Atom oksigen, dilambangkan sebagai O, adalah elemen keenam paling melimpah di alam semesta dan merupakan komponen fundamental yang menentukan dinamika kimia, proses biologi, dan komposisi geologis planet Bumi. Keberadaannya bukan sekadar pelengkap; ia adalah pendorong utama bagi hampir seluruh proses kehidupan yang kita kenal, mulai dari pernapasan seluler hingga pembentukan molekul air yang vital. Memahami atom oksigen membutuhkan telaah mendalam, mencakup struktur subatomiknya, reaktivitasnya yang ekstrem, hingga perannya dalam siklus biogeokimia global.
Oksigen ditemukan secara formal pada abad kedelapan belas, berkat karya independen Carl Wilhelm Scheele di Swedia dan Joseph Priestley di Inggris. Priestley sering dikreditkan karena publikasi awal penemuannya pada tahun 1774. Namun, barulah Antoine Lavoisier, ahli kimia Prancis, yang mengidentifikasi elemen tersebut sebagai unsur unik dan memberinya nama oxygène (berasal dari bahasa Yunani yang berarti 'pembentuk asam'), meskipun konsep ini kemudian direvisi. Penemuan ini merupakan tonggak sejarah yang meruntuhkan teori flogiston dan meletakkan dasar bagi kimia modern, khususnya dalam memahami proses pembakaran dan respirasi.
Oksigen menduduki posisi nomor 8 dalam tabel periodik, menempatkannya di Golongan 16, yang dikenal sebagai kalkogen. Nomor atom (Z) 8 menunjukkan bahwa inti atom oksigen mengandung 8 proton. Dalam keadaan netral, atom juga memiliki 8 elektron, yang menentukan karakteristik kimianya yang sangat reaktif.
Konfigurasi elektron oksigen adalah $1s^2 2s^2 2p^4$. Tingkat energi terluar (kulit valensi) menampung 6 elektron. Berdasarkan aturan oktet, atom cenderung mencapai konfigurasi gas mulia yang stabil (neon) dengan 8 elektron valensi. Oleh karena itu, oksigen memiliki afinitas yang kuat untuk menarik 2 elektron tambahan. Kecenderungan inilah yang menjadikannya salah satu elemen paling elektronegatif kedua, tepat di belakang fluorin.
Kereaktifan oksigen sebagian besar disebabkan oleh valensi yang tidak terpuaskan ini. Dalam kebanyakan reaksinya, oksigen akan membentuk ikatan kovalen ganda (seperti pada $O_2$ dan $CO_2$) atau membentuk dua ikatan kovalen tunggal (seperti pada $H_2O$ dan alkohol). Ketika berinteraksi dengan logam, ia sering mengambil dua elektron, membentuk ion oksida $O^{2-}$, yang berperan penting dalam pembentukan mineral dan karat.
Model Bohr yang disederhanakan dari atom Oksigen. Inti (merah) berisi 8 proton. Dua elektron pada kulit dalam dan enam elektron pada kulit valensi (biru) menunjukkan kebutuhan atom untuk berikatan.
Oksigen memiliki tiga isotop stabil alami yang signifikan, yang perbedaannya terletak pada jumlah neutron dalam inti:
Atom oksigen tidak selalu ditemukan sebagai atom tunggal di alam. Sifat reaktifnya memungkinkannya membentuk berbagai bentuk molekuler, atau alotrop, yang memiliki sifat fisik dan kimia yang sangat berbeda.
Dioksigen adalah bentuk paling umum dari oksigen dan merupakan gas tak berwarna dan tak berbau yang menyusun sekitar 21% volume atmosfer Bumi. Meskipun rumus kimianya sederhana, struktur elektroniknya cukup unik dan memiliki implikasi besar dalam biologi dan kimia.
Molekul $O_2$ adalah molekul yang bersifat paramagnetik, yang berarti ia ditarik oleh medan magnet. Keunikan ini dijelaskan oleh Teori Orbital Molekuler (TOM), yang menunjukkan bahwa molekul $O_2$ memiliki dua elektron tidak berpasangan dalam orbital antibondingnya. Keberadaan elektron tunggal ini—dikenal sebagai oksigen triplet—menjadikannya sangat reaktif terhadap molekul lain yang memiliki elektron berpasangan (oksigen singlet), yang merupakan mayoritas molekul organik. Reaktivitas inilah yang memfasilitasi reaksi pembakaran dan respirasi.
