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Oxígeno

El oxígeno es un elemento químico ; tiene símbolo  O y número atómico 8. Es miembro del grupo calcógeno de la tabla periódica , un no metal altamente reactivo y un agente oxidante que forma fácilmente óxidos con la mayoría de los elementos, así como con otros compuestos . El oxígeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre y, después del hidrógeno y el helio , es el tercer elemento más abundante en el universo. A temperatura y presión estándar , dos átomos del elemento se unen para formar dioxígeno , un gas diatómico incoloro e inodoro de fórmula O.
2. El gas oxígeno diatómico constituye actualmente el 20,95% de la atmósfera terrestre , aunque esto ha cambiado considerablemente a lo largo de largos períodos de tiempo. El oxígeno constituye casi la mitad de la corteza terrestre en forma de óxidos. [4]

Todas las plantas , animales y hongos necesitan oxígeno para la respiración celular , la cual extrae energía mediante la reacción del oxígeno con moléculas derivadas de los alimentos y produce dióxido de carbono como producto de desecho. En los tetrápodos , la respiración lleva oxígeno a los pulmones, donde tiene lugar el intercambio de gases, el dióxido de carbono se difunde fuera de la sangre y el oxígeno se difunde hacia la sangre. El sistema circulatorio del cuerpo transporta el oxígeno a las células, donde tiene lugar la respiración celular. [5] [6]

Muchas clases importantes de moléculas orgánicas en los organismos vivos contienen átomos de oxígeno, como proteínas , ácidos nucleicos , carbohidratos y grasas , al igual que los principales compuestos inorgánicos constituyentes de los caparazones, dientes y huesos de los animales. La mayor parte de la masa de los organismos vivos es oxígeno como componente del agua , el principal constituyente de las formas de vida. El oxígeno se repone continuamente en la atmósfera terrestre mediante la fotosíntesis , que utiliza la energía de la luz solar para producir oxígeno a partir del agua y dióxido de carbono. El oxígeno es demasiado reactivo químicamente para permanecer como elemento libre en el aire sin ser reabastecido continuamente por la acción fotosintética de los organismos vivos. Otra forma ( alótropo ) de oxígeno, el ozono ( O
3), absorbe fuertemente la radiación ultravioleta UVB y la capa de ozono a gran altitud ayuda a proteger la biosfera de la radiación ultravioleta . Sin embargo, el ozono presente en la superficie es un subproducto del smog y, por tanto, un contaminante.

El oxígeno fue aislado por Michael Sendivogius antes de 1604, pero se cree comúnmente que el elemento fue descubierto independientemente por Carl Wilhelm Scheele , en Uppsala , en 1773 o antes, y Joseph Priestley en Wiltshire , en 1774. A menudo se le da prioridad a Priestley porque su El trabajo se publicó primero. Priestley, sin embargo, llamó al oxígeno "aire deflogistizado" y no lo reconoció como un elemento químico. El nombre oxígeno fue acuñado en 1777 por Antoine Lavoisier , quien fue el primero en reconocer el oxígeno como elemento químico y caracterizó correctamente el papel que desempeña en la combustión.

Los usos comunes del oxígeno incluyen la producción de acero , plásticos y textiles , soldadura fuerte, soldadura y corte de aceros y otros metales , propulsor de cohetes , oxigenoterapia y sistemas de soporte vital en aviones , submarinos , vuelos espaciales y buceo .

historia del estudio

Primeros experimentos

Uno de los primeros experimentos conocidos sobre la relación entre la combustión y el aire fue realizado por el escritor griego de mecánica del siglo II a. C., Filón de Bizancio . En su obra Neumática , Philo observó que invertir un recipiente sobre una vela encendida y rodear el cuello del recipiente con agua provocaba que algo de agua subiera hacia el cuello. [7] Filón supuso incorrectamente que partes del aire en el recipiente se convirtieron en el elemento clásico fuego y, por lo tanto, pudieron escapar a través de los poros del vidrio. Muchos siglos después, Leonardo da Vinci se basó en el trabajo de Filón al observar que una porción de aire se consume durante la combustión y la respiración . [8]

A finales del siglo XVII, Robert Boyle demostró que el aire es necesario para la combustión. El químico inglés John Mayow (1641-1679) perfeccionó este trabajo demostrando que el fuego requiere sólo una parte de aire a la que llamó Spiritus nitroaereus . [9] En un experimento, descubrió que colocar un ratón o una vela encendida en un recipiente cerrado sobre agua hacía que el agua subiera y reemplazara una catorceava parte del volumen del aire antes de extinguir a los sujetos. [10] A partir de esto, supuso que el nitroaereus se consume tanto en la respiración como en la combustión.

Mayow observó que el antimonio aumentaba de peso cuando se calentaba e infirió que el nitroaereus debía haberse combinado con él. [9] También pensó que los pulmones separan el nitroaereus del aire y lo pasan a la sangre y que el calor animal y el movimiento muscular resultan de la reacción del nitroaereus con ciertas sustancias en el cuerpo. [9] Los relatos de estos y otros experimentos e ideas se publicaron en 1668 en su obra Tractatus duo en el tratado "De respiratione". [10]

Teoría del flogisto

Robert Hooke , Ole Borch , Mikhail Lomonosov y Pierre Bayen produjeron oxígeno en experimentos en los siglos XVII y XVIII, pero ninguno de ellos lo reconoció como un elemento químico . [11] Esto puede haber sido en parte debido a la prevalencia de la filosofía de la combustión y la corrosión llamada teoría del flogisto , que era entonces la explicación favorita de esos procesos. [12]

Establecida en 1667 por el alquimista alemán JJ Becher y modificada por el químico Georg Ernst Stahl en 1731, [13] la teoría del flogisto afirmaba que todos los materiales combustibles estaban hechos de dos partes. Una parte, llamada flogisto, se desprendía cuando se quemaba la sustancia que lo contenía, mientras que se pensaba que la parte deflogistizada era su verdadera forma, o cal . [8]

Se pensaba que los materiales altamente combustibles que dejaban pocos residuos , como la madera o el carbón, estaban hechos principalmente de flogisto; Las sustancias no combustibles y corrosivas, como el hierro, contenían muy poca. El aire no jugó ningún papel en la teoría del flogisto, ni se realizaron experimentos cuantitativos iniciales para probar la idea; en cambio, se basó en observaciones de lo que sucede cuando algo se quema, que los objetos más comunes parecen volverse más livianos y parecen perder algo en el proceso. [8]

Descubrimiento

Un dibujo de un anciano sentado junto a una mesa y mirando paralelo al dibujo. Su brazo izquierdo descansa sobre un cuaderno, con las piernas cruzadas.
A Joseph Priestley se le suele dar prioridad en el descubrimiento.

