Zuurstof

Zuurstof is het chemische element met het symbool O en atoomnummer 8. Het is een lid van de chalcogeengroep in het periodiek systeem, een zeer reactief niet-metaal, en een oxidatiemiddel dat gemakkelijk oxiden vormt met de meeste elementen en met andere verbindingen. In massa is zuurstof het op twee na meest voorkomende element in het universum, na waterstof en helium. Bij standaardtemperatuur en -druk binden twee atomen van het element zich met de formule O2 tot dioxine, een kleurloos en reukloos diatomeeëngas. Diatomeeënaarde zuurstofgas vormt 20,8% van de atmosfeer van de aarde. Als verbindingen met inbegrip van oxiden maakt het element bijna de helft van de aardkorst uit.

Zuurstof levert de energie die vrijkomt bij verbranding en aërobe celademhaling, en veel belangrijke klassen van organische moleculen in levende organismen bevatten zuurstofatomen, zoals eiwitten, nucleïnezuren, koolhydraten en vetten, net als de belangrijkste bestanddeel van anorganische verbindingen van dierlijke schelpen, tanden en botten. Het grootste deel van de massa van levende organismen is zuurstof als bestanddeel van water, het belangrijkste bestanddeel van levensvormen. Zuurstof wordt voortdurend aangevuld in de atmosfeer van de aarde door middel van fotosynthese, waarbij de energie van het zonlicht wordt gebruikt om zuurstof te produceren uit water en kooldioxide. Zuurstof is te chemisch reactief om een vrij element in de lucht te blijven zonder continu te worden aangevuld door de fotosynthetische werking van levende organismen. Een andere vorm (allotroop) van zuurstof, ozon (O 3), absorbeert sterk ultraviolette UVB-straling en de ozonlaag op grote hoogte helpt de biosfeer te beschermen tegen ultraviolette straling. De aan het oppervlak aanwezige ozon is echter een bijproduct van smog en dus een vervuilende stof.

Zuurstof werd vóór 1604 geïsoleerd door Michael Sendivogius, maar algemeen wordt aangenomen dat het element onafhankelijk werd ontdekt door Carl Wilhelm Scheele, in Uppsala, in 1773 of eerder, en Joseph Priestley in Wiltshire, in 1774. Voor Priestley wordt vaak voorrang gegeven omdat zijn werk als eerste werd gepubliceerd. Priestley noemde zuurstof “dephlogisticated air” en herkende het niet als een chemisch element. De naam zuurstof werd in 1777 bedacht door Antoine Lavoisier, die zuurstof voor het eerst herkende als een chemisch element en de rol die het speelt bij de verbranding correct karakteriseerde.

Veel voorkomende toepassingen van zuurstof zijn de productie van staal, kunststoffen en textiel, hardsolderen, lassen en snijden van staal en andere metalen, raketstuwstof, zuurstoftherapie en levensondersteunende systemen in vliegtuigen, onderzeeërs, ruimtevaart en duiken.

Geschiedenis

Vroege experimenten

Een van de eerste bekende experimenten over de relatie tussen verbranding en lucht werd uitgevoerd door de Griekse schrijver uit de 2e eeuw v. Chr. over mechanica, Philo van Byzantium. In zijn werk Pneumatica merkte Philo op dat het omkeren van een vat boven een brandende kaars en het omringen van de hals van het vat met water tot gevolg had dat er wat water in de hals kwam. Philo vermoedde ten onrechte dat delen van de lucht in het vat werden omgezet in het klassieke element vuur en zo konden ontsnappen door de poriën in het glas. Vele eeuwen later bouwde Leonardo da Vinci voort op Philo’s werk door te observeren dat een deel van de lucht wordt verbruikt tijdens de verbranding en de ademhaling.

Aan het eind van de 17e eeuw bewees Robert Boyle dat lucht nodig is voor de verbranding. De Engelse chemicus John Mayow (1641-1679) verfijnde dit werk door aan te tonen dat vuur slechts een deel van de lucht nodig heeft die hij spiritus nitroaereus noemde. In een experiment vond hij dat het plaatsen van een muis of een brandende kaars in een gesloten vat boven water het water deed stijgen en een veertiende van het luchtvolume verving voordat de proefpersonen gedoofd werden. Hij vermoedde dat nitroaereus zowel bij de ademhaling als bij de verbranding wordt geconsumeerd.

Mayow merkte op dat antimoon bij verhitting in gewicht toenam, en leidde daaruit af dat de nitroaereus ermee gepaard moet zijn gegaan. Hij dacht ook dat de longen nitroaereus van de lucht scheiden en in het bloed doorgeven en dat dierlijke warmte en spierbeweging het gevolg zijn van de reactie van nitroaereus met bepaalde stoffen in het lichaam. Verhalen van deze en andere experimenten en ideeën werden in 1668 gepubliceerd in zijn werk Tractatus duo in het tractus “De respiratione”.

Phlogiston theorie

Robert Hooke, Ole Borch, Michail Lomonosov en Pierre Bajen produceerden allemaal zuurstof in experimenten in de 17e en 18e eeuw, maar geen van hen herkende het als een chemisch element. Dit kan deels te wijten zijn geweest aan het overwicht van de filosofie van de verbranding en corrosie genaamd de phlogiston theorie, die toen de favoriete verklaring van die processen was.