Ozon adalah alotrop oksigen yang terdiri dari tiga atom oksigen. Dalam bentuk gas, ia berwarna biru pucat dengan bau yang tajam dan memiliki energi yang jauh lebih tinggi daripada $O_2$. Ozon memiliki dualitas peran di Bumi:
Karena elektronegativitasnya yang tinggi, oksigen mampu berinteraksi dengan hampir semua unsur lain di tabel periodik, membentuk senyawa yang disebut oksida. Klasifikasi oksida memberikan wawasan mendalam tentang sifat asam-basa dan ikatan kimia.
Oksida adalah senyawa yang dibentuk ketika oksigen bereaksi dengan elemen lain. Mereka dapat diklasifikasikan berdasarkan sifat kimianya:
Senyawa oksigen yang paling melimpah dan paling esensial adalah air. Air terdiri dari dua atom hidrogen yang berikatan kovalen dengan satu atom oksigen. Geometri molekul air tidak linier; ia memiliki bentuk bengkok (sudut ikatan sekitar $104.5^\circ$) karena adanya dua pasang elektron bebas pada atom oksigen.
Kehadiran oksigen dalam molekul air bertanggung jawab atas sifat polar yang unik. Atom oksigen menarik elektron lebih kuat daripada atom hidrogen, menciptakan muatan parsial negatif pada oksigen dan muatan parsial positif pada hidrogen. Kepolaran ini memungkinkan pembentukan ikatan hidrogen, sebuah gaya intermolekuler yang bertanggung jawab atas:
Dalam bidang kimia organik, oksigen adalah tulang punggung fungsional. Keberadaannya, bersama dengan karbon dan hidrogen, menciptakan keragaman struktur dan reaktivitas yang membentuk dasar kehidupan.
Atom oksigen memainkan peran sentral dalam mendefinisikan gugus fungsi utama:
Sifat polar dan kemampuan oksigen untuk mengakomodasi dua ikatan kovalen menjadikannya "jembatan" penting yang menghubungkan berbagai bagian molekul organik, membentuk polimer kompleks seperti selulosa dan lignin, yang menjadi struktur dasar bagi dunia tumbuhan.
Dalam biomolekul, oksigen bukan hanya hadir, tetapi esensial:
Tidak ada peran atom oksigen yang lebih vital dan kompleks daripada perannya dalam biosfer, menjadi jembatan energi antara dunia anorganik dan makhluk hidup.
Bagi organisme aerobik, atom oksigen adalah kunci untuk menghasilkan energi dalam jumlah besar. Proses ini, yang terjadi di mitokondria, dikenal sebagai respirasi seluler. Inti dari proses ini adalah rantai transpor elektron (RTE).
Energi dari glukosa dan lemak diekstraksi secara bertahap, menghasilkan elektron berenergi tinggi. Elektron-elektron ini dilewatkan melalui serangkaian kompleks protein yang tertanam dalam membran mitokondria. Saat elektron bergerak, energi dilepaskan untuk memompa proton ($H^+$) melintasi membran, menciptakan gradien elektrokimia. Gradien ini, yang merupakan energi potensial, kemudian digunakan oleh enzim ATP sintase untuk menghasilkan molekul energi, ATP.
Pada akhir rantai transpor elektron, elektron harus dibuang. Atom oksigen memainkan peran krusial sebagai akseptor elektron akhir. Oksigen menerima dua elektron dan dua proton, menghasilkan molekul air ($H_2O$).
$$O_2 + 4e^- + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$$Tanpa oksigen yang berfungsi sebagai penerima akhir yang sangat kuat, rantai transpor elektron akan terhenti, gradien proton akan hilang, dan produksi ATP akan turun drastis. Inilah sebabnya mengapa kekurangan oksigen (hipoksia) dengan cepat menyebabkan kerusakan jaringan dan kematian pada organisme multiseluler.
Jika respirasi seluler mengonsumsi oksigen, fotosintesis yang dilakukan oleh tanaman, alga, dan beberapa bakteri, adalah sumber utama oksigen bebas di atmosfer kita.