Alquimista , filósofo y médico polaco Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) en su obra De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti ["Doce tratados sobre la piedra filosofal extraídos de la fuente de la naturaleza y la experiencia manual"] (1604) describió una sustancia contenida en el aire, refiriéndose a ella como 'cibus vitae' (alimento de vida, [14] ) y según el historiador polaco Roman Bugaj, esta sustancia es idéntica al oxígeno. [15] Sendivogius, durante sus experimentos realizados entre 1598 y 1604, reconoció adecuadamente que la sustancia es equivalente al subproducto gaseoso liberado por la descomposición térmica del nitrato de potasio . En opinión de Bugaj, el aislamiento del oxígeno y la asociación adecuada de la sustancia con la parte del aire necesaria para la vida proporciona pruebas suficientes para el descubrimiento del oxígeno por Sendivogius. [15] Sin embargo, este descubrimiento de Sendivogius fue negado frecuentemente por las generaciones de científicos y químicos que le sucedieron. [14]

También se afirma comúnmente que el oxígeno fue descubierto por primera vez por el farmacéutico sueco Carl Wilhelm Scheele . Había producido oxígeno gaseoso calentando óxido de mercurio (HgO) y varios nitratos en 1771-1772. [16] [17] [8] Scheele llamó al gas "aire de fuego" porque era entonces el único agente conocido que apoyaba la combustión. Escribió un relato de este descubrimiento en un manuscrito titulado Tratado sobre el aire y el fuego , que envió a su editor en 1775. Ese documento fue publicado en 1777. [18]

Mientras tanto, el 1 de agosto de 1774, un experimento realizado por el clérigo británico Joseph Priestley enfocó la luz solar sobre el óxido de mercurio contenido en un tubo de vidrio, lo que liberó un gas que denominó "aire deflogistizado". [17] Observó que las velas ardían más intensamente en el gas y que un ratón era más activo y vivía más tiempo mientras lo respiraba . Después de respirar él mismo el gas, Priestley escribió: "La sensación en mis pulmones no era sensiblemente diferente de la del aire común , pero me pareció que mi pecho se sentía particularmente ligero y tranquilo durante algún tiempo después". [11] Priestley publicó sus hallazgos en 1775 en un artículo titulado "Un relato de nuevos descubrimientos en el aire", que se incluyó en el segundo volumen de su libro titulado Experimentos y observaciones sobre diferentes tipos de aire . [8] [19] Debido a que publicó sus hallazgos primero, a Priestley generalmente se le da prioridad en el descubrimiento.

El químico francés Antoine Laurent Lavoisier afirmó más tarde haber descubierto la nueva sustancia de forma independiente. Priestley visitó a Lavoisier en octubre de 1774 y le contó sobre su experimento y cómo liberó el nuevo gas. Scheele también había enviado una carta a Lavoisier el 30 de septiembre de 1774, que describía su descubrimiento de la sustancia previamente desconocida, pero Lavoisier nunca reconoció haberla recibido. (Se encontró una copia de la carta entre las pertenencias de Scheele después de su muerte). [18]

La contribución de Lavoisier

Un dibujo de un joven mirando hacia el espectador, pero mirando de lado. Lleva una peluca blanca rizada, traje oscuro y bufanda blanca.
Antoine Lavoisier desacreditó la teoría del flogisto.

Lavoisier realizó los primeros experimentos cuantitativos adecuados sobre oxidación y dio la primera explicación correcta de cómo funciona la combustión. [17] Utilizó estos y otros experimentos similares, todos iniciados en 1774, para desacreditar la teoría del flogisto y demostrar que la sustancia descubierta por Priestley y Scheele era un elemento químico .

En un experimento, Lavoisier observó que no había un aumento general de peso cuando se calentaba estaño y aire en un recipiente cerrado. [17] Observó que el aire entró rápidamente cuando abrió el contenedor, lo que indicó que parte del aire atrapado se había consumido. También notó que el estaño había aumentado de peso y que ese aumento era el mismo que el peso del aire que regresaba. Este y otros experimentos sobre la combustión quedaron documentados en su libro Sur la combustion en général , que se publicó en 1777. [17] En ese trabajo, demostró que el aire es una mezcla de dos gases; 'aire vital', que es esencial para la combustión y la respiración, y azote (del griego ἄζωτον "sin vida"), que tampoco sustentaba. Más tarde , Azote se convirtió en nitrógeno en inglés, aunque mantuvo el nombre anterior en francés y en varios otros idiomas europeos. [17]

Etimología

Lavoisier cambió el nombre de 'aire vital' a oxygène en 1777 de las raíces griegas ὀξύς (oxys) ( ácido , literalmente "agudo", por el sabor de los ácidos) y -γενής (-genēs) (productor, literalmente engendrador), porque creía erróneamente que el oxígeno era un constituyente de todos los ácidos. [20] Los químicos (como Sir Humphry Davy en 1812) finalmente determinaron que Lavoisier estaba equivocado en este sentido, pero para entonces el nombre estaba demasiado bien establecido. [21]

El oxígeno entró en el idioma inglés a pesar de la oposición de los científicos ingleses y del hecho de que el inglés Priestley fue el primero en aislar el gas y escribir sobre él. Esto se debe en parte a un poema que alaba el gas titulado "Oxígeno" en el popular libro El jardín botánico (1791) de Erasmus Darwin , abuelo de Charles Darwin . [18]

Historia posterior

Una estructura de metal se encuentra sobre la nieve cerca de un árbol. Un hombre de mediana edad vestido con abrigo, botas, guantes de cuero y gorra se encuentra junto a la estructura y la sostiene con la mano derecha.
Robert H. Goddard y un cohete de gasolina y oxígeno líquido

La hipótesis atómica original de John Dalton suponía que todos los elementos eran monoatómicos y que los átomos de los compuestos normalmente tendrían las proporciones atómicas más simples entre sí. Por ejemplo, Dalton asumió que la fórmula del agua era HO, lo que llevó a la conclusión de que la masa atómica del oxígeno era 8 veces mayor que la del hidrógeno, en lugar del valor moderno de aproximadamente 16. [22] En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac y Alexander von Humboldt demostró que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno; y en 1811 Amedeo Avogadro había llegado a la interpretación correcta de la composición del agua, basándose en lo que ahora se llama ley de Avogadro y las moléculas elementales diatómicas de esos gases. [23] [un]

El primer método comercial para producir oxígeno fue químico, el llamado proceso Brin, que implica una reacción reversible de óxido de bario . Fue inventado en 1852 y comercializado en 1884, pero fue desplazado por métodos más nuevos a principios del siglo XX.

A finales del siglo XIX, los científicos se dieron cuenta de que se podía licuar el aire y aislar sus componentes comprimiéndolo y enfriándolo. Utilizando un método en cascada , el químico y físico suizo Raoul Pierre Pictet evaporó dióxido de azufre líquido para licuar el dióxido de carbono, que a su vez se evaporó para enfriar el oxígeno lo suficiente como para licuarlo. Envió un telegrama el 22 de diciembre de 1877 a la Academia Francesa de Ciencias en París anunciando su descubrimiento del oxígeno líquido . [24] Apenas dos días después, el físico francés Louis Paul Cailletet anunció su propio método para licuar oxígeno molecular. [24] Sólo se produjeron unas pocas gotas del líquido en cada caso y no se pudo realizar ningún análisis significativo. El oxígeno fue licuado en estado estable por primera vez el 29 de marzo de 1883 por los científicos polacos de la Universidad Jagellónica Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski . [25]

Un experimento configurado con tubos de ensayo para preparar oxígeno.
Un experimento configurado para la preparación de oxígeno en laboratorios académicos.

En 1891, el químico escocés James Dewar logró producir suficiente oxígeno líquido para su estudio. [26] El primer proceso comercialmente viable para producir oxígeno líquido fue desarrollado de forma independiente en 1895 por el ingeniero alemán Carl von Linde y el ingeniero británico William Hampson . Ambos hombres bajaron la temperatura del aire hasta que se licuó y luego destilaron los gases componentes hirviéndolos uno a la vez y capturándolos por separado. [27] Más tarde, en 1901, se demostró por primera vez la soldadura con oxiacetileno quemando una mezcla de acetileno y O comprimido.
2. Este método de soldar y cortar metal se volvió común más tarde. [27]

En 1923, el científico estadounidense Robert H. Goddard se convirtió en la primera persona en desarrollar un motor de cohete que quemaba combustible líquido; El motor utilizaba gasolina como combustible y oxígeno líquido como oxidante . Goddard voló con éxito un pequeño cohete de combustible líquido de 56 m a 97 km/h el 16 de marzo de 1926 en Auburn, Massachusetts , EE. UU. [27] [28]

En los laboratorios académicos, el oxígeno se puede preparar calentando clorato de potasio mezclado con una pequeña proporción de dióxido de manganeso. [29]

Los niveles de oxígeno en la atmósfera tienen una tendencia ligeramente a la baja a nivel mundial, posiblemente debido a la quema de combustibles fósiles. [30]

Características

Propiedades y estructura molecular.