Opgericht in 1667 door de Duitse alchemist J.J. Becher, en gewijzigd door de chemicus Georg Ernst Stahl in 1731, stelde de phlogistontheorie dat alle brandbare materialen uit twee delen bestaan. Het ene deel, phlogiston genaamd, werd afgegeven toen de stof die het bevatte werd verbrand, terwijl het dephlogistische deel werd verondersteld zijn ware vorm, of calx, te zijn.

Zeer brandbare materialen die weinig residu’s achterlaten, zoals hout of kolen, werden verondersteld voornamelijk van phlogiston te zijn gemaakt; onbrandbare stoffen die corroderen, zoals ijzer, bevatten zeer weinig. Lucht speelde geen rol in de phlogistontheorie en er werden ook geen eerste kwantitatieve experimenten uitgevoerd om het idee te testen; in plaats daarvan was het gebaseerd op waarnemingen van wat er gebeurt als er iets brandt, dat de meeste gewone voorwerpen lichter lijken te worden en iets lijken te verliezen in het proces.

Ontdekking

De Poolse alchemist, filosoof en arts Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) beschreef in zijn werk De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti (1604) een stof in de lucht, die hij “cibus vitae” (levensmiddel) noemde, en deze stof is identiek met zuurstof. Sendivogius heeft tijdens zijn experimenten tussen 1598 en 1604 naar behoren erkend dat de stof gelijkwaardig is aan het gasvormige bijproduct dat vrijkomt bij de thermische ontleding van kaliumnitraat. Volgens Bugaj geeft de isolatie van zuurstof en de juiste associatie van de stof met dat deel van de lucht dat nodig is voor het leven, voldoende gewicht aan de ontdekking van zuurstof door Sendivogius. Deze ontdekking van Sendivogius werd echter vaak ontkend door de generaties wetenschappers en chemici die hem opvolgden.

Ook wordt vaak beweerd dat zuurstof voor het eerst werd ontdekt door de Zweedse apotheker Carl Wilhelm Scheele. Hij had in 1771-2 zuurstofgas geproduceerd door het verhitten van kwikoxide en verschillende nitraten. Scheele noemde het gas “vuurlucht” omdat het toen het enige bekende middel was dat de verbranding ondersteunde. Hij schreef een verslag van deze ontdekking in een manuscript met de titel Verhandeling over Lucht en Vuur, dat hij in 1775 naar zijn uitgever stuurde. Dat document werd gepubliceerd in 1777.

In de tussentijd, op 1 augustus 1774, richtte een experiment van de Britse geestelijke Joseph Priestley het zonlicht op kwikoxide (HgO) in een glazen buis, waardoor een gas vrijkwam dat hij “dephlogisticated air” noemde. Hij merkte op dat de kaarsen helderder brandden in het gas en dat een muis actiever was en langer leefde terwijl hij ademde. Nadat hij het gas zelf had ingeademd, schreef Priestley: “Het gevoel van het gas in mijn longen was niet zinnig anders dan dat van gewone lucht, maar ik had het idee dat mijn borst daarna nog een tijdje licht en gemakkelijk aanvoelde. Priestley publiceerde zijn bevindingen in 1775 in een artikel getiteld “An Account of Further Discoveries in Air”, dat werd opgenomen in het tweede deel van zijn boek met de titel Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Omdat hij zijn bevindingen eerst publiceerde, krijgt Priestley meestal voorrang bij de ontdekking.

De Franse chemicus Antoine Laurent Lavoisier beweerde later dat hij de nieuwe stof zelfstandig had ontdekt. Priestley bezocht Lavoisier in oktober 1774 en vertelde hem over zijn experiment en hoe hij het nieuwe gas bevrijdde. Scheele had op 30 september 1774 ook een brief naar Lavoisier gestuurd, waarin hij zijn ontdekking van de tot dan toe onbekende stof beschreef, maar Lavoisier heeft nooit toegegeven deze te hebben ontvangen. (Een kopie van de brief werd na zijn dood in Scheele’s spullen gevonden).

Lavoisier’s bijdrage

Lavoisier voerde de eerste adequate kwantitatieve experimenten op het gebied van oxidatie uit en gaf de eerste juiste verklaring voor de werking van de verbranding. Hij gebruikte deze en soortgelijke experimenten, allemaal begonnen in 1774, om de phlogistontheorie in diskrediet te brengen en om te bewijzen dat de door Priestley en Scheele ontdekte stof een chemisch element was.

In één experiment merkte Lavoisier op dat er geen algemene gewichtstoename was toen tin en lucht in een gesloten container werden verhit. Hij merkte op dat er lucht naar binnen stroomde toen hij de container opende, wat erop wees dat een deel van de opgesloten lucht was verbruikt. Hij merkte ook op dat het gewicht van het blik was toegenomen en dat die toename gelijk was aan het gewicht van de lucht die terug naar binnen stroomde. Deze en andere experimenten met de verbranding werden gedocumenteerd in zijn boek Sur la combustion en général, dat in 1777 werd gepubliceerd. In dat werk bewees hij dat lucht een mengsel is van twee gassen; ‘vitale lucht’, die essentieel is voor de verbranding en de ademhaling, en azote (Gk. ἄζωτον “levenloos”), die ook niet ondersteunen. Azote werd later stikstof in het Engels, hoewel het de vroegere naam in het Frans en verschillende andere Europese talen heeft behouden.