Dalam fotosintesis, energi cahaya digunakan untuk mengubah air ($H_2O$) dan karbon dioksida ($CO_2$) menjadi glukosa dan oksigen. Reaksi ini terbagi menjadi dua tahap: Reaksi Terang dan Reaksi Gelap.
Pelepasan oksigen terjadi selama Reaksi Terang, di mana molekul air dipecah (fotolisis air) untuk menyediakan elektron yang diperlukan untuk memulai rantai transpor elektron fotosintetik. Atom oksigen dari molekul air kemudian bergabung menjadi gas $O_2$ dan dilepaskan sebagai produk sampingan.
$$2H_2O + \text{Cahaya} \rightarrow O_2 + 4H^+ + 4e^-$$Seluruh sejarah geologis dan biologis Bumi terkait erat dengan oksigen yang dilepaskan melalui fotosintesis. Peristiwa Oksidasi Besar (Great Oxidation Event) miliaran tahun yang lalu, yang dipicu oleh cyanobacteria fotosintetik, mengubah atmosfer Bumi secara permanen, membuka jalan bagi evolusi kehidupan aerobik kompleks.
Meskipun oksigen sangat penting, reaktivitasnya yang tinggi juga dapat berbahaya. Selama proses metabolisme normal, sejumlah kecil oksigen molekuler dapat direduksi sebagian, menghasilkan Spesies Oksigen Reaktif (ROS). ROS termasuk radikal bebas seperti superoksida ($O_2^-$) dan radikal hidroksil ($\cdot OH$), serta peroksida hidrogen ($H_2O_2$).
ROS memiliki elektron tidak berpasangan dan dapat menyebabkan kerusakan signifikan pada DNA, protein, dan membran seluler melalui stres oksidatif. Organisme telah mengembangkan sistem antioksidan yang kompleks, seperti enzim superoksida dismutase dan katalase, untuk menetralkan ROS ini. Keseimbangan antara produksi ROS dan pertahanan antioksidan adalah kunci untuk kesehatan seluler dan penuaan.
Atom oksigen adalah komponen geologis utama, membentuk hampir setengah dari massa kerak Bumi dan merupakan elemen dominan dalam sebagian besar mineral dan batuan.
Secara massa, oksigen adalah elemen paling melimpah di kerak Bumi (sekitar 46% massa) dan elemen paling melimpah ketiga di alam semesta (setelah Hidrogen dan Helium). Di kerak, ia sebagian besar ditemukan berikatan dengan silikon dalam silikat dan kuarsa ($SiO_2$), serta dalam oksida logam lainnya.
Di atmosfer, oksigen bebas ($O_2$) terdistribusi melalui berbagai lapisan, dengan sebagian besar terkonsentrasi di troposfer dan stratosfer. Namun, perlu dicatat bahwa oksigen bebas sangat langka di tata surya; kehadirannya dalam jumlah besar di Bumi adalah indikasi kuat adanya proses biologis aktif (fotosintesis).
Siklus oksigen menggambarkan pergerakan atom oksigen melalui tiga reservoar utama: atmosfer, biosfer, dan litosfer (kerak Bumi). Siklus ini saling terkait erat dengan siklus karbon, siklus nitrogen, dan siklus air.
Proses-proses utama dalam siklus ini meliputi:
Waktu tinggal rata-rata atom oksigen di atmosfer relatif singkat dalam skala geologis, menunjukkan bahwa proses konsumsi dan produksi biologis harus berada dalam keseimbangan yang sangat ketat untuk mempertahankan komposisi atmosfer saat ini.
Atom oksigen bukan hanya produk Bumi; ia adalah produk penting dari evolusi bintang di alam semesta. Pemahaman tentang asal-usulnya melibatkan studi astrofisika dan nukleosintesis.
Oksigen termasuk dalam kategori elemen 'berat' (elemen yang lebih berat dari helium). Elemen-elemen ini tidak terbentuk selama Big Bang, melainkan disintesis di dalam bintang melalui proses fusi nuklir.
Pembentukan oksigen utama terjadi dalam bintang masif melalui Proses Tripel Alfa. Setelah bintang menghabiskan hidrogennya dan mulai membakar helium, inti helium (partikel alfa) bergabung:
Oksigen-16 adalah produk akhir yang sangat stabil. Jika suhu inti bintang cukup tinggi, oksigen dapat terus berfusi dengan inti lainnya, tetapi $^ {16}O$ biasanya menjadi salah satu elemen paling melimpah yang dihasilkan sebelum bintang meledak sebagai supernova. Melalui ledakan supernova dan pelepasan gas dari bintang-bintang raksasa yang menua, oksigen disebarkan ke ruang antarbintang, menyediakan bahan baku untuk pembentukan bintang, planet, dan kehidupan generasi berikutnya.