Diagrama de orbitales, según Barrett (2002), [31] que muestra los orbitales atómicos participantes de cada átomo de oxígeno, los orbitales moleculares que resultan de su superposición y el llenado aufbau de los orbitales con los 12 electrones, 6 de cada átomo de O, comenzando de los orbitales de menor energía, y dando como resultado un carácter de doble enlace covalente a partir de orbitales llenos (y cancelación de las contribuciones de los pares de orbitales σ y σ * y π y π * ).

A temperatura y presión estándar , el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido con la fórmula molecular O
2, conocido como dioxígeno. [32]

Como dioxígeno , dos átomos de oxígeno están unidos químicamente entre sí. El enlace se puede describir de diversas formas según el nivel de la teoría, pero se describe de forma razonable y sencilla como un doble enlace covalente que resulta del llenado de orbitales moleculares formados a partir de los orbitales atómicos de los átomos de oxígeno individuales, cuyo llenado da como resultado un enlace. orden de dos. Más específicamente, el doble enlace es el resultado del llenado secuencial de orbitales de energía baja a alta, o Aufbau , y la cancelación resultante de las contribuciones de los electrones 2s, después del llenado secuencial de los orbitales σ bajos y σ * ; σ superposición de los dos orbitales atómicos 2p que se encuentran a lo largo del eje molecular O – O y superposición π de dos pares de orbitales atómicos 2p perpendiculares al eje molecular O – O, y luego cancelación de las contribuciones de los dos electrones 2p restantes después de su parcial llenado de los orbitales π * . [31]

Esta combinación de cancelaciones y superposiciones de σ y π da como resultado el carácter y la reactividad de doble enlace del dioxígeno, y un estado fundamental electrónico triplete . Una configuración electrónica con dos electrones no apareados, como la que se encuentra en los orbitales de dioxígeno (véanse los orbitales π* llenos en el diagrama) que son de igual energía (es decir, degenerados ) es una configuración denominada estado triplete de espín . Por lo tanto, el estado fundamental del O
2La molécula se conoce como oxígeno triplete . [33] [b] Los orbitales parcialmente llenos de mayor energía son antienlazantes , por lo que su llenado debilita el orden de los enlaces de tres a dos. Debido a sus electrones no apareados, el oxígeno triplete reacciona sólo lentamente con la mayoría de las moléculas orgánicas, que tienen espines electrónicos apareados; esto evita la combustión espontánea. [34]

Oxígeno líquido, temporalmente suspendido en un imán debido a su paramagnetismo.

En la forma triplete, O
2las moléculas son paramagnéticas . Es decir, imparten carácter magnético al oxígeno cuando está en presencia de un campo magnético, debido a los momentos magnéticos de espín de los electrones desapareados en la molécula y al intercambio de energía negativo entre O vecinos.
2moléculas. [26] El oxígeno líquido es tan magnético que, en demostraciones de laboratorio, se puede sostener un puente de oxígeno líquido contra su propio peso entre los polos de un imán potente. [35] [c]

El oxígeno singlete es el nombre que se le da a varias especies de O molecular de mayor energía.
2en el que todos los espines de los electrones están emparejados. Es mucho más reactivo con las moléculas orgánicas comunes que el oxígeno molecular normal (triplete). En la naturaleza, el oxígeno singlete se forma comúnmente a partir del agua durante la fotosíntesis, utilizando la energía de la luz solar. [36] También se produce en la troposfera por la fotólisis del ozono por luz de longitud de onda corta [37] y por el sistema inmunológico como fuente de oxígeno activo. [38] Los carotenoides en los organismos fotosintéticos (y posiblemente en los animales) desempeñan un papel importante en la absorción de energía del oxígeno singlete y su conversión al estado fundamental no excitado antes de que pueda causar daño a los tejidos. [39]

Alótropos

Modelo de representación espacial de la molécula de dioxígeno (O 2 )

El alótropo común del oxígeno elemental en la Tierra se llama dioxígeno , O
2, la mayor parte del oxígeno atmosférico de la Tierra (ver Ocurrencia). El O 2 tiene una longitud de enlace de 121  pm y una energía de enlace de 498  kJ/mol . [40] El O 2 es utilizado por formas de vida complejas, como los animales, en la respiración celular . Otros aspectos de O
2se tratan en el resto de este artículo.

Trioxígeno ( O
3) generalmente se conoce como ozono y es un alótropo de oxígeno muy reactivo que daña el tejido pulmonar. [41] El ozono se produce en la atmósfera superior cuando O
2se combina con el oxígeno atómico formado por la división del O
2por radiación ultravioleta (UV). [20] Dado que el ozono se absorbe fuertemente en la región UV del espectro , la capa de ozono de la atmósfera superior funciona como un escudo protector contra la radiación para el planeta. [20] Cerca de la superficie de la Tierra, es un contaminante formado como subproducto de los gases de escape de los automóviles . [41] En altitudes bajas de la órbita terrestre , hay suficiente oxígeno atómico presente como para provocar la corrosión de las naves espaciales . [42]

La molécula metaestable tetraoxígeno ( O
4) fue descubierto en 2001, [43] [44] y se supuso que existía en una de las seis fases del oxígeno sólido . En 2006 se demostró que esta fase, creada al presurizar O
2a 20  GPa , es de hecho un O romboédrico
8 grupo . [45] Este grupo tiene el potencial de ser un oxidante mucho más poderoso que el O
2o O
3y por lo tanto puede usarse en combustible para cohetes . [43] [44] En 1990 se descubrió una fase metálica cuando el oxígeno sólido se somete a una presión superior a 96 GPa [46] y en 1998 se demostró que a temperaturas muy bajas, esta fase se vuelve superconductora . [47]

Propiedades físicas

Tubo de descarga de oxígeno (espectro)

El oxígeno se disuelve más fácilmente en agua que el nitrógeno, y en agua dulce más fácilmente que en agua de mar. El agua en equilibrio con el aire contiene aproximadamente 1 molécula de O disuelto.
2por cada 2 moléculas de N
2(1:2), en comparación con una proporción atmosférica de aproximadamente 1:4. La solubilidad del oxígeno en agua depende de la temperatura y es aproximadamente el doble (14,6  mg/L ) se disuelve a 0 °C que a 20 °C (7,6  mg/l ). [11] [48] A 25 °C y 1 atmósfera estándar (101,3  kPa ) de aire, el agua dulce puede disolver aproximadamente 6,04  mililitros  (mL) de oxígeno por litro , y el agua de mar contiene aproximadamente 4,95 ml por litro. [49] A 5 °C la solubilidad aumenta a 9,0 ml (50% más que a 25 °C) por litro para agua dulce y 7,2 ml (45% más) por litro para agua de mar.