Lavoisier hernoemde ‘vitale lucht’ naar oxygène in 1777 van de Griekse wortels ὀξύς (oxys) (zuur, letterlijk “scherp”, van de smaak van zuren) en -γενής (-genēs) (producent, letterlijk begetter), omdat hij ten onrechte geloofde dat zuurstof een bestanddeel van alle zuren was. Scheikundigen (zoals Sir Humphry Davy in 1812) stelden uiteindelijk vast dat Lavoisier zich in dit opzicht vergiste (waterstof vormt de basis voor de zure chemie), maar tegen die tijd was de naam al te goed ingeburgerd.

Zuurstof kwam de Engelse taal binnen ondanks tegenwerking van Engelse wetenschappers en het feit dat de Engelsman Priestley het gas eerst had geïsoleerd en erover had geschreven. Dit is mede te danken aan een gedicht waarin het gas met de titel “Oxygen” in het populaire boek The Botanic Garden (1791) van Erasmus Darwin, grootvader van Charles Darwin, wordt geprezen.

Later in de geschiedenis

John Dalton’s oorspronkelijke atoomhypothese veronderstelde dat alle elementen monatomair waren en dat de atomen in verbindingen normaal gesproken de eenvoudigste atoomverhoudingen ten opzichte van elkaar zouden hebben. Zo nam Dalton aan dat de formule van water HO was, wat leidde tot de conclusie dat de atoommassa van zuurstof 8 keer zo groot was als die van waterstof, in plaats van de moderne waarde van ongeveer 16. In 1805 toonden Joseph Louis Gay-Lussac en Alexander von Humboldt aan dat water bestaat uit twee volumes waterstof en één volume zuurstof; en in 1811 was Amedeo Avogadro tot de juiste interpretatie van de samenstelling van water gekomen, gebaseerd op wat nu de wet van Avogadro wordt genoemd en de diatomeeënaarde elementaire moleculen in die gassen.

Tegen het einde van de 19e eeuw realiseerden wetenschappers zich dat lucht vloeibaar gemaakt kon worden en dat de componenten ervan geïsoleerd konden worden door het te comprimeren en te koelen. De Zwitserse chemicus en natuurkundige Raoul Pierre Pictet verdampte met behulp van een cascademethode vloeibaar zwaveldioxide om kooldioxide vloeibaar te maken, dat op zijn beurt werd verdampt om zuurstofgas voldoende af te koelen om het vloeibaar te maken. Hij stuurde op 22 december 1877 een telegram naar de Franse Academie van Wetenschappen in Parijs waarin hij zijn ontdekking van vloeibare zuurstof aankondigde. Slechts twee dagen later kondigde de Franse natuurkundige Louis Paul Cailletet zijn eigen methode voor het vloeibaar maken van moleculaire zuurstof aan. Er werden slechts enkele druppels van de vloeistof geproduceerd en er kon geen zinvolle analyse worden uitgevoerd. Zuurstof werd op 29 maart 1883 voor het eerst vloeibaar gemaakt in een stabiele toestand door Poolse wetenschappers van de Jagiellonian Universiteit, Zygmunt Wróblewski en Karol Olszewski.

In 1891 was de Schotse chemicus James Dewar in staat om voldoende vloeibare zuurstof te produceren voor studie. Het eerste commercieel levensvatbare proces voor de productie van vloeibare zuurstof werd in 1895 onafhankelijk ontwikkeld door de Duitse ingenieur Carl von Linde en de Britse ingenieur William Hampson. Beide mannen verlaagden de temperatuur van de lucht tot deze vloeibaar werd en destilleerden vervolgens de gassen van de componenten door ze één voor één af te koken en apart op te vangen. Later, in 1901, werd het oxyacetyleenlassen voor het eerst gedemonstreerd door het verbranden van een mengsel van acetyleen en gecomprimeerd O2. Deze methode van lassen en snijden van metaal werd later gemeengoed.

In 1923 werd de Amerikaanse wetenschapper Robert H. Goddard de eerste die een raketmotor ontwikkelde die vloeibare brandstof verbrandde; de motor gebruikte benzine als brandstof en vloeibare zuurstof als oxidatiemiddel. Goddard vloog op 16 maart 1926 in Auburn, Massachusetts, VS, met succes een kleine, vloeibaar aangedreven raket van 56 m bij 97 km/u.

In academische laboratoria kan zuurstof worden bereid door het samen verhitten van kaliumchloraat vermengd met een kleine hoeveelheid mangaandioxide.

Het zuurstofgehalte in de atmosfeer daalt wereldwijd licht, mogelijk door de verbranding van fossiele brandstoffen.