Kehadiran oksigen bebas di atmosfer planet dianggap sebagai biosignature yang paling penting. Di planet yang secara geologis aktif, oksigen bebas akan dengan cepat bereaksi dengan batuan dan senyawa lain (seperti metana atau hidrogen). Oleh karena itu, jumlah oksigen yang substansial di atmosfer (seperti 21% yang kita miliki) memerlukan sumber produksi yang berkelanjutan, hampir pasti melibatkan kehidupan (fotosintesis).
Para astrofisikawan menggunakan teleskop canggih untuk menganalisis spektrum atmosfer exoplanet. Deteksi garis serapan atom oksigen atau molekul $O_2$ menjadi indikator primer dalam mencari kehidupan di luar Bumi.
Atom oksigen, baik dalam bentuk atom, molekul, maupun senyawa, memiliki aplikasi teknologi yang tak terhitung jumlahnya yang menopang peradaban modern.
Penggunaan oksigen yang paling jelas adalah dalam bidang medis. Oksigen murni (100%) diberikan kepada pasien yang mengalami kesulitan pernapasan, cedera traumatis, atau keracunan karbon monoksida. Terapi oksigen hiperbarik, di mana pasien bernapas dalam ruangan bertekanan tinggi, meningkatkan pelarutan oksigen dalam plasma darah, mempercepat penyembuhan luka kronis, dan memerangi infeksi anaerob.
Salah satu aplikasi industri terbesar oksigen adalah dalam pembuatan baja. Proses oksigen dasar (Basic Oxygen Steelmaking/BOS) melibatkan peniupan oksigen murni pada besi babi cair. Oksigen bereaksi secara selektif dengan pengotor seperti karbon, silikon, dan fosfor, mengoksidasinya dan menghilangkannya dari logam cair, menghasilkan baja berkualitas tinggi dalam waktu singkat.
Oksigen juga digunakan dalam proses pengelasan dan pemotongan, khususnya dalam obor oksi-asetilen, di mana oksigen murni digunakan untuk mencapai suhu pembakaran yang jauh lebih tinggi daripada pembakaran di udara terbuka.
Representasi molekul Dioksigen ($O_2$), menunjukkan ikatan kovalen ganda yang kuat antara dua atom oksigen.
Dalam eksplorasi ruang angkasa, oksigen cair (LOX) adalah komponen penting dari banyak sistem propulsi. LOX bertindak sebagai oksidan yang sangat kuat, diperlukan untuk membakar bahan bakar (seperti hidrogen cair atau kerosin) di lingkungan hampa udara di mana tidak ada oksigen atmosfer yang tersedia. Keefektifan dan stabilitas oksigen cair pada suhu kriogenik menjadikannya pilihan utama untuk roket peluncur utama.
Oksigen digunakan secara ekstensif dalam pengolahan air limbah. Mikroorganisme aerobik membutuhkan oksigen terlarut untuk memecah materi organik. Proses aerasi yang intensif memasukkan oksigen ke dalam tangki limbah, memungkinkan bakteri mengurai polutan. Selain itu, ozon ($O_3$), alotrop oksigen, adalah zat pengoksidasi kuat yang digunakan untuk mendisinfeksi air minum, membunuh bakteri dan virus serta menghilangkan kontaminan kimia yang sulit dihilangkan dengan klorin.
Meskipun oksigen adalah sumber kehidupan, perubahan dalam siklus dan ketersediaan oksigen menciptakan tantangan lingkungan yang signifikan.
Di lingkungan akuatik, keseimbangan oksigen sangat rapuh. Eutrofikasi—pertumbuhan alga yang berlebihan akibat kelebihan nutrisi—menyebabkan kematian alga yang kemudian diurai oleh bakteri aerobik. Proses penguraian ini mengonsumsi oksigen terlarut dengan cepat. Ketika konsentrasi oksigen turun terlalu rendah, kondisi hipoksia (atau anoksia jika nol) tercipta. Fenomena ini menyebabkan 'zona mati' di lautan dan danau, di mana sebagian besar kehidupan laut (ikan, kerang) tidak dapat bertahan hidup.
