Những bí mật thú vị về khí Oxy

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, oxy rất dễ bị "coi thường". Trong thực tế, oxy là nguyên tố phản ứng nhất trong số các nguyên tố phi kim.

>>> 

Các số liệu thực tế về khí Oxy

- Số nguyên tử (số proton trong hạt nhân): 8

- Ký hiệu nguyên tử (trên Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học): O

- Trọng lượng nguyên tử (khối lượng trung bình của nguyên tử): 15,9994

- Mật độ: 0,001429 gram trong một centimet khối

- Trạng thái khi ở nhiệt độ phòng: Khí

- Điểm nóng chảy: âm 361,82 độ F (âm 218,79 độ C)

- Điểm sôi: âm 297,31 độ F (âm 182,95 độ C)

- Số đồng vị (nguyên tử của cùng một nguyên tố với một số nơtron khác): 11; ba ổn định

- Đồng vị phổ biến nhất: O-16 (99,757% có sẵn trong tự nhiên)

Oxy được phát hiện ra như thế nào?

Theo Phòng thí nghiệm quốc gia Thomas Jefferson National Accelerator Facility của Mỹ, oxy là nguyên tố phổ biến thứ ba trong vũ trụ. Tuy nhiên, hoạt tính của oxy 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 oxy, 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 Oxy hóa vĩ đại trong lịch sử.

Quá trình quang hợp của vi khuẩn lam diễn ra liên tục trước khi oxy 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 oxy 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 oxy, nhưng ban đầu, sự tích tụ của oxy 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 oxy 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 oxy 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 oxy. Mục sư, nhà hóa học người Anh Joseph đã tách oxy 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 oxy 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 oxy và có công trình viết về khí oxy nhưng lại không công bố tác phẩm. Người thứ ba phát hiện ra oxy là Antoine-Laurent de Lavoisier, một nhà hóa học người Pháp. Chính ông đã đặt tên cho nguyên tố này là "oxy". 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, oxy không có màu. Nhưng ở dạng chất lỏng, oxy có màu xanh nhạt.

- Nếu bạn từng tự hỏi bơi trong một hồ bơi có chứa oxy lỏng sẽ như thế nào, thì câu trả lời là: rất, rất lạnh. Oxy 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 oxy cũng nguy hiểm mà quá nhiều oxy cũng nguy hiểm. Nếu chúng ta hít thở 80% oxy trong hơn 12 giờ sẽ gây kích thích đường hô hấp, và cuối cùng là có thể bị tràn dịch, hoặc phù nề.

- Oxy rất nặng. Một nghiên cứu năm 2012 đăng trên tạp chí Physical Review Letters phát hiện ra một phân tử oxy (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 oxy trung bình trong động mạch là 3,28 kilopascal. Trong khi đó, thông thường con người có nồng độ oxy trung bình là 12-14 kilopascal.

- Chúng ta phải cám ơn vì bầu khí quyền có nồng độ 21% oxy. Khoảng 300 triệu năm trước, nồng độ oxy 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 oxy

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 oxy-16, đồng vị phổ biến nhất của oxy, ở trạng thái cơ bản (trạng thái mà tất cả các electron đều ở mức năng lượng thấp nhất có thể) và 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 oxy 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 oxy-16 tự sắp xếp như thế nào. Họ nhận thấy trong trạng thái cơ bản của oxy-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 oxy-16 và 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, oxy-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 oxy 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 oxy 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.

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 oxy", Mills nói.