Natuurlijk voorkomen

Zuurstof is het meest voorkomende chemische element in de biosfeer, de lucht, de zee en het land van de aarde. Zuurstof is het derde meest voorkomende chemische element in het universum, na waterstof en helium. Ongeveer 0,9% van de massa van de zon is zuurstof. Zuurstof vormt 49,2% van de aardkorst in massa als onderdeel van oxideverbindingen zoals siliciumdioxide en is het meest voorkomende element in massa in de aardkorst. Het is ook het belangrijkste bestanddeel van de wereldzeeën (88,8 massaprocent). Zuurstofgas is het tweede meest voorkomende bestanddeel van de aardse atmosfeer en neemt 20,8% van zijn volume en 23,1% van zijn massa (ongeveer 1015 ton) in beslag. De aarde is ongewoon onder de planeten van het Zonnestelsel, omdat ze zo’n hoge concentratie zuurstofgas in haar atmosfeer heeft: Mars (met 0,1% O2 in volume) en Venus hebben veel minder. De O2 die deze planeten omringt wordt uitsluitend geproduceerd door de werking van ultraviolette straling op zuurstofhoudende moleculen zoals kooldioxide. De wereldkaart laat zien dat de zuurstof aan het zeeoppervlak rond de evenaar is uitgeput en toeneemt in de richting van de polen.

De ongewoon hoge concentratie van zuurstofgas op aarde is het resultaat van de zuurstofcyclus. Deze biogeochemische cyclus beschrijft de beweging van zuurstof binnen en tussen de drie belangrijkste reservoirs op Aarde: de atmosfeer, de biosfeer en de lithosfeer. De belangrijkste drijvende factor van de zuurstofcyclus is de fotosynthese, die verantwoordelijk is voor de moderne aardse atmosfeer. Door de fotosynthese komt er zuurstof vrij in de atmosfeer, terwijl de ademhaling, het verval en de verbranding deze zuurstof uit de atmosfeer verwijderen. In het huidige evenwicht vinden productie en verbruik in hetzelfde tempo plaats.

Vrije zuurstof komt ook voor in de oplossing in de waterlichamen van de wereld. De verhoogde oplosbaarheid van O2 bij lagere temperaturen (zie Fysische eigenschappen) heeft belangrijke implicaties voor het leven in de oceanen, omdat de polaire oceanen een veel hogere dichtheid van het leven ondersteunen door hun hogere zuurstofgehalte. Water dat verontreinigd is met plantaardige voedingsstoffen zoals nitraten of fosfaten kan de groei van algen stimuleren door een proces dat eutrofiëring wordt genoemd en het verval van deze organismen en andere biomaterialen kan het O2-gehalte in eutrofe waterlichamen verminderen. Wetenschappers beoordelen dit aspect van de waterkwaliteit door de biochemische zuurstofbehoefte van het water te meten, of de hoeveelheid O2 die nodig is om het water te herstellen tot een normale concentratie.

Analyse

Tijdsevolutie van de zuurstof-18 concentratie op de schaal van 500 miljoen jaar met vele lokale pieken.

Paleoklimatologen meten de verhouding van zuurstof-18 en zuurstof-16 in de schelpen en skeletten van mariene organismen om het klimaat miljoenen jaren geleden te bepalen (zie zuurstofisotopenverhouding cyclus). Zeewatermoleculen die het lichtere isotoop, zuurstof-16, bevatten, verdampen iets sneller dan watermoleculen die de 12% zwaardere zuurstof-18 bevatten, en dit verschil neemt toe bij lagere temperaturen. In perioden van lagere temperaturen op aarde zijn sneeuw en regen uit dat verdampte water meestal hoger in zuurstof-16, en het achtergebleven zeewater is meestal hoger in zuurstof-18. Mariene organismen nemen dan meer zuurstof-18 in hun skeletten en schelpen op dan in een warmer klimaat. Paleoklimatologen meten deze verhouding ook direct in de watermoleculen van ijskernmonsters die al honderdduizenden jaren oud zijn.

Planetaire geologen hebben de relatieve hoeveelheden zuurstofisotopen gemeten in monsters van de Aarde, de Maan, Mars en meteorieten, maar waren lang niet in staat om referentiewaarden te verkrijgen voor de isotopenverhoudingen in de Zon, waarvan wordt aangenomen dat ze dezelfde zijn als die van de oerzonnevel. Analyse van een siliciumwafel die in de ruimte aan de zonnewind is blootgesteld en door het neergestorte Genesis-ruimteschip is teruggekeerd, heeft aangetoond dat de Zon een hoger percentage zuurstof-16 heeft dan de Aarde. De meting houdt in dat door een onbekend proces de zuurstof-16 van de zonneschijf van protoplanetair materiaal is uitgeput voordat de stofkorrels die de aarde vormden, samenklonterden.

Zuurstof heeft twee spectrofotometrische absorptiebanden die pieken vertonen bij de golflengten 687 en 760 nm. Sommige teledetectie-wetenschappers hebben voorgesteld om met behulp van de meting van de straling afkomstig van vegetatiecapsules in die banden de gezondheidstoestand van planten te karakteriseren vanaf een satellietplatform. Deze aanpak maakt gebruik van het feit dat het in die banden mogelijk is om de reflectie van de vegetatie te onderscheiden van de fluorescentie, die veel zwakker is. De meting is technisch moeilijk vanwege de lage signaal-ruisverhouding en de fysieke structuur van de vegetatie; maar het is voorgesteld als een mogelijke methode om de koolstofcyclus van satellieten op wereldschaal te monitoren.