Isu lingkungan global pada akhir abad ke-20 berpusat pada penipisan lapisan ozon stratosfer. Senyawa klorofluorokarbon (CFC) yang dilepaskan ke atmosfer naik ke stratosfer dan dipecah oleh radiasi UV, melepaskan atom klorin bebas. Atom klorin bertindak sebagai katalis, menghancurkan ribuan molekul ozon ($O_3$), mengubahnya kembali menjadi dioksigen ($O_2$). Penghancuran ozon meningkatkan jumlah radiasi UV yang mencapai permukaan Bumi, meningkatkan risiko kanker kulit dan merusak ekosistem.
Meskipun $O_2$ sendiri bukan gas rumah kaca yang signifikan, senyawa oksigen memainkan peran penting dalam pemanasan global. Uap air ($H_2O$) dan karbon dioksida ($CO_2$)—keduanya mengandung oksigen—adalah gas rumah kaca utama. Selain itu, kemampuan lautan untuk berfungsi sebagai penyerap karbon (menyerap $CO_2$) sangat bergantung pada sirkulasi air yang didorong oleh perbedaan suhu dan kadar oksigen. Perubahan sirkulasi laut dapat mengurangi kemampuan lautan untuk menyerap $CO_2$, mempercepat akumulasi gas rumah kaca di atmosfer.
Meskipun oksigen telah dipelajari secara ekstensif selama berabad-abad, penelitian modern terus mengungkap kompleksitas atom ini, terutama dalam konteks biologi molekuler dan ilmu material.
Dalam biologi, fokus bergeser pada bagaimana sel mengelola oksigen dalam kondisi stres. Penelitian intensif saat ini adalah pada protein yang mengatur respons sel terhadap hipoksia, seperti faktor transkripsi HIF (Hypoxia-Inducible Factor). Memahami bagaimana HIF mengaktifkan gen yang membantu sel bertahan hidup dalam kondisi oksigen rendah memiliki implikasi besar dalam pengobatan kanker (karena tumor seringkali hipoksia) dan penyakit iskemik.
Di bidang kimia material, atom oksigen adalah komponen utama dalam keramik superkonduktor suhu tinggi (HTSC) dan oksida fungsional. Penelitian mengenai bagaimana atom oksigen bergerak dan berinteraksi di dalam kisi kristal padatan, terutama pada perovskit dan material baterai, adalah kunci untuk mengembangkan teknologi energi generasi berikutnya, termasuk sel bahan bakar dan baterai padat berkapasitas tinggi.
Pendekatan astrofisika terus berlanjut dengan penggunaan teleskop baru seperti James Webb Space Telescope (JWST) untuk mencari tanda-tanda air dan oksida di exoplanet dan nebula. Melacak asal-usul $^ {16}O$ dan isotopnya di lingkungan bintang membantu menyempurnakan model nukleosintesis dan memetakan sejarah kimia galaksi kita.
Atom oksigen, dengan nomor atom 8 dan konfigurasi elektron valensi 6, adalah elemen yang mendefinisikan reaktivitas dan kehidupan. Dari sudut pandang kimia, elektronegativitasnya yang tinggi menjadikannya pembentuk ikatan yang tak tertandingi, mampu membentuk molekul kompleks dan senyawa kristalin yang menopang struktur Bumi.
Di alam semesta, atom oksigen adalah warisan dari bintang-bintang masif, elemen yang disebarkan melalui supernova untuk menjadi fondasi air, silikat, dan biomolekul. Di Bumi, atom ini mendikte laju metabolisme kehidupan aerobik, berfungsi sebagai akseptor elektron terakhir yang menggerakkan mesin produksi energi seluler.
Kehadiran atom oksigen, baik sebagai $O_2$ yang menopang pernapasan, $O_3$ yang melindungi dari radiasi, atau sebagai gugus hidroksil yang membentuk gula dan air, menggarisbawahi bahwa elemen ini adalah inti dari hampir setiap sistem fisik, kimia, dan biologis. Memelihara keseimbangan siklus oksigen, mulai dari lautan hingga atmosfer, adalah tugas krusial untuk mempertahankan sistem planet yang kompleks dan rapuh yang kita tinggali.