Inspire... expire. Ahhh. Viva o oxigênio, o elemento que mantém grande parte da vida na Terra ativa.

O oxigênio é o elemento nº8 da Tabela Periódica dos Elementos. Crédito da imagem: Andrei Marincas|Shutterstock

O Elemento nº 8 da Tabela Periódica dos Elementos é um gás incolor que constitui 21% da atmosfera terrestre. Por estar em toda parte, oxigênio é fácil de observar como opaco e inerte; na verdade, é o mais reativo dos elementos não metálicos. 

A Terra foi oxigenada por cerca de 2,3 bilhões a 2,4 bilhões de anos, e os níveis começaram a subir pelo menos 2,5 bilhões de anos atrás, de acordo com um estudo de 2007 financiado pela NASA. Ninguém sabe ao certo por que esse gás compatível com os pulmões de repente se tornou uma parte significativa da atmosfera, mas é possível que as mudanças geológicas na Terra levem ao oxigênio produzido por organismos fotossintetizantes que permanecem ao redor, em vez de ser consumido em reações geológicas, de acordo com os pesquisadores do estudo.

Apenas os fatos

• Número atômico (número de prótons no núcleo): 8
• Símbolo atômico (na Tabela Periódica dos Elementos): O
• Peso atômico (massa média do átomo): 15.9994
• Densidade: 0,001429 gramas por centímetro cúbico
• Fase à temperatura ambiente: Gás
• Ponto de fusão: menos 361,82 graus Fahrenheit (menos 218,79 graus Celsius)
• Ponto de ebulição: menos 297,31 graus F (menos 182,95 graus C)
• Número de isótopos (átomos do mesmo elemento com um número diferente de nêutrons): 11; três estáveis
• Isótopos mais comuns: O-16 (99,757 por cento de abundância natural)

Fôlego de vida

O oxigênio é o terceiro elemento mais abundante no universo, de acordo com o Thomas Jefferson National Accelerator Facility. No entanto, sua reatividade o tornou relativamente raro na atmosfera da Terra primitiva.

As cianobactérias, que são organismos que "respiram" por meio da fotossíntese, absorvem dióxido de carbono e exalam oxigênio, assim como as plantas modernas. As cianobactérias provavelmente foram responsáveis pelo primeiro oxigênio na Terra, um evento amplamente conhecido como o Grande Evento de Oxidação.

A fotossíntese por cianobactérias provavelmente estava em andamento antes que níveis significativos de oxigênio se acumulassem na atmosfera da Terra; um estudo de março de 2014 publicado na revista Nature Geoscience descobriu que rochas de 2,95 bilhões de anos encontradas na África do Sul continham óxidos que precisariam de oxigênio livre para se formar. Essas rochas estavam originalmente em mares rasos, sugerindo que o oxigênio da fotossíntese começou a se acumular em ambientes marinhos cerca de meio bilhão de anos antes de começar a se acumular na atmosfera há cerca de 2,5 bilhões de anos.

A vida hoje depende muito do oxigênio, mas o acúmulo inicial desse elemento na atmosfera foi nada menos que um desastre. A nova atmosfera causou uma extinção em massa de anaeróbios, que são organismos que não requerem oxigênio. Os anaeróbios que não conseguiram se adaptar ou sobreviver na presença de oxigênio morreram neste novo mundo. [Infográfico: Atmosfera da Terra de cima para baixo]

Avanço rápido, caminho a seguir. O primeiro indício que os humanos tiveram da existência do oxigênio como elemento foi em 1608, quando o inventor holandês Cornelius Drebbel relatou que o aquecimento do salitre (nitrato de potássio) liberava um gás, de acordo com a Royal Society of Chemistry (RSC). A identidade desse gás permaneceu um mistério até a década de 1770, quando três químicos convergiram para sua descoberta mais ou menos ao mesmo tempo. O químico e clérigo inglês Joseph Priestly isolou o oxigênio ao direcionar a luz do sol sobre o óxido de mercúrio e coletar o gás da reação. Ele observou que uma vela queimava com mais brilho neste gás, de acordo com o RSC, graças ao papel do oxigênio na combustão.

