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Oxígeno

El oxígeno es un elemento químico de número atómico 8 y representado por el símbolo O. Su nombre proviene de las raíces griegas ὀξύς (oxys) («ácido», literalmente «punzante», en referencia al sabor de los ácidos) y –γόνος (-gonos) («productor», literalmente «engendrador»; es decir, "productor de ácidos"[1]​), porque en la época en que se le dio esta denominación se creía, incorrectamente, que todos los ácidos requerían oxígeno para su composición. En condiciones normales de presión y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para formar el dioxígeno, un gas diatómico incoloro, inodoro e insípido con fórmula O2. Esta sustancia constituye una importante parte de la atmósfera y resulta necesaria para sostener la vida terrestre.

Nitrógeno ← OxígenoFlúor
Tabla completaTabla ampliada

Incoloro
Información general
Nombre, símbolo, número Oxígeno, O, 8
Serie química No metales
Grupo, período, bloque 16, 2, p
Masa atómica 15,9994 u
Configuración electrónica [He]2s22p4
Electrones por nivel 2, 6 (imagen)
Propiedades atómicas
Electronegatividad 3,44 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 60 (48) pm (radio de Bohr)
Radio covalente 73 pm
Radio de van der Waals 152 pm
Estado(s) de oxidación -2, -1 (neutro)
1.ª energía de ionización 1313,9 kJ/mol
2.ª energía de ionización 3388,3 kJ/mol
3.ª energía de ionización 5300,5 kJ/mol
4.ª energía de ionización 7469,2 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario Gas (paramagnético)
Densidad 1,429 kg/m3
Punto de fusión 50,35 K (−223 °C)
Punto de ebullición 90,18 K (−183 °C)
Entalpía de vaporización 6,8061 kJ/mol
Entalpía de fusión 0,4384 kJ/mol
Volumen molar 17,36×10-3 m3/mol
Varios
Estructura cristalina cúbica
Calor específico 920 J/(K·kg)
Conductividad térmica 0,026 74 W/(K·m)
Velocidad del sonido 317,5 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del oxígeno
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
16O99,762 %Estable con 8 neutrones
17O0,038 %Estable con 9 neutrones
18O0,2 %Estable con 10 neutrones
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

Forma parte del grupo de los anfígenos en la tabla periódica y es un elemento no metálico altamente reactivo que forma fácilmente compuestos (especialmente óxidos) con la mayoría de elementos, excepto con los gases nobles helio y neón. Asimismo, es un fuerte agente oxidante y tiene la segunda electronegatividad más alta de todos los elementos, solo superada por el flúor.[2]​ Medido por su masa, el oxígeno es el tercer elemento más abundante del universo, tras el hidrógeno y el helio,[3]​ y el más abundante en la corteza terrestre ya que forma, prácticamente, la mitad de su masa.[4]​ Debido a su reactividad química, no puede permanecer en la atmósfera terrestre como elemento libre sin ser reabastecido constantemente por la acción fotosintética de los organismos que utilizan la energía solar para producir oxígeno elemental a partir del agua. El oxígeno elemental O2 solamente empezó a acumularse en la atmósfera después de la aparición de estos organismos, aproximadamente hace 2500 millones de años.[5]​ El oxígeno diatómico constituye el 20,8 % del volumen de la atmósfera terrestre.[6]

Dado que constituye la mayor parte de la masa del agua, es también el componente mayoritario de la masa de los seres vivos. Muchas de las moléculas más importantes que forman parte de los seres vivos, como las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos y los lípidos, contienen oxígeno, así como los principales compuestos inorgánicos que forman los caparazones, dientes y huesos animales. El oxígeno elemental se produce por cianobacterias, algas y plantas y todas las formas complejas de vida lo usan para su respiración celular. Resulta tóxico para los organismos de tipo anaerobio obligado, las formas tempranas de vida que predominaban en la Tierra hasta que el O2 comenzó a acumularse en la atmósfera. Otra forma (alótropa) del oxígeno, el ozono (O3), ayuda a proteger la biosfera de la radiación ultravioleta a gran altitud, en la llamada capa de ozono, pero es contaminante cerca de la superficie, donde es un subproducto del esmog. A altitudes aún mayores de la órbita baja terrestre, el oxígeno atómico tiene una presencia significativa y causa erosión en las naves espaciales.[7]

Carl Wilhelm Scheele descubrió el oxígeno de forma independiente en Upsala en 1773, o incluso antes, y Joseph Priestley, en Wiltshire en 1774, pero el honor suele adjudicársele a Priestley debido a que publicó su trabajo antes. Antoine Lavoisier, cuyas investigaciones ayudaron a desacreditar la entonces popular teoría del flogisto de combustión y corrosión, acuñó el nombre «oxígeno» en 1777.[8]​ Este se produce industrialmente mediante la destilación fraccionada de aire licuado, el uso de zeolita con ciclos de presión para concentrar el oxígeno del aire, la electrólisis del agua y otros medios. El oxígeno se utiliza en la producción de acero, plásticos y textiles; los propulsores de cohetes; la oxigenoterapia; y la asistencia para la respiración en aeronaves, submarinos, vuelos espaciales y submarinismo.