Productie

Honderd miljoen ton O2 wordt jaarlijks met twee primaire methoden aan de lucht onttrokken voor industrieel gebruik. De meest voorkomende methode is gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht, waarbij N2 als damp wordt gedistilleerd terwijl O2 als vloeistof achterblijft.

De andere primaire methode om O2 te produceren is het passeren van een stroom schone, droge lucht door een bed van een paar identieke zeoliet-moleculaire zeven, die de stikstof absorbeert en een gasstroom levert die 90% tot 93% O2 bedraagt. Tegelijkertijd komt stikstofgas vrij uit het andere met stikstof verzadigde zeolietbed, door de werkdruk in de kamer te verlagen en een deel van het zuurstofgas uit het productiebed er doorheen te leiden, in de omgekeerde richting van de stroom. Na een bepaalde cyclustijd wordt de werking van de twee bedden onderling verwisseld, waardoor een continue toevoer van gasvormige zuurstof door een pijpleiding kan worden gepompt. Dit wordt drukschommelingsadsorptie genoemd. Zuurstofgas wordt in toenemende mate verkregen door deze niet-kryogene technologieën (zie ook de bijbehorende vacuümzwaaiadsorptie).

Zuurstofgas kan ook worden geproduceerd door elektrolyse van water in moleculaire zuurstof en waterstof. Er moet gelijkstroom worden gebruikt: bij gebruik van wisselstroom bestaan de gassen in elk ledemaat uit waterstof en zuurstof in de explosieve verhouding 2:1. Een soortgelijke methode is de elektrokatalytische O2-evolutie uit oxiden en oxozuren. Chemische katalysatoren kunnen ook worden gebruikt, zoals in chemische zuurstofgeneratoren of zuurstofkaarsen die worden gebruikt als onderdeel van de life-support apparatuur op onderzeeërs, en nog steeds deel uitmaken van de standaarduitrusting op commerciële vliegtuigen in het geval van depressurisatie noodgevallen. Een andere luchtscheidingsmethode is het dwingen van lucht om op te lossen door keramische membranen op basis van zirkoniumdioxide door middel van hoge druk of een elektrische stroom, om bijna zuiver O2-gas te produceren.

Opslag

Zuurstofopslagmethoden zijn onder andere hoge druk zuurstoftanks, cryogene en chemische verbindingen. Om economische redenen wordt zuurstof vaak in bulk als vloeistof vervoerd in speciaal geïsoleerde tankwagens, aangezien een liter vloeibare zuurstof gelijk is aan 840 liter gasvormige zuurstof bij atmosferische druk en 20 °C (68 °F). Dergelijke tankers worden gebruikt voor het bijvullen van opslagcontainers voor vloeibare zuurstof in bulk, die buiten ziekenhuizen en andere instellingen staan die grote hoeveelheden zuiver zuurstofgas nodig hebben. Vloeibare zuurstof wordt door warmtewisselaars geleid, die de cryogene vloeistof in gas omzetten voordat deze het gebouw binnenkomt. Zuurstof wordt ook opgeslagen en vervoerd in kleinere cilinders die het gecomprimeerde gas bevatten; een vorm die nuttig is bij bepaalde draagbare medische toepassingen en bij het lassen en snijden van autogeen.

Economisch gebruik

Medizin

De opname van O2 uit de lucht is het essentiële doel van de ademhaling, dus wordt er in de geneeskunde gebruik gemaakt van zuurstofsuppletie. De behandeling verhoogt niet alleen het zuurstofgehalte in het bloed van de patiënt, maar heeft als neveneffect dat de weerstand tegen de bloedstroom in veel soorten zieke longen afneemt, waardoor de werkdruk op het hart afneemt. Zuurstoftherapie wordt gebruikt voor de behandeling van emfyseem, longontsteking, sommige hartaandoeningen (congestief hartfalen), sommige aandoeningen die een verhoogde druk op de longslagader veroorzaken en elke ziekte die het vermogen van het lichaam om gasvormige zuurstof op te nemen en te gebruiken aantast.

De behandelingen zijn flexibel genoeg om te worden gebruikt in ziekenhuizen, bij de patiënt thuis of in toenemende mate met draagbare apparaten. Zuurstoftenten werden vroeger vaak gebruikt bij zuurstofsuppletie, maar zijn sindsdien meestal vervangen door het gebruik van zuurstofmaskers of neuscanules.