El oxígeno se condensa a 90,20  K (-182,95 °C, -297,31 °F) y se congela a 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). [50] Tanto líquido como sólido O
2son sustancias transparentes con un color azul cielo claro causado por la absorción del rojo (en contraste con el color azul del cielo, que se debe a la dispersión de la luz azul de Rayleigh ). Líquido de alta pureza O
2Generalmente se obtiene por destilación fraccionada de aire licuado. [51] El oxígeno líquido también se puede condensar a partir del aire utilizando nitrógeno líquido como refrigerante. [52]

El oxígeno líquido es una sustancia altamente reactiva y debe separarse de los materiales combustibles. [52]

La espectroscopia del oxígeno molecular está asociada con los procesos atmosféricos de aurora y resplandor del aire . [53] La absorción en el continuo de Herzberg y las bandas de Schumann-Runge en el ultravioleta produce oxígeno atómico que es importante en la química de la atmósfera media. [54] El oxígeno molecular singlete en estado excitado es responsable de la quimioluminiscencia roja en solución. [55]

Tabla de propiedades térmicas y físicas del oxígeno (O 2 ) a presión atmosférica: [56] [57]

Isótopos y origen estelar.

Un diagrama de esferas concéntricas que muestra, desde el núcleo hasta la capa exterior, las capas de hierro, silicio, oxígeno, neón, carbono, helio e hidrógeno.
Al final de la vida de una estrella masiva, 16 O se concentra en la capa O, 17 O en la capa H y 18 O en la capa He.

El oxígeno natural se compone de tres isótopos estables , 16 O , 17 O y 18 O , siendo el 16 O el más abundante (99,762 % de abundancia natural ). [58]

La mayor parte del 16 O se sintetiza al final del proceso de fusión del helio en estrellas masivas , pero una parte se produce en el proceso de combustión del neón . [59] El 17 O se produce principalmente mediante la quema de hidrógeno en helio durante el ciclo CNO , lo que lo convierte en un isótopo común en las zonas de quema de hidrógeno de las estrellas. [59] La mayor parte del 18 O se produce cuando el 14 N (que se hace abundante a partir de la quema de CNO) captura un núcleo de 4 He , lo que hace que el 18 O sea común en las zonas ricas en helio de las estrellas masivas evolucionadas . [59]

Se han caracterizado quince radioisótopos , que van del 11 O al 28 O. [60] [61] Los más estables son el 15 O con una vida media de 122,24 segundos y el 14 O con una vida media de 70,606 segundos. [58] Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 27 segundos y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 83 milisegundos. [58] El modo de desintegración más común de los isótopos más ligeros que el 16 O es la desintegración β + [62] [63] [64] para producir nitrógeno, y el modo más común para los isótopos más pesados ​​que el 18 O es la desintegración beta para producir flúor. . [58]

Ocurrencia

El oxígeno es el elemento químico más abundante en masa en la biosfera , el aire, el mar y la tierra de la Tierra. El oxígeno es el tercer elemento químico más abundante en el universo, después del hidrógeno y el helio. [66] Aproximadamente el 0,9% de la masa del Sol es oxígeno. [17] El oxígeno constituye el 49,2% de la corteza terrestre en masa [67] como parte de compuestos de óxido como el dióxido de silicio y es el elemento más abundante en masa en la corteza terrestre . También es el componente principal de los océanos del mundo (88,8% en masa). [17] El gas oxígeno es el segundo componente más común de la atmósfera terrestre , ocupando el 20,8% de su volumen y el 23,1% de su masa (unas 10,15 toneladas ). [17] [68] [d] La Tierra es inusual entre los planetas del Sistema Solar por tener una concentración tan alta de gas oxígeno en su atmósfera: Marte (con 0,1% O
2por volumen) y Venus tienen mucho menos. la o
2que rodea esos planetas se produce únicamente por la acción de la radiación ultravioleta sobre moléculas que contienen oxígeno, como el dióxido de carbono.

Mapa mundial que muestra que el oxígeno de la superficie del mar se agota alrededor del ecuador y aumenta hacia los polos.
El agua fría retiene más O disuelto
2.

La concentración inusualmente alta de oxígeno gaseoso en la Tierra es el resultado del ciclo del oxígeno . Este ciclo biogeoquímico describe el movimiento del oxígeno dentro y entre sus tres principales reservorios en la Tierra: la atmósfera, la biosfera y la litosfera . El principal factor impulsor del ciclo del oxígeno es la fotosíntesis , que es responsable de la atmósfera de la Tierra moderna. La fotosíntesis libera oxígeno a la atmósfera, mientras que la respiración , la descomposición y la combustión lo eliminan de la atmósfera. En el equilibrio actual, la producción y el consumo ocurren al mismo ritmo. [69]

El oxígeno libre también se encuentra en solución en los cuerpos de agua del mundo. El aumento de la solubilidad del O
2a temperaturas más bajas (ver Propiedades físicas) tiene implicaciones importantes para la vida oceánica, ya que los océanos polares sustentan una densidad de vida mucho mayor debido a su mayor contenido de oxígeno. [70] El agua contaminada con nutrientes vegetales como nitratos o fosfatos puede estimular el crecimiento de algas mediante un proceso llamado eutrofización y la descomposición de estos organismos y otros biomateriales puede reducir el O
2contenido en masas de agua eutróficas. Los científicos evalúan este aspecto de la calidad del agua midiendo la demanda bioquímica de oxígeno del agua , o la cantidad de O
2necesario para restaurarlo a una concentración normal. [71]

Análisis

La evolución temporal de la concentración de oxígeno-18 en una escala de 500 millones de años muestra muchos picos locales.
500 millones de años de cambio climático vs. 18 O

Los paleoclimatólogos miden la proporción de oxígeno-18 y oxígeno-16 en las conchas y esqueletos de organismos marinos para determinar el clima hace millones de años (ver ciclo de la proporción de isótopos de oxígeno ). Las moléculas de agua de mar que contienen el isótopo más ligero , el oxígeno-16, se evaporan a un ritmo ligeramente más rápido que las moléculas de agua que contienen el oxígeno-18, un 12% más pesado, y esta disparidad aumenta a temperaturas más bajas. [72] Durante los períodos de temperaturas globales más bajas, la nieve y la lluvia de esa agua evaporada tienden a tener un mayor contenido de oxígeno-16, y el agua de mar que queda tiende a tener un mayor contenido de oxígeno-18. Luego, los organismos marinos incorporan más oxígeno-18 en sus esqueletos y caparazones que en un clima más cálido. [72] Los paleoclimatólogos también miden directamente esta proporción en las moléculas de agua de muestras de núcleos de hielo de hasta cientos de miles de años.

Los geólogos planetarios han medido las cantidades relativas de isótopos de oxígeno en muestras de la Tierra , la Luna , Marte y meteoritos , pero durante mucho tiempo no pudieron obtener valores de referencia para las proporciones de isótopos en el Sol , que se cree que son las mismas que las del Sol primordial. nebulosa solar . El análisis de una oblea de silicio expuesta al viento solar en el espacio y devuelta por la nave espacial Génesis estrellada ha demostrado que el Sol tiene una mayor proporción de oxígeno-16 que la Tierra. La medición implica que un proceso desconocido agotó el oxígeno-16 del disco solar de material protoplanetario antes de la coalescencia de los granos de polvo que formaron la Tierra. [73]

El oxígeno presenta dos bandas de absorción espectrofotométrica con un máximo en las longitudes de onda de 687 y 760  nm . Algunos científicos de teledetección han propuesto utilizar la medición de la radiancia procedente de las cubiertas vegetales en esas bandas para caracterizar el estado sanitario de las plantas desde una plataforma satelital . [74] Este enfoque explota el hecho de que en esas bandas es posible discriminar la reflectancia de la vegetación de su fluorescencia , que es mucho más débil. La medición es técnicamente difícil debido a la baja relación señal/ruido y a la estructura física de la vegetación; pero se ha propuesto como un posible método de seguimiento del ciclo del carbono desde satélites a escala global.

Producción biológica y papel del O 2.

Fotosíntesis y respiración.