Priestly publicou suas descobertas em 1774, derrotando o cientista suíço Carl Wilhelm Steele, que na verdade isolou o oxigênio em 1771 e escreveu sobre isso, mas não publicou o trabalho. O terceiro descobridor do Oxigênio foi Antoine-Laurent de Lavoisier, um químico francês que deu o nome ao elemento. A palavra vem do grego "oxi" e "genes", que significa "formador de ácido".

O oxigênio tem oito elétrons no total, dois orbitam o núcleo na camada interna do átomo e seis orbitam na camada mais externa. A camada mais externa pode conter um total de oito elétrons, o que explica a tendência do oxigênio de reagir com outros elementos: sua camada externa é incompleta e, portanto, os elétrons estão livres para receber (e doar).

Você sabia?

• Como gás, o oxigênio é claro. Mas como um líquido, é azul claro.
• Se você já se perguntou como seria nadar em uma piscina de oxigênio líquido, a resposta é: muito, muito frio, de acordo com Carl Zorn do Thomas Jefferson National Accelerator Facility. O oxigênio deve descer a menos 297,3 F (menos 183,0 C) para se liquefazer, então o congelamento seria um problema.
• Muito pouco oxigênio é problemático. Então é demais. Respirar 80 por cento de oxigênio por mais de 12 horas irrita o trato respiratório e pode eventualmente causar acúmulo de fluido mortal, ou edema, de acordo com a Universidade da Flórida e a empresa Air Products.
• O oxigênio é um biscoito resistente: um estudo de 2012 publicado na revista Physical Review Letters descobriu que uma molécula de oxigênio (O2) pode sobreviver a pressões 19 milhões de vezes maiores do que a pressão atmosférica.  
• Os níveis mais baixos de oxigênio já registrados no sangue humano foram medidos perto do cume do Monte Everest em 2009. Os alpinistas tinham níveis de oxigênio arterial de 3,28 quilopascais em média. Compare isso com o valor normal de 12 a 14 quilopascais, e o termo montanhista "zona da morte" faz muito sentido. Os resultados foram publicados no New England Journal of Medicine.
• Graças a Deus por uma atmosfera de 21% de oxigênio. Cerca de 300 milhões de anos atrás, quando os níveis de oxigênio atingiam 35%, os insetos eram capazes de crescer muito: pense em libélulas com envergadura de um falcão.

Pesquisa atual

O oxigênio se forma no coração das estrelas, com a fusão de um núcleo de carbono-12 e um núcleo de hélio-4 (também conhecido como partícula alfa). Só recentemente, no entanto, os cientistas foram capazes de perscrutar o núcleo do oxigênio e desvendar sua estrutura.

Em março de 2014, o físico Dean Lee da North Carolina State University e seus colegas relataram que haviam descoberto a estrutura nuclear do oxigênio-16, o isótopo mais comum de oxigênio, em seu estado fundamental (o estado em que todos os elétrons estão nos níveis de energia mais baixos possíveis) e em seu primeiro estado excitado (o próximo nível de energia acima).

Por que isso importa? Bem, entender como os núcleos se formam nas estrelas, do carbono ao oxigênio e aos elementos mais pesados, é entender como os próprios blocos de construção do universo se encaixam. Lee e sua equipe descobriram originalmente que o núcleo de uma molécula de carbono-12, com seus seis prótons e seis nêutrons, é na verdade feito de três aglomerados de partículas, cada um com dois prótons e dois nêutrons. Se o carbono-12 tivesse três desses chamados clusters alfa, raciocinaram os pesquisadores, o oxigênio-16 provavelmente teria quatro, já que tem oito prótons e oito nêutrons.

Usando simulações de supercomputador e uma rede numérica, os pesquisadores foram capazes de ver como as partículas em um núcleo de oxigênio-16 se arranjariam. Eles descobriram que no estado fundamental do oxigênio-16, existem de fato quatro aglomerados alfa, organizados ordenadamente em um tetraedro.

"Esses aglomerados alfa são como pequenas esferas difusas dessas quatro partículas, ou esses núcleos, e essas esferas difusas gostam de contato por alguma interação de superfície", disse Lee. A configuração do tetraedro permite que eles fiquem bonitos e confortáveis.