De hyperbare (hoge druk) geneeskunde maakt gebruik van speciale zuurstofkamers om de gedeeltelijke druk van O2 rond de patiënt en, indien nodig, het medisch personeel te verhogen. Koolmonoxidevergiftiging, gasgangreen en decompressieziekte (de ‘bochten’) worden met deze therapie soms aangepakt. Een verhoogde O2-concentratie in de longen helpt om koolmonoxide uit de heemgroep hemoglobine te verdringen. Zuurstofgas is giftig voor de anaërobe bacteriën die gasgangreen veroorzaken, dus het verhogen van de partiële druk helpt hen te doden. Decompressieziekte komt voor bij duikers die te snel na een duik decompresseren, wat resulteert in bubbels van inert gas, meestal stikstof en helium, die zich in het bloed vormen. Het verhogen van de druk van O2 zo snel mogelijk helpt om de bubbels weer op te lossen in het bloed, zodat deze overtollige gassen op natuurlijke wijze kunnen worden uitgeademd via de longen. Normobarische zuurstoftoediening in de hoogst beschikbare concentratie wordt vaak gebruikt als eerste hulp bij duikverwondingen waarbij inerte gasbellen in de weefsels kunnen ontstaan. Er is epidemiologische ondersteuning voor het gebruik ervan door een statistische studie van gevallen die zijn geregistreerd in een lange termijn database.

Levensondersteuning en recreatief gebruik

Een toepassing van O2 als lagedruk-ademhalingsgas is in moderne ruimtepakken, die het lichaam van de inzittende omringen met het ademhalingsgas. Deze apparaten gebruiken bijna zuivere zuurstof bij ongeveer een derde van de normale druk, wat resulteert in een normale gedeeltelijke bloeddruk van O2. Deze inruil van een hogere zuurstofconcentratie voor een lagere druk is nodig om de flexibiliteit van het pak te behouden.

Onderwaterduikers en onderzeeboten vertrouwen ook op kunstmatig geleverde O2. Onderzeeërs, duikboten en atmosferische duikpakken werken meestal bij normale atmosferische druk. Ademlucht wordt gereinigd van kooldioxide door chemische extractie en zuurstof wordt vervangen om een constante partiële druk te behouden. Omgevingsdrukduikers ademen lucht of gasmengsels in met een zuurstoffractie die geschikt is voor de bedrijfsdiepte. Zuiver of bijna zuiver O2-gebruik bij duiken met een hogere druk dan de atmosferische druk is meestal beperkt tot rebreathers, of decompressie op relatief geringe diepte (~6 meter diepte, of minder), of medische behandeling in recompressiekamers met een druk tot 2,8 bar, waar acute zuurstoftoxiciteit kan worden beheerst zonder het risico van verdrinking. Dieper duiken vereist een aanzienlijke verdunning van O2 met andere gassen, zoals stikstof of helium, om zuurstoftoxiciteit te voorkomen.

Mensen die bergen beklimmen of vliegen in een niet-drukkend vliegtuig met vaste vleugels hebben soms extra O2-voorraden. Commerciële vliegtuigen met drukcabine hebben een noodvoorraad O2 die automatisch aan de passagiers wordt geleverd in geval van drukontlasting in de cabine. Plotseling wordt door het drukverlies in de cabine een chemische zuurstofgenerator boven elke stoel geactiveerd, waardoor zuurstofmaskers vallen. Door aan de maskers te trekken “om de zuurstoftoevoer te starten”, zoals de veiligheidsinstructies voor de cabine voorschrijven, worden ijzervijlseltjes in het natriumchloraat in de bus geperst. Door de exotherme reactie wordt een constante stroom zuurstofgas geproduceerd.

Zuurstof heeft, als mild euforisch, een geschiedenis van recreatief gebruik in zuurstofbars en in de sport. Zuurstofbars zijn inrichtingen die sinds het einde van de jaren negentig in de Verenigde Staten worden aangetroffen en die tegen een minimale vergoeding een hogere dan normale O2-blootstelling bieden. Professionele atleten, vooral in het American football, gaan soms van het veld af tussen de spelen om zuurstofmaskers aan te trekken om de prestaties te verbeteren. Het farmacologische effect wordt betwijfeld; een placebo-effect is een meer waarschijnlijke verklaring. Beschikbare studies ondersteunen een prestatieverhoging van zuurstofverrijkte mengsels alleen als het wordt ingeademd tijdens aërobe oefeningen.

Andere recreatieve toepassingen waarbij geen sprake is van ademen zijn onder andere pyrotechnische toepassingen, zoals George Goble’s vijf seconden durende ontsteking van barbecue-grills.

Industrie

Het smelten van ijzererts tot staal kost 55% van de commercieel geproduceerde zuurstof. In dit proces wordt O2 via een hogedruklans in gesmolten ijzer geïnjecteerd, dat zwavelonzuiverheden en overtollige koolstof als de respectievelijke oxiden, SO2 en CO2 verwijdert. De reacties zijn exotherm, zodat de temperatuur stijgt tot 1.700 °C.

Nog eens 25% van de commercieel geproduceerde zuurstof wordt gebruikt door de chemische industrie. Ethyleen wordt gereageerd met O2 om ethyleenoxide te creëren, dat op zijn beurt wordt omgezet in ethyleenglycol; het primaire voedingsmateriaal dat wordt gebruikt voor de vervaardiging van een groot aantal producten, waaronder antivries- en polyesterpolymeren (de voorlopers van veel kunststoffen en stoffen).