Un diagrama de los procesos de fotosíntesis, incluida la entrada de agua y dióxido de carbono, la iluminación y la liberación de oxígeno. Las reacciones producen ATP y NADPH en un ciclo de Calvin con un azúcar como subproducto.
La fotosíntesis divide el agua para liberar O
2y repara CO
2en azúcar en lo que se llama ciclo de Calvin .

En la naturaleza, el oxígeno libre se produce mediante la división del agua impulsada por la luz durante la fotosíntesis oxigénica . Según algunas estimaciones, las algas verdes y las cianobacterias de los entornos marinos proporcionan alrededor del 70% del oxígeno libre producido en la Tierra, y el resto lo producen las plantas terrestres. [75] Otras estimaciones de la contribución oceánica al oxígeno atmosférico son más altas, mientras que algunas estimaciones son más bajas, lo que sugiere que los océanos producen ~45% del oxígeno atmosférico de la Tierra cada año. [76]

Una fórmula general simplificada para la fotosíntesis es [77]

6CO2 + 6H _
2O + fotones → C
6h
12oh
6+ 6O
2

o simplemente

dióxido de carbono + agua + luz solar → glucosa + dioxígeno

La evolución fotolítica del oxígeno se produce en las membranas tilacoides de los organismos fotosintéticos y requiere la energía de cuatro fotones . [e] Están implicados muchos pasos, pero el resultado es la formación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide, que se utiliza para sintetizar trifosfato de adenosina (ATP) mediante fotofosforilación . [78] La O
2El resto (después de la producción de la molécula de agua) se libera a la atmósfera. [F]

El oxígeno se utiliza en las mitocondrias en la generación de ATP durante la fosforilación oxidativa . La reacción de la respiración aeróbica es esencialmente la inversa de la fotosíntesis y se simplifica como

C
6h
12oh
6+ 6O
2→ 6CO2 + 6H
2O + 2880 kJ/mol

En los vertebrados , O
2 se difunde a través de las membranas de los pulmones y hacia los glóbulos rojos . La hemoglobina se une al O.
2, cambiando de color de rojo azulado a rojo brillante [41] ( CO
2se libera de otra parte de la hemoglobina mediante el efecto Bohr ). Otros animales utilizan hemocianina ( moluscos y algunos artrópodos ) o hemeritrina ( arañas y langostas ). [68] Un litro de sangre puede disolver 200 cm 3 de O
2. [68]

Hasta el descubrimiento de los metazoos anaeróbicos , [79] se pensaba que el oxígeno era un requisito para toda vida compleja. [80]

Especies reactivas de oxígeno , como el ion superóxido ( O−
2) y peróxido de hidrógeno ( H
2oh
2), son subproductos reactivos del uso de oxígeno en los organismos. [68] Partes del sistema inmunológico de organismos superiores crean peróxido, superóxido y oxígeno singlete para destruir los microbios invasores. Las especies reactivas de oxígeno también juegan un papel importante en la respuesta hipersensible de las plantas contra el ataque de patógenos. [78] El oxígeno es perjudicial para los organismos anaeróbicos obligados , que eran la forma dominante de vida temprana en la Tierra hasta O
2Comenzaron a acumularse en la atmósfera hace unos 2.500 millones de años durante el Gran Evento de Oxigenación , unos mil millones de años después de la primera aparición de estos organismos. [81] [82]

Un ser humano adulto en reposo inhala de 1,8 a 2,4 gramos de oxígeno por minuto. [83] Esto equivale a más de 6 mil millones de toneladas de oxígeno inhaladas por la humanidad por año. [gramo]

Organismos vivos

La presión parcial de oxígeno libre en el cuerpo de un organismo vertebrado vivo es mayor en el sistema respiratorio y disminuye a lo largo de cualquier sistema arterial , tejidos periféricos y sistema venoso , respectivamente. La presión parcial es la presión que tendría el oxígeno si él solo ocupara el volumen. [86]

Acumulación en la atmósfera

Un gráfico que muestra la evolución temporal de la presión de oxígeno en la Tierra; la presión aumenta de cero a 0,2 atmósferas.
oh
2acumulación en la atmósfera de la Tierra: 1) no O
2producido; 2) Oh
2producido, pero absorbido en océanos y rocas del fondo marino; 3) Oh
2comienza a emitir gases de los océanos, pero es absorbido por las superficies terrestres y se forma la capa de ozono; 4-5) Oh
2Los fregaderos se llenan y el gas se acumula.

El oxígeno libre era casi inexistente en la atmósfera de la Tierra antes de que evolucionaran las arqueas y las bacterias fotosintéticas , probablemente hace unos 3.500 millones de años. El oxígeno libre apareció por primera vez en cantidades significativas durante la era Paleoproterozoica (hace entre 3.000 y 2.300 millones de años). [87] Incluso si había mucho hierro disuelto en los océanos cuando la fotosíntesis oxigénica se estaba volviendo más común, parece que las formaciones de bandas de hierro fueron creadas por bacterias oxidantes de hierro anoxiénicas o microaerófilas que dominaban las áreas más profundas de la zona fótica , mientras que Las cianobacterias productoras de oxígeno cubrían las aguas poco profundas. [88] El oxígeno libre comenzó a desgasificarse de los océanos hace entre 3 y 2,7 ​​mil millones de años, alcanzando el 10% de su nivel actual hace alrededor de 1,7 mil millones de años. [87] [89]

La presencia de grandes cantidades de oxígeno disuelto y libre en los océanos y la atmósfera puede haber llevado a la extinción a la mayoría de los organismos anaeróbicos existentes durante el Gran Evento de Oxigenación ( catástrofe del oxígeno ) hace unos 2.400 millones de años. Respiración celular usando O
2Permite a los organismos aeróbicos producir mucho más ATP que los organismos anaeróbicos. [90] Respiración celular de O
2ocurre en todos los eucariotas , incluidos todos los organismos multicelulares complejos como plantas y animales.

Desde el comienzo del período Cámbrico hace 540 millones de años, el O atmosférico
2Los niveles han fluctuado entre el 15% y el 30% en volumen. [91] Hacia el final del período Carbonífero (hace unos 300 millones de años) el O atmosférico
2Los niveles alcanzaron un máximo del 35% en volumen, [91] lo que puede haber contribuido al gran tamaño de los insectos y anfibios en esta época. [92]

Las variaciones en la concentración de oxígeno atmosférico han dado forma a los climas del pasado. Cuando el oxígeno disminuyó, la densidad atmosférica disminuyó, lo que a su vez aumentó la evaporación de la superficie, lo que provocó aumentos de las precipitaciones y temperaturas más cálidas. [93]

Al ritmo actual de la fotosíntesis, se necesitarían unos 2.000 años para regenerar todo el O
2en el ambiente actual. [94]

Se estima que el oxígeno en la Tierra durará unos mil millones de años. [95] [96]

Oxígeno libre extraterrestre

En el campo de la astrobiología y en la búsqueda de vida extraterrestre el oxígeno es una fuerte firma biológica . Dicho esto, podría no ser una biofirma definitiva, ya que posiblemente se produzca abióticamente en cuerpos celestes con procesos y condiciones (como una hidrosfera peculiar ) que permiten oxígeno libre, [97] [98] [99] como ocurre con las delgadas atmósferas de oxígeno de Europa y Ganímedes . . [100]

Producción industrial

Un dibujo de tres tubos verticales conectados en la parte inferior y llenos de oxígeno (tubo izquierdo), agua (centro) e hidrógeno (derecha). Los electrodos de ánodo y cátodo se insertan en los tubos izquierdo y derecho y se conectan externamente a una batería.
Aparato de electrólisis de Hofmann utilizado en la electrólisis del agua.

