nay.
Những ý niệm mơ hồ đầu tiên của con người về sự tồn tại của oxi như là một nguyên tố hóa học là vào năm 1608. Khi nhà phát minh người Hà Lan Cornelius Drebbel báo cáo rằng hệ thống sưởi ấm Nitrat (kali nitrat) phát ra một loại khí. Danh tính của loại khí này vẫn còn là một bí ẩn cho đến thập niên 1770. Khi có ba nhà hóa học gần như cùng lúc phát hiện ra oxi. Mục sư, nhà hóa học người Anh Joseph đã tách oxi bằng cách chiếu ánh sáng mặt trời trên oxit thủy ngân và thu khí từ phản ứng. Ông lưu ý rằng một ngọn nến cháy sáng rực rỡ hơn khi ở trong khí này, nhờ có vai trò của oxi trong quá trình đốt cháy.
Năm 1774, linh mục công bố phát hiện của mình. Trước đó, vào năm 1771, nhà khoa học Thụy Sĩ Carl Wilhelm Steele là người đã thực sự tách được oxi và có công trình viết về khí oxi nhưng lại không công bố tác phẩm. Người thứ ba phát hiện ra oxi là Antoine-Laurent de Lavoisier. Một nhà hóa học người Pháp. Chính ông đã đặt tên cho nguyên tố này là “oxi”. Từ “oxy” và “gen” đều là các từ trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “axit-hình thành”.
Bạn có biết?
– Khi ở dạng khí, oxi không có màu. Nhưng ở dạng chất lỏng, oxi có màu xanh nhạt.
– Nếu bạn từng tự hỏi bơi trong một hồ bơi có chứa oxi lỏng sẽ như thế nào. Thì câu trả lời là: rất, rất lạnh. oxi chỉ hóa lỏng ở nhiệt độ âm 183 độ C, vì thế bơi trong một hồ bơi chứa oxy lỏng sẽ vô cùng lạnh.
– Quá ít oxi cũng nguy hiểm mà quá nhiều oxy cũng nguy hiểm. Nếu chúng ta hít thở 80% oxi trong hơn 12 giờ sẽ gây kích thích đường hô hấp, và cuối cùng là có thể bị tràn dịch, hoặc phù nề.
– oxi rất nặng. Một nghiên cứu năm 2012 đăng trên tạp chí Physical Review Letters phát hiện ra một phân tử oxi (O2) có thể tồn tại áp lực cao hơn áp suất khí quyển tới 19 triệu lần.
– Mức oxy thấp nhất trong máu người từng được đo ở gần đỉnh núi Everest trong năm 2009. Các nhà leo núi có nồng độ oxi trung bình trong động mạch là 3,28 kilopascal. Trong khi đó, thông thường con người có nồng độ oxi trung bình là 12-14 kilopascal.
– Chúng ta phải cám ơn vì bầu khí quyền có nồng độ 21% oxi. Khoảng 300 triệu năm trước, nồng độ oxi đạt 35%, các loài côn trùng có thể phát triển siêu lớn. Hãy tưởng tượng thế giới sẽ ra sao nếu loài chuồn chuồn có sải cánh rộng bằng diều hâu!
Những nghiên cứu về oxi
Khí oxi
Tháng 3/2014, nhà vật lý học Dean Lee của trường Đại học North Carolina cùng các đồng nghiệp báo cáo rằng. Họ đã tìm ra cấu trúc hạt nhân của oxi-16. Đồng vị phổ biến nhất của oxi, ở trạng thái cơ bản (trạng thái mà tất cả các electron đều ở mức năng lượng thấp nhất có thể). Trong trạng thái kích thích đầu tiên (trạng thái mức độ năng lượng tăng tiếp theo).
Phát hiện trên rất quan trọng để hiểu được hạt nhân hình thành như thế nào trong các ngôi sao – từ carbon với oxi đến các nguyên tố nặng hơn. Sử dụng các mô phỏng trên siêu máy tính và một số mạng tinh thể. Các nhà nghiên cứu đã có thể xem các hạt trong một hạt nhân oxi-16 tự sắp xếp như thế nào. Họ nhận thấy trong trạng thái cơ bản của oxi-16, thực sự có bốn cụm alpha, sắp xếp gọn gàng trong một khối tứ diện.
Nhưng có một bí mật khác cần làm sáng tỏ. Trạng thái cơ bản của oxi-16. Trạng thái kích thích đầu tiên cùng có một tính năng khác thường. Cả hai đều có cùng spin – spin là giá trị chỉ ra cách các hạt xoay như thế nào. Chúng cũng đều có cân bằng dương, một cách cho thấy tính đối xứng.
Các mô phỏng đã đưa ra câu trả lời: Trong trạng thái kích thích. Oxi-16 sắp xếp lại các hạt nhân của nó để trông giống như trạng thái cơ bản. Thay vì sắp xếp dạng tứ diện. Các hạt alpha lại tự sắp xếp trong dạng mặt phẳng hình vuông hoặc gần giống như hình vuông. Hiện nay, khoa học vẫn đang khám phá các tương tác lượng tử trong các hạt nhân oxy-16.
“Thực sự có rất nhiều điều thú vị xảy ra bên trong những thứ nhỏ như hạt nhân,” nhà vật lý học Dean Lee nói.
Các nghiên cứu của Lee nhằm tìm hiểu cách oxy sinh ra trong các ngôi sao. Ngoài ra, còn có dạng nghiên cứu oxy khác. Tập trung vào vai trò của oxy trong sự sống trên Trái đất. Ngay sau Sự kiện oxy hóa vĩ đại cách đây 2,4 tỷ năm. Nồng độ ôxy có thể đã đạt hoặc vượt mức nồng độ ngày hôm nay. Nhiều loài động vật đã tuyệt chủng từ đó đến nay. Những động vật đơn giản nhất xuất hiện khoảng 600 triệu năm trước.
Mặc dù về lý thuyết, sự xuất hiện của oxi đã mở đường cho sự tồn tại của các loài động vật. Song câu chuyện dường như phức tạp hơn rất nhiều. Các loài động vật không hề xuất hiện sau các va chạm đáng kể đầu tiên về nồng độ oxy trên Trái đất 2,4 tỷ năm trước.
Vào tháng 2/2014, Daniel Mills, một ứng cử viên tiến sĩ tại Nordic Center for Earth Evolution. Thuộc trường Đại học Southern Denmark, cùng với các cộng sự đã báo cáo trên tạp chí PNAS rằng loài bọt biển hiện đại ngày nay vẫn còn có thể hít thở, ăn uống và thậm chí phát triển ở nồng độ oxy cao hơn 0,5% đến 4% của nồng độ oxi trong bầu khí quyển Trái Đất ngày nay. Bọt biển là có lẽ loài động vật sống giống với các loài động vật đầu tiên trên Trái đất.
oxi
Phát hiện trên về loài bọt biển cho thấy thêm một khía cạnh về sự sống của các loài động vật đầu tiên trên trái đất. Ngay cả trong thời hiện đại, những loài động vật như giun tròn cũng phát triển mạnh trong những khu vực thiếu oxy của đại dương.
“Rõ ràng là có nhiều yếu tố góp phần vào sự tiến hóa của các loài động vật, chứ không chỉ có nguồn o2”, Mills nói.