Mas havia outro mistério quântico esperando para ser desvendado. O estado fundamental do oxigênio-16 e o primeiro estado excitado compartilham uma característica incomum. Ambos têm o mesmo spin, um valor que indica como as partículas giram. Ambos também têm paridade positiva, uma forma de indicar simetria. Imagine inverter a esquerda e a direita em todo o universo, mas tendo que manter as partículas subatômicas na mesma forma. As partículas com paridade positiva seriam capazes de se olhar neste universo de espelho e ver a si mesmas como são. Partículas com paridade negativa teriam que girar, para que não terminassem ao contrário, como uma linha de texto lida em um espelho.

"O mistério era por que os dois estados mais baixos do oxigênio-16 têm spin zero e paridade positiva", disse Lee, visto que os estados são diferentes.

As simulações deram uma resposta: em seu estado excitado, o oxigênio-16 reorganiza seu núcleo para se parecer muito pouco com o estado fundamental. Em vez de um arranjo tetraédrico, as partículas alfa se organizam em um plano quadrado ou quase quadrado.

"Suas estruturas intrínsecas subjacentes eram diferentes", disse Lee. A configuração totalmente diferente explica como o spin e a paridade podem permanecer os mesmos, os núcleos seguem caminhos diferentes para o mesmo resultado.

Existem ainda mais interações quânticas no núcleo do oxigênio-16 para desvendar, disse Lee, e detalhes mais refinados para descobrir.  

"Na verdade, há muitas coisas interessantes entrando em pequenas coisas como núcleos", disse ele. "E há histórias que estão sendo contadas sobre como elas estão sendo feitas e que agora estamos começando a ser capazes de abordar."

O trabalho de Lee analisa o nascimento do oxigênio nas estrelas; outra linha de pesquisa de oxigênio enfoca o papel do elemento na vida da Terra. Pouco depois do Grande Evento de Oxidação, cerca de 2,4 bilhões de anos atrás, os níveis de oxigênio podem ter atingido ou ultrapassado os níveis atuais antes de cair, disse Daniel Mills, doutorando do Centro Nórdico para Evolução da Terra da Universidade do Sul da Dinamarca. A vida animal não apareceu até muito mais tarde, com os animais mais simples surgindo há cerca de 600 milhões de anos.

Apesar das teorias de que o aumento do oxigênio abriu o caminho para a existência de animais, a história parece ser muito mais complexa. Os animais não apareceram durante o primeiro aumento significativo nos níveis de oxigênio da Terra há 2,4 bilhões de anos. E em fevereiro de 2014, Mills e seus colegas relataram na revista PNAS que as esponjas modernas ainda podem respirar, comer e até crescer em níveis de oxigênio de 0,5 a 4 por cento do que é encontrado na atmosfera da Terra hoje. As esponjas são provavelmente os animais vivos mais semelhantes aos primeiros animais da Terra, disse Mills.

A descoberta de que as esponjas não precisam de muito oxigênio para viver sugere que algo mais contribuiu para o surgimento da primeira vida animal, embora o aumento do oxigênio possa muito bem ter sido necessário para alcançar o tipo de diversidade e ecossistemas que vemos hoje, disse Mills. Mesmo na era moderna, animais como os vermes nematoides prosperam em áreas de baixo oxigênio do oceano, acrescentou.

"Há claramente mais na evolução animal do que um amplo suprimento de oxigênio", disse Mills.

Recursos adicionais

• Um gráfico interativo criado pelo Howard Hughes Medical Institute também mostra a história geológica do oxigênio, começando há cerca de 3,8 bilhões de anos.
• Saiba mais sobre o que compõe a atmosfera da Terra hoje, tudo sobre pressão e volume do ar e clima neste site infantil do National Center for Atmospheric Research.

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Referência:

PAPPAS, Stephanie. Facts About Oxygen. Nome do jornal, 28, set. 2014. Disponível em: <https://www.livescience.com/28738-oxygen.html>. Acesso em: 22, ago. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.