Cien millones de toneladas de O
2Se extraen del aire para usos industriales anualmente mediante dos métodos principales. [18] El método más común es la destilación fraccionada de aire licuado, con N
2 destilando como vapor mientras O
2queda como un líquido. [18]

El otro método principal para producir O
2consiste en hacer pasar una corriente de aire limpio y seco a través de un lecho de un par de tamices moleculares de zeolita idénticos , que absorbe el nitrógeno y libera una corriente de gas que contiene entre 90 % y 93 % de O
2. [18] Simultáneamente, se libera gas nitrógeno del otro lecho de zeolita saturado de nitrógeno, reduciendo la presión de funcionamiento de la cámara y desviando parte del gas oxígeno del lecho productor a través de él, en la dirección inversa del flujo. Después de un tiempo de ciclo establecido, se intercambia el funcionamiento de los dos lechos, permitiendo así bombear un suministro continuo de oxígeno gaseoso a través de una tubería. Esto se conoce como adsorción por cambio de presión . El gas oxígeno se obtiene cada vez más mediante estas tecnologías no criogénicas (ver también la adsorción por oscilación de vacío relacionada ). [101]

El gas oxígeno también se puede producir mediante electrólisis del agua en oxígeno molecular e hidrógeno. Se debe utilizar electricidad CC: si se utiliza CA, los gases en cada miembro consisten en hidrógeno y oxígeno en una proporción explosiva de 2:1. Un método similar es el electrocatalítico O
2Evolución a partir de óxidos y oxoácidos . También se pueden utilizar catalizadores químicos, como en los generadores químicos de oxígeno o en las bujías de oxígeno que se utilizan como parte del equipo de soporte vital en los submarinos y que todavía forman parte del equipo estándar en los aviones comerciales en caso de emergencias de despresurización. Otro método de separación del aire consiste en obligar al aire a disolverse a través de membranas cerámicas basadas en dióxido de circonio mediante alta presión o una corriente eléctrica, para producir O casi puro.
2gas. [71]

Almacenamiento

Cilindros de gas comprimido para oxígeno y gas MAPP con reguladores

Los métodos de almacenamiento de oxígeno incluyen tanques de oxígeno de alta presión , criogénicos y compuestos químicos. Por razones de economía, el oxígeno se transporta a menudo a granel en forma líquida en camiones cisterna especialmente aislados, ya que un litro de oxígeno licuado equivale a 840 litros de oxígeno gaseoso a presión atmosférica y a 20 °C. [18] Estos camiones cisterna se utilizan para rellenar contenedores de almacenamiento de oxígeno líquido a granel, que se encuentran fuera de hospitales y otras instituciones que necesitan grandes volúmenes de oxígeno puro. El oxígeno líquido pasa a través de intercambiadores de calor , que convierten el líquido criogénico en gas antes de ingresar al edificio. El oxígeno también se almacena y envía en cilindros más pequeños que contienen gas comprimido; una forma que es útil en ciertas aplicaciones médicas portátiles y en soldadura y corte con oxicombustible . [18]

Aplicaciones

Médico

Un dispositivo gris con una etiqueta DeVILBISS LT4000 y algo de texto en el panel frontal. Del aparato sale un tubo de plástico verde.
Un concentrador de oxígeno en la casa de un paciente con enfisema

Captación de O
2Del aire es la finalidad esencial de la respiración , por lo que la suplementación con oxígeno se utiliza en medicina . El tratamiento no sólo aumenta los niveles de oxígeno en la sangre del paciente, sino que tiene el efecto secundario de disminuir la resistencia al flujo sanguíneo en muchos tipos de pulmones enfermos, lo que alivia la carga de trabajo del corazón. La oxigenoterapia se usa para tratar el enfisema , la neumonía , algunos trastornos cardíacos ( insuficiencia cardíaca congestiva ), algunos trastornos que causan un aumento de la presión de la arteria pulmonar y cualquier enfermedad que afecte la capacidad del cuerpo para absorber y utilizar oxígeno gaseoso. [102]

Los tratamientos son lo suficientemente flexibles como para usarse en hospitales, en el hogar del paciente o, cada vez más, mediante dispositivos portátiles. Las tiendas de oxígeno alguna vez se usaron comúnmente para la suplementación de oxígeno, pero desde entonces han sido reemplazadas principalmente por el uso de máscaras de oxígeno o cánulas nasales . [103]

El medicamento hiperbárico (alta presión) utiliza cámaras de oxígeno especiales para aumentar la presión parcial de O
2alrededor del paciente y, cuando sea necesario, del personal médico. [104] La intoxicación por monóxido de carbono , la gangrena gaseosa y la enfermedad por descompresión (las 'curvas') a veces se tratan con esta terapia. [105] Aumento de O
2La concentración en los pulmones ayuda a desplazar el monóxido de carbono del grupo hemo de la hemoglobina . [106] [107] El gas oxígeno es venenoso para las bacterias anaeróbicas que causan gangrena gaseosa, por lo que aumentar su presión parcial ayuda a matarlas. [108] [109] La enfermedad por descompresión ocurre en buceadores que se descomprimen demasiado rápido después de una inmersión, lo que resulta en la formación de burbujas de gas inerte, principalmente nitrógeno y helio, en la sangre. Aumentando la presión de O
2lo antes posible ayuda a redisolver las burbujas nuevamente en la sangre para que estos gases excedentes puedan exhalarse naturalmente a través de los pulmones. [102] [110] [111] La administración de oxígeno normobárico en la concentración más alta disponible se utiliza con frecuencia como primeros auxilios para cualquier lesión de buceo que pueda implicar la formación de burbujas de gas inerte en los tejidos. Existe respaldo epidemiológico para su uso a partir de un estudio estadístico de casos registrados en una base de datos de largo plazo. [112] [113] [114]

Soporte vital y uso recreativo.

O puro a baja presión
2Se utiliza en trajes espaciales .

Una aplicación de O
2como lo es el gas respirable a baja presión en los trajes espaciales modernos , que rodean el cuerpo de su ocupante con el gas respirable. Estos dispositivos utilizan oxígeno casi puro a aproximadamente un tercio de la presión normal, lo que da como resultado una presión arterial parcial normal de O
2. Esta compensación de una mayor concentración de oxígeno por una presión más baja es necesaria para mantener la flexibilidad del traje. [115] [116]

Los buceadores y submarinistas de superficie y submarinistas también dependen del O2 entregado artificialmente.
2. Los submarinos, sumergibles y trajes de buceo atmosféricos suelen funcionar a presión atmosférica normal. El aire respirable se elimina del dióxido de carbono mediante extracción química y se reemplaza el oxígeno para mantener una presión parcial constante. Los buceadores a presión ambiental respiran aire o mezclas de gases con una fracción de oxígeno adecuada a la profundidad de operación. Puro o casi puro O
2el uso en buceo a presiones superiores a la atmosférica generalmente se limita a rebreathers o descompresión a profundidades relativamente poco profundas (~6 metros de profundidad o menos), [117] [118] o tratamiento médico en cámaras de recompresión a presiones de hasta 2,8 bar, donde La toxicidad aguda del oxígeno se puede controlar sin riesgo de ahogamiento. El buceo más profundo requiere una dilución significativa de O
2con otros gases, como nitrógeno o helio, para prevenir la toxicidad del oxígeno . [117]

Las personas que escalan montañas o vuelan en aviones no presurizados a veces tienen O suplementario.
2suministros. [i] Los aviones comerciales presurizados tienen un suministro de emergencia de O
2suministrado automáticamente a los pasajeros en caso de despresurización de la cabina. La pérdida repentina de presión en la cabina activa los generadores químicos de oxígeno encima de cada asiento, lo que hace que las máscaras de oxígeno caigan. Al ponerse las máscaras "para iniciar el flujo de oxígeno", como dictan las instrucciones de seguridad en la cabina, las limaduras de hierro ingresan al clorato de sodio dentro del recipiente. [71] La reacción exotérmica produce entonces una corriente constante de oxígeno gaseoso .