Het grootste deel van de resterende 20% van de commercieel geproduceerde zuurstof wordt gebruikt in medische toepassingen, bij het snijden en lassen van metalen, als oxidatiemiddel in raketbrandstof en bij waterbehandeling. Zuurstof wordt gebruikt bij het lassen van oxyacetyleen, waarbij acetyleen met O2 wordt gelast om een zeer hete vlam te produceren. In dit proces wordt metaal tot 60 cm (24 in) dik eerst verwarmd met een kleine oxy-acetyleen vlam en vervolgens snel gesneden door een grote stroom O2.

Biologie

Fotosynthese en ademhaling

In de natuur wordt vrije zuurstof geproduceerd door de lichtgedreven splitsing van water tijdens de zuurstofrijke fotosynthese. Volgens sommige schattingen leveren groene algen en cyanobacteriën in het mariene milieu ongeveer 70% van de vrije zuurstof die op aarde wordt geproduceerd, en de rest wordt geproduceerd door aardse planten. Andere schattingen van de bijdrage van de oceanen aan de zuurstofvoorziening in de atmosfeer zijn hoger, terwijl sommige schattingen lager zijn, wat suggereert dat de oceanen elk jaar ~45% van de zuurstofvoorziening in de atmosfeer van de aarde produceren.

De fotolytische evolutie van zuurstof vindt plaats in de thylakoïde membranen van fotosynthetische organismen en vereist de energie van vier fotonen. Er zijn vele stappen nodig, maar het resultaat is de vorming van een protongradiënt over het thylakoïde membraan, dat wordt gebruikt om adenosinetrifosfaat (ATP) te synthetiseren via de fotofosforylering. De O2 die overblijft (na de productie van het watermolecuul) komt vrij in de atmosfeer.

De chemische energie van zuurstof komt vrij in mitochondriën om ATP te genereren tijdens de oxidatieve fosforylering. Bij gewervelde dieren verspreidt O2 zich via membranen in de longen naar de rode bloedcellen. Hemoglobine bindt O2, waardoor de kleur verandert van blauwachtig rood naar helder rood (CO2 komt vrij uit een ander deel van hemoglobine door het Bohr-effect). Andere dieren gebruiken hemocyanine (weekdieren en sommige geleedpotigen) of hemerythrine (spinnen en kreeften). Een liter bloed kan 200 cm3 O2 oplossen.

Tot de ontdekking van anaërobe metazoa werd gedacht dat zuurstof een vereiste was voor al het complexe leven.

Delen van het immuunsysteem van hogere organismen creëren peroxide, superoxide en singletzuurstof om binnendringende microben te vernietigen. Reactieve zuurstofsoorten spelen ook een belangrijke rol in de overgevoelige reactie van planten tegen een aanval van ziekteverwekkers. Zuurstof is schadelijk voor verplicht anaërobe organismen, die de dominante vorm van het vroege leven op aarde waren tot O2 zich ongeveer 2,5 miljard jaar geleden in de atmosfeer begon op te hopen tijdens het Grote Zuurstofgebeuren, ongeveer een miljard jaar na de eerste verschijning van deze organismen.

Een volwassen mens in rust inhaleert 1,8 tot 2,4 gram zuurstof per minuut. Dit komt neer op meer dan 6 miljard ton zuurstof die de mensheid per jaar inademt.

Levende organismen

De vrije zuurstof gedeeltelijke druk in het lichaam van een levend gewerveld organisme is het hoogst in het ademhalingssysteem, en neemt af langs elk arterieel systeem, perifere weefsels, en veneuze systeem, respectievelijk. De partiële druk is de druk die zuurstof zou hebben als het alleen het volume bezette.

Atmosfeer

Vrij zuurstofgas was bijna niet aanwezig in de atmosfeer van de aarde voordat fotosynthetische archaea en bacteriën zich ontwikkelden, waarschijnlijk zo’n 3,5 miljard jaar geleden. Vrije zuurstof verscheen voor het eerst in aanzienlijke hoeveelheden tijdens het Paleoproterozoïcum (tussen 3,0 en 2,3 miljard jaar geleden). Ook al was er veel opgelost ijzer in de oceanen toen de zuurstofrijke fotosynthese steeds vaker voorkwam, het lijkt erop dat de ijzerformaties met banden werden gecreëerd door anoxyene of micro-aërodynamische ijzeroxiderende bacteriën die de diepere gebieden van de fotografische zone domineerden, terwijl zuurstofproducerende cyanobacteriën de ondiepten bedekten. Vrije zuurstof begon 3-2,7 miljard jaar geleden uit de oceanen te ontsnappen en bereikte 10% van het huidige niveau rond 1,7 miljard jaar geleden.

De aanwezigheid van grote hoeveelheden opgeloste en vrije zuurstof in de oceanen en de atmosfeer heeft de meeste van de aanwezige anaërobe organismen mogelijk tot uitsterven gedreven tijdens de Grote Zuurstoframp, zo’n 2,4 miljard jaar geleden. Door de celademhaling met behulp van O2 kunnen aërobe organismen veel meer ATP produceren dan anaërobe organismen. Cellulaire ademhaling van O2 komt in alle eukaryoten voor, inclusief alle complexe meercellige organismen zoals planten en dieren.

