Hay varios alótropos conocidos del oxígeno . El más familiar es el oxígeno molecular ( O 2 ), presente en niveles significativos en la atmósfera terrestre y también conocido como dioxígeno u oxígeno triplete . Otro es el ozono altamente reactivo ( O 3 ). Otros son:
El oxígeno atómico, denominado O u O 1 , es muy reactivo, ya que los átomos individuales de oxígeno tienden a unirse rápidamente con moléculas cercanas. Su estado electrónico de menor energía es un triplete de espín , designado con el símbolo 3 P. En la superficie de la Tierra, existe de forma natural durante muy poco tiempo. En el espacio exterior , la presencia de una amplia radiación ultravioleta da como resultado una atmósfera de órbita terrestre baja en la que el 96% del oxígeno se presenta en forma atómica. [1]
Mariner , Viking y el observatorio SOFIA han detectado oxígeno atómico en Marte . [2]
El alótropo común del oxígeno elemental en la Tierra, O 2 , se conoce generalmente como oxígeno, pero puede denominarse dioxígeno , oxígeno diatómico , oxígeno molecular , dióxidono u oxígeno gaseoso para distinguirlo del propio elemento y del alótropo triatómico ozono , O 3 . . Como componente principal (alrededor del 21% en volumen) de la atmósfera terrestre , el oxígeno elemental se encuentra más comúnmente en forma diatómica. Los organismos aeróbicos utilizan el dioxígeno atmosférico como oxidante terminal en la respiración celular para obtener energía química . El estado fundamental del dioxígeno se conoce como oxígeno triplete , 3 [O 2 ] , porque tiene dos electrones desapareados. El primer estado excitado, el oxígeno singlete , 1 [O 2 ] , no tiene electrones desapareados y es metaestable . El estado doblete requiere un número impar de electrones y, por lo tanto, no puede ocurrir en el dioxígeno sin ganar o perder electrones, como en el ion superóxido ( O −2) o el ion dioxigenilo ( O+2).
El estado fundamental del O 2 tiene una longitud de enlace de 121 pm y una energía de enlace de 498 kJ/mol. [3] Es un gas incoloro con un punto de ebullición de −183 °C (90 K; −297 °F). [4] Se puede condensar a partir del aire enfriándolo con nitrógeno líquido, que tiene un punto de ebullición de -196 °C (77 K; -321 °F). El oxígeno líquido es de color azul pálido y es marcadamente paramagnético debido a los electrones desapareados; El oxígeno líquido contenido en un matraz suspendido de una cuerda es atraído por un imán.
El oxígeno singlete es el nombre común utilizado para los dos estados metaestables del oxígeno molecular ( O 2 ) con mayor energía que el oxígeno triplete en estado fundamental . Debido a las diferencias en sus capas electrónicas, el oxígeno singlete tiene propiedades químicas y físicas diferentes a las del oxígeno triplete, incluida la absorción y emisión de luz en diferentes longitudes de onda. Puede generarse en un proceso de fotosensibilización mediante transferencia de energía desde moléculas de tintes como la rosa de bengala , el azul de metileno o las porfirinas , o mediante procesos químicos como la descomposición espontánea del trióxido de hidrógeno en agua o la reacción del peróxido de hidrógeno con hipoclorito .
El oxígeno triatómico (ozono, O 3 ) es un alótropo de oxígeno muy reactivo que es un gas azul pálido a temperatura y presión estándar . El O 3 líquido y sólido tienen un color azul más intenso que el O 2 ordinario y son inestables y explosivos. [5] [6] En su fase gaseosa, el ozono es destructivo para materiales como el caucho y las telas y daña el tejido pulmonar . [7] Sus rastros se pueden detectar como un olor acre, parecido al cloro, [4] proveniente de motores eléctricos , impresoras láser y fotocopiadoras , ya que se forma cuando el aire se somete a una descarga eléctrica. Fue nombrado "ozón" en 1840 por Christian Friedrich Schönbein , [8] del griego antiguo ὄζειν (ozein: "oler") más el sufijo -on , comúnmente utilizado en la época para designar un compuesto derivado y anglicanizado como -one . [9]
El ozono es termodinámicamente inestable y tiende a reaccionar hacia la forma más común de dioxígeno. Se forma por reacción del O 2 intacto con oxígeno atómico producido cuando la radiación UV en la atmósfera superior divide el O 2 . [5] El ozono se absorbe fuertemente en el ultravioleta y en la estratosfera funciona como un escudo para la biosfera contra los efectos mutagénicos y otros efectos dañinos de la radiación solar ultravioleta (ver capa de ozono ). [5] El ozono troposférico se forma cerca de la superficie de la Tierra por la desintegración fotoquímica del dióxido de nitrógeno en los gases de escape de los automóviles . [10] El ozono a nivel del suelo es un contaminante del aire que es especialmente dañino para las personas mayores, los niños y las personas con enfermedades cardíacas y pulmonares como enfisema , bronquitis y asma . [11] El sistema inmunológico produce ozono como antimicrobiano (ver más abajo). [12]
El ozono cíclico es una molécula de O 3 teóricamente predicha en la que sus tres átomos de oxígeno se unen formando un triángulo equilátero en lugar de un ángulo abierto.
Se sospechaba que existía tetraoxígeno desde principios del siglo XX, cuando se lo conocía como oxozona. Fue identificado en 2001 por un equipo dirigido por Fulvio Cacace en la Universidad de Roma. [13] Se pensaba que la molécula O 4 estaba en una de las fases del oxígeno sólido identificada más tarde como O 8 . El equipo de Cacace sugirió que el O 4 probablemente consiste en dos moléculas de O 2 en forma de pesas unidas libremente por fuerzas de dispersión dipolar inducida.
Se conocen seis fases distintas del oxígeno sólido. Uno de ellos es un cúmulo de O 8 de color rojo oscuro . Cuando el oxígeno se somete a una presión de 96 GPa, se vuelve metálico , de manera similar al hidrógeno , [14] y se vuelve más similar a los calcógenos más pesados , como el selenio (que exhibe un color rojo rosado en su estado elemental). telurio y polonio , los cuales muestran un carácter metálico significativo. A temperaturas muy bajas, esta fase también se vuelve superconductora .