El oxígeno, como eufórico suave , tiene un historial de uso recreativo en barras de oxígeno y en deportes . Las barras de oxígeno son establecimientos que se encuentran en Estados Unidos desde finales de los años 1990 y que ofrecen O más alto de lo normal.
2exposición por una tarifa mínima. [119] Los atletas profesionales, especialmente en el fútbol americano , a veces salen del campo entre jugadas para ponerse máscaras de oxígeno para mejorar el rendimiento. Se duda del efecto farmacológico; un efecto placebo es una explicación más probable. [119] Los estudios disponibles respaldan un aumento del rendimiento a partir de mezclas enriquecidas con oxígeno solo si se inhalan durante el ejercicio aeróbico . [120]

Otros usos recreativos que no implican respirar incluyen aplicaciones pirotécnicas , como el encendido de parrillas de barbacoa en cinco segundos por parte de George Goble . [121]

Industrial

Un trabajador anciano con casco mira de costado al espectador en una nave industrial. La sala está oscura, pero está iluminada con salpicaduras amarillas brillantes de una sustancia derretida.
O más producido comercialmente
2Se utiliza para fundir y/o descarburar el hierro .

La fundición de mineral de hierro para convertirlo en acero consume el 55% del oxígeno producido comercialmente. [71] En este proceso, O
2se inyecta a través de una lanza de alta presión en el hierro fundido, lo que elimina las impurezas de azufre y el exceso de carbono en forma de los respectivos óxidos, SO
2y compañía
2. Las reacciones son exotérmicas , por lo que la temperatura aumenta hasta los 1.700° C . [71]

Otro 25% del oxígeno producido comercialmente lo utiliza la industria química. [71] El etileno reacciona con O
2para crear óxido de etileno , que, a su vez, se convierte en etilenglicol ; el material de alimentación principal utilizado para fabricar una gran cantidad de productos, incluidos anticongelantes y polímeros de poliéster (los precursores de muchos plásticos y telas ). [71]

La mayor parte del 20% restante del oxígeno producido comercialmente se utiliza en aplicaciones médicas, corte y soldadura de metales , como oxidante en combustible para cohetes y en el tratamiento de agua . [71] El oxígeno se utiliza en la soldadura con oxiacetileno , quemando acetileno con O
2producir una llama muy caliente. En este proceso, primero se calienta metal de hasta 60 cm (24 pulgadas) de espesor con una pequeña llama de oxiacetileno y luego se corta rápidamente con una gran corriente de O.
2. [122]

Compuestos

Agua que fluye de una botella a un vaso.
Agua ( H
2O ) es el compuesto de oxígeno más familiar.

El estado de oxidación del oxígeno es −2 en casi todos los compuestos de oxígeno conocidos. El estado de oxidación −1 se encuentra en algunos compuestos como los peróxidos . [123] Los compuestos que contienen oxígeno en otros estados de oxidación son muy poco comunes: −1/2 ( superóxidos ), −1/3 ( ozónidos ), 0 ( elemental , ácido hipofluorado ), +1/2 ( dioxigenilo ), +1 ( dioxígeno difluoruro ), y +2 ( difluoruro de oxígeno ). [124]

Óxidos y otros compuestos inorgánicos.

Agua ( H
2O ) es un óxido de hidrógeno y el compuesto de oxígeno más familiar. Los átomos de hidrógeno están unidos covalentemente al oxígeno en una molécula de agua, pero también tienen una atracción adicional (aproximadamente 23,3 kJ/mol por átomo de hidrógeno) hacia un átomo de oxígeno adyacente en una molécula separada. [125] Estos enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua las mantienen aproximadamente un 15% más cerca de lo que se esperaría en un líquido simple con solo fuerzas de van der Waals . [126] [j]

Un trozo de perno oxidado.
Los óxidos, como el óxido de hierro o la herrumbre , se forman cuando el oxígeno se combina con otros elementos.

Debido a su electronegatividad , el oxígeno forma enlaces químicos con casi todos los demás elementos para formar los óxidos correspondientes . La superficie de la mayoría de los metales, como el aluminio y el titanio , se oxida en presencia de aire y queda recubierta con una fina película de óxido que pasiva el metal y retarda una mayor corrosión . Muchos óxidos de los metales de transición son compuestos no estequiométricos , con un poco menos de metal del que mostraría la fórmula química . Por ejemplo, el mineral FeO ( wüstita ) se escribe como , donde x suele rondar 0,05. [127]

El oxígeno está presente en la atmósfera en pequeñas cantidades en forma de dióxido de carbono ( CO
2). La roca de la corteza terrestre está compuesta en gran parte por óxidos de silicio ( sílice SiO
2, como se encuentra en granito y cuarzo ), aluminio ( óxido de aluminio Al
2oh
3, en bauxita y corindón ), hierro ( óxido de hierro (III) Fe
2oh
3, en hematita y óxido ), y carbonato de calcio (en piedra caliza ). El resto de la corteza terrestre también está formado por compuestos de oxígeno, en particular varios silicatos complejos (en minerales de silicato ). El manto terrestre, de masa mucho mayor que la corteza, está compuesto en gran medida por silicatos de magnesio y hierro.

Silicatos solubles en agua en forma de Na
4SiO
4, N / A
2SiO
3y na
2Si
2oh
5Se utilizan como detergentes y adhesivos . [128]

El oxígeno también actúa como ligando para los metales de transición, formando complejos de dioxígeno de metales de transición , que presentan metal- O
2. Esta clase de compuestos incluye las proteínas hemo hemoglobina y mioglobina . [129] Se produce una reacción exótica e inusual con PtF6, que oxida el oxígeno para dar O 2 + PtF 6 − , hexafluoroplatinato de dioxigenilo . [130]

Compuestos orgánicos

Una estructura de bola de una molécula. Su columna vertebral es una cadena en zigzag de tres átomos de carbono conectados en el centro a un átomo de oxígeno y en el extremo a 6 hidrógenos.
La acetona es un importante material de alimentación en la industria química.
  Oxígeno
  Carbón
  Hidrógeno

Entre las clases más importantes de compuestos orgánicos que contienen oxígeno se encuentran (donde "R" es un grupo orgánico): alcoholes (R-OH); éteres (ROR); cetonas (R-CO-R); aldehídos (R-CO-H); ácidos carboxílicos (R-COOH); ésteres (R-COO-R); anhídridos de ácido (R-CO-O-CO-R); y amidas ( R-CO-NR
2). Hay muchos disolventes orgánicos importantes que contienen oxígeno, entre ellos: acetona , metanol , etanol , isopropanol , furano , THF , éter dietílico , dioxano , acetato de etilo , DMF , DMSO , ácido acético y ácido fórmico . Acetona ( (CH
3)
2CO ) y fenol ( C
6h
5OH ) se utilizan como materiales de alimentación en la síntesis de muchas sustancias diferentes. Otros compuestos orgánicos importantes que contienen oxígeno son: glicerol , formaldehído , glutaraldehído , ácido cítrico , anhídrido acético y acetamida . Los epóxidos son éteres en los que el átomo de oxígeno forma parte de un anillo de tres átomos. El elemento se encuentra de manera similar en casi todas las biomoléculas que son importantes para la vida (o generadas por ella).