Sinds het begin van de Cambriumperiode 540 miljoen jaar geleden schommelde het O2-gehalte in de atmosfeer tussen 15% en 30% in volume. Tegen het einde van de Carboonperiode (ongeveer 300 miljoen jaar geleden) bereikten de atmosferische O2-niveaus een maximum van 35% in volume, wat kan hebben bijgedragen aan de grote omvang van de insecten en amfibieën in deze tijd.

Variaties in de atmosferische zuurstofconcentratie hebben het klimaat in het verleden gevormd. Toen de zuurstofconcentratie afnam, daalde de atmosferische dichtheid, waardoor de verdamping aan het oppervlak toenam, met als gevolg een toename van de neerslag en een stijging van de temperatuur.

Met de huidige snelheid van de fotosynthese zou het ongeveer 2000 jaar duren om de hele O2 in de huidige atmosfeer te regenereren.

Veiligheid

De NFPA 704 standaard tarieven gecomprimeerd zuurstofgas als ongevaarlijk voor de gezondheid, niet brandbaar en niet reactief, maar een oxidatiemiddel. Gekoelde vloeibare zuurstof (LOX) krijgt een gezondheidsgevaarlijke waarde van 3 (voor een verhoogd risico op hyperoxie door gecondenseerde dampen, en voor gevaren die gebruikelijk zijn voor cryogene vloeistoffen zoals bevriezing), en alle andere waarden zijn gelijk aan de vorm van het samengeperste gas.

Zuurstofgas (O2) kan giftig zijn bij verhoogde partiële druk, wat kan leiden tot convulsies en andere gezondheidsproblemen. Zuurstoftoxiciteit begint meestal bij een partiële druk van meer dan 50 kilopascal (kPa), gelijk aan ongeveer 50% zuurstofsamenstelling bij een standaarddruk of 2,5 maal de normale partiële druk op zeeniveau O2 van ongeveer 21 kPa. Dit is geen probleem, behalve voor patiënten op mechanische ventilatoren, aangezien het gas dat via zuurstofmaskers in medische toepassingen wordt toegevoerd, doorgaans slechts voor 30%-50% uit O2 bestaat (ongeveer 30 kPa bij standaarddruk).

Ooit werden premature baby’s in couveuses met O2-rijke lucht geplaatst, maar deze praktijk werd stopgezet nadat sommige baby’s werden verblind door een te hoog zuurstofgehalte.

Het inademen van zuivere O2 in ruimtetoepassingen, zoals in sommige moderne ruimtepakken, of in vroege ruimtevaartuigen zoals Apollo, veroorzaakt geen schade door de lage totale druk die wordt gebruikt. In het geval van ruimtepakken is de O2 partiële druk in het ademgas over het algemeen ongeveer 30 kPa (1,4 keer normaal), en de resulterende O2 partiële druk in het arteriële bloed van de astronaut is slechts marginaal meer dan de normale O2 partiële druk op zeeniveau.

Zuurstofvergiftiging voor de longen en het centrale zenuwstelsel kan ook optreden bij diepzeeduiken en duiken aan de oppervlakte. Langdurige ademhaling van een luchtmengsel met een O2 partiële druk van meer dan 60 kPa kan uiteindelijk leiden tot permanente longfibrose. Blootstelling aan een O2 partiële druk van meer dan 160 kPa (ongeveer 1,6 atm) kan leiden tot stuiptrekkingen (normaal gesproken fataal voor duikers). Acute zuurstoftoxiciteit (die aanvallen veroorzaakt, het meest gevreesde effect voor duikers) kan optreden door het inademen van een luchtmengsel met 21% O2 op 66 m (217 ft) of meer diepte; hetzelfde kan optreden door het inademen van 100% O2 op slechts 6 m (20 ft).

Verbranding en andere gevaren

Sterk geconcentreerde zuurstofbronnen bevorderen een snelle verbranding. Brand en explosiegevaar bestaan wanneer geconcentreerde oxidanten en brandstoffen in de buurt worden gebracht; een ontstekingsgebeurtenis, zoals hitte of een vonk, is nodig om de verbranding op gang te brengen. Zuurstof is het oxidatiemiddel, niet de brandstof, maar wel de bron van de meeste chemische energie die vrijkomt bij de verbranding.

Geconcentreerde O2 zorgt ervoor dat de verbranding snel en energiek verloopt. Stalen buizen en opslagvaten die worden gebruikt om zowel gasvormige als vloeibare zuurstof op te slaan en over te brengen, zullen als brandstof fungeren; en daarom vereist het ontwerp en de productie van O2-systemen een speciale opleiding om ervoor te zorgen dat de ontstekingsbronnen tot een minimum worden beperkt. De brand die de Apollo 1-bemanning in een lanceerplatformtest doodde, verspreidde zich zo snel omdat de capsule onder druk werd gezet met zuivere O2, maar onder iets meer dan de atmosferische druk, in plaats van de normale druk die bij een missie zou worden gebruikt, ⁄3.

Het morsen van vloeibare zuurstof, als het wordt toegestaan om te weken in organisch materiaal, zoals hout, petrochemicaliën en asfalt, kan ervoor zorgen dat deze materialen op onvoorspelbare wijze tot ontploffing komen bij de daaropvolgende mechanische impact.