El oxígeno reacciona espontáneamente con muchos compuestos orgánicos a temperatura ambiente o por debajo de ella en un proceso llamado autooxidación . [131] La mayoría de los compuestos orgánicos que contienen oxígeno no se producen por acción directa del O
2. Los compuestos orgánicos importantes en la industria y el comercio que se obtienen mediante oxidación directa de un precursor incluyen el óxido de etileno y el ácido peracético . [128]

Seguridad y precauciones

La norma NFPA 704 clasifica el gas oxígeno comprimido como no peligroso para la salud, no inflamable y no reactivo, pero sí un oxidante. Al oxígeno líquido refrigerado (LOX) se le otorga una clasificación de riesgo para la salud de 3 (para un mayor riesgo de hiperoxia por vapores condensados ​​y para peligros comunes a los líquidos criogénicos como la congelación), y todas las demás clasificaciones son las mismas que las de la forma de gas comprimido. [132]

Toxicidad

Un diagrama que muestra un torso masculino y enumera los síntomas de la toxicidad del oxígeno: Ojos: pérdida del campo visual, miopía, formación de cataratas, sangrado, fibrosis; Cabeza – convulsiones; Músculos – contracciones; Sistema respiratorio: respiración entrecortada, irritación, tos, dolor, dificultad para respirar, traqueobronquitis, síndrome de dificultad respiratoria aguda.
Principales síntomas de la toxicidad del oxígeno [133]

Gas oxígeno ( O
2) puede ser tóxico a presiones parciales elevadas , provocando convulsiones y otros problemas de salud. [117] [k] [134] La toxicidad del oxígeno generalmente comienza a ocurrir a presiones parciales de más de 50 kilopascales ( kPa), equivalente a aproximadamente el 50% de la composición de oxígeno a presión estándar o 2,5 veces el O  normal del nivel del mar.
2presión parcial de aproximadamente 21 kPa. Esto no es un problema excepto para los pacientes con ventiladores mecánicos , ya que el gas suministrado a través de máscaras de oxígeno en aplicaciones médicas generalmente está compuesto de solo 30 a 50% de O.
2por volumen (aproximadamente 30 kPa a presión estándar). [11]

Hubo un tiempo en que los bebés prematuros eran colocados en incubadoras que contenían O
2-aire rico, pero esta práctica se suspendió después de que algunos bebés quedaran cegados por el contenido de oxígeno demasiado alto. [11]

Respirando puro O
2en aplicaciones espaciales, como en algunos trajes espaciales modernos, o en las primeras naves espaciales como el Apolo , no causa daños debido a las bajas presiones totales utilizadas. [115] [135] En el caso de los trajes espaciales, el O
2La presión parcial en el gas respirable es, en general, de aproximadamente 30 kPa (1,4 veces la normal), y el O resultante
2La presión parcial en la sangre arterial del astronauta es sólo marginalmente mayor que la O normal al nivel del mar.
2presión parcial. [136]

La toxicidad del oxígeno en los pulmones y el sistema nervioso central también puede ocurrir en el buceo profundo y en el buceo con suministro de superficie . [11] [117] Respiración prolongada de una mezcla de aire con O
2Una presión parcial superior a 60 kPa puede eventualmente provocar fibrosis pulmonar permanente . [137] Exposición a un O
2Una presión parcial superior a 160 kPa (aproximadamente 1,6 atm) puede provocar convulsiones (normalmente mortales para los buceadores). La toxicidad aguda por oxígeno (que causa convulsiones, su efecto más temido para los buceadores) puede ocurrir al respirar una mezcla de aire con un 21% de O
2a 66 m (217 pies) o más de profundidad; lo mismo puede ocurrir respirando 100% O
2a sólo 6 m (20 pies). [137] [138] [139] [140]

Combustión y otros peligros

El interior de una pequeña nave espacial, carbonizado y aparentemente destruido.
El interior del módulo de mando del Apolo 1 . O puro
2a una presión más alta de lo normal y una chispa provocó un incendio y la pérdida de la tripulación del Apolo 1 .

Las fuentes de oxígeno altamente concentradas promueven una combustión rápida. Existen riesgos de incendio y explosión cuando se acercan oxidantes concentrados y combustibles ; Se necesita un evento de ignición, como calor o una chispa, para desencadenar la combustión. [34] El oxígeno es el oxidante, no el combustible.

O concentrado
2permitirá que la combustión se desarrolle rápida y enérgicamente. [34] Las tuberías de acero y los recipientes de almacenamiento utilizados para almacenar y transmitir oxígeno tanto gaseoso como líquido actuarán como combustible; y por tanto el diseño y fabricación de O
2Los sistemas requieren capacitación especial para garantizar que se minimicen las fuentes de ignición. [34] El incendio que mató a la tripulación del Apolo 1 en una prueba de la plataforma de lanzamiento se extendió tan rápidamente porque la cápsula estaba presurizada con O puro.
2pero a una presión ligeramente superior a la atmosférica, en lugar de 1 ⁄ 3 de presión normal que se utilizaría en una misión. [l] [142]

Los derrames de oxígeno líquido, si se permiten que penetren en materia orgánica, como madera , petroquímicos y asfalto , pueden hacer que estos materiales detonen de manera impredecible en el impacto mecánico posterior. [34]

Ver también

Notas

  1. ^ Estos resultados fueron ignorados en su mayoría hasta 1860. Parte de este rechazo se debió a la creencia de que los átomos de un elemento no tendrían afinidad química con los átomos del mismo elemento, y parte se debió a aparentes excepciones a la ley de Avogadro que no se explicaron hasta más tarde en términos de disociación de moléculas.
  2. ^ Un orbital es un concepto de la mecánica cuántica que modela un electrón como una partícula ondulatoria que tiene una distribución espacial alrededor de un átomo o molécula.
  3. ^ El paramagnetismo del oxígeno se puede utilizar analíticamente en analizadores de oxígeno paramagnéticos que determinan la pureza del oxígeno gaseoso. ( «Literatura de la empresa de analizadores de oxígeno (triplete)». Servomex. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2008. Consultado el 15 de diciembre de 2007 .)
  4. ^ Las cifras dadas son para valores de hasta 80 km (50 millas) sobre la superficie.
  5. ^ Las membranas tilacoides son parte de los cloroplastos de las algas y las plantas, mientras que simplemente son una de las muchas estructuras de membrana de las cianobacterias. De hecho, se cree que los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias que alguna vez fueron socios simbióticos con los progenitores de plantas y algas.
  6. ^ La oxidación del agua es catalizada por un complejo enzimático que contiene manganeso conocido como complejo de evolución de oxígeno (OEC) o complejo de división de agua que se encuentra asociado con el lado lumenal de las membranas tilacoides. El manganeso es un cofactor importante y también se requieren calcio y cloruro para que se produzca la reacción. (Cuervo 2005)
  7. ^ (1,8 gramos/min/persona)×(60 min/h)×(24 h/día)×(365 días/año)×(6,6 mil millones de personas)/1.000.000 g/t=6,24 mil millones de toneladas
  8. ^ abcd Derivado de valores de mmHg usando 0,133322 kPa/mmHg
  9. ^ La razón es que aumentar la proporción de oxígeno en el gas respirable a baja presión actúa para aumentar el O inspirado.
    2    presión parcial más cercana a la encontrada al nivel del mar.
  10. ^ Además, dado que el oxígeno tiene una electronegatividad mayor que el hidrógeno, la diferencia de carga la convierte en una molécula polar . Las interacciones entre los diferentes dipolos de cada molécula provocan una fuerza de atracción neta.
  11. ^ Desde O
    2    La presión parcial es la fracción de O.
    2    veces la presión total, pueden ocurrir presiones parciales elevadas ya sea por niveles altos de O
    2    fracción en el gas respirable o por alta presión del gas respirable, o una combinación de ambos.
  12. ^ No se identificó de manera concluyente ninguna fuente de ignición del incendio, aunque algunas evidencias apuntan a un arco de una chispa eléctrica. [141]

Referencias

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