Características

Estructura

 
Tubo de descarga lleno de oxígeno puro.
 
Un hilo de oxígeno líquido se desvía por un campo magnético, ilustrando su propiedad paramagnética.

En condiciones normales de presión y temperatura, el oxígeno es un gas incoloro e inodoro con fórmula molecular O2, en el que dos átomos de oxígeno se enlazan con una configuración electrónica en estado triplete. Este enlace tiene un orden de enlace de dos y se suele simplificar en las descripciones como un enlace doble[9]​ o como una combinación de un enlace de dos electrones y dos enlaces de tres electrones.[10]

El oxígeno triplete —no debe confundirse con el ozono, O3— es el estado fundamental de la molécula O2,[11]​ que cuenta con dos electrones desparejados que ocupan dos orbitales moleculares degenerados.[nota 1]​ Estos orbitales se clasifican como antienlaces —debilitan el orden de enlace de tres a dos—, de manera que el enlace del dioxígeno es más débil que el triple enlace del nitrógeno diatómico, en el que todos los orbitales de los enlaces moleculares se rellenan, pero algunos orbitales de antienlace no lo están.[11]

 
Oxígeno en estado líquido

En su forma normal de triplete, las moléculas de O2 son paramagnéticas; es decir, que en presencia de un campo magnético forman un imán, debido al momento magnético del espín de los electrones desparejados en la molécula y la interacción de canje negativa entre moléculas de O2 contiguas.[12]​ Un imán atrae al oxígeno líquido hasta tal punto que, en demostraciones de laboratorio, un hilo de oxígeno líquido puede sostenerse contra su propio peso entre los polos de un imán potente.[13][nota 2]​ El oxígeno molecular singlete es un nombre dado a varias especies de O2 de mayor energía, en las que todos los espínes de los electrones se emparejan. Es mucho más reactivo con moléculas orgánicas habituales que el oxígeno molecular en sí mismo. En la naturaleza, el oxígeno singlete se suele formar con el agua en la fotosíntesis, usando la energía solar.[15]​ También se produce en la troposfera a causa de la fotolisis del ozono por la luz de onda corta,[16]​ así como por el sistema inmunitario como una fuente de oxígeno activo.[17]​ En los organismos fotosintéticos —y posiblemente también en los animales—, los carotenoides juegan un papel fundamental en la absorción de energía del oxígeno singlete y la conversión de este a su estado no excitado antes de que pueda causar daño a los tejidos.[18]

Energía de disociación

Energía de disociación de las moléculas diatómicas O-X a 25°C en kJ/mol (en condiciones de laboratorio):[19]

H
429,91
He
Li
340,5
Be
437
B
809
C
1076,38
N
631,62
O
498,36
F
220
Ne
Na
270
Mg
358,2
Al
501,9
Si
799,6
P
589
S
517,9
Cl
267,47
Ar
K
271,5
Ca
383,3
Sc
671,4
Ti
666,5
V
637
Cr
461
Mn
362
Fe
407
Co
397,4
Ni
366
Cu
287,4
Zn
250
Ga
374
Ge
657,5
As
484
Se
429,7
Br
237,6
Kr
8
Rb
276
Sr
426,3
Y
714,1
Zr
766,1
Nb
726,5
Mo
502
Tc
548
Ru
528
Rh
405
Pd
238,1
Ag
221
Cd
236
In
346
Sn
528
Sb
434
Te
377
I
233,4
Xe
36,4
Cs
293
Ba
562
*
Hf
801
Ta
839
W
720
Re
627
Os
575
Ir
414
Pt
418,6
Au
223
Hg
269
Tl
213
Pb
382,4
Bi
337,2
Po At Rn
Fr Ra **
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
*
La
798
Ce
790
Pr
740
Nd
703
Pm Sm
573
Eu
473
Gd
715
Tb
694
Dy
615
Ho
606
Er
606
Tm
514
Yb
387,7
Lu
669
**
Ac
794
Th
877
Pa
792
U
755
Np
731
Pu
656,1
Am
553
Cm
732
Bk
598
Cf
498
Es
460
Fm
443
Md
418
No
268
Lr
665


Alótropos

 
El ozono es un gas poco común en la Tierra y se encuentra en su mayor parte en la estratosfera.

El alótropo más normal del oxígeno elemental es el llamado dioxígeno (O2), que tiene una longitud de enlace de 121 pm y una energía de enlace de 498 kJ•mol−1.[20]​ Esta es la forma que usan las formas de vida complejas, como los animales, en su respiración celular (véase rol biológico) y es la forma que tiene una gran importancia en la composición de la atmósfera terrestre (véase Abundancia).

El trioxígeno (O3) se conoce habitualmente como ozono y es un alótropo muy reactivo, dañino para el tejido pulmonar.[21]​ El ozono se produce en la atmósfera superior cuando el O2 se combina con el oxígeno atómico a causa de la división del O2 por la radiación ultravioleta.[8]​ Ya que el ozono es un poderoso absorbente en la región ultravioleta del espectro electromagnético, la capa de ozono de la atmósfera superior funciona como un escudo protector de la radiación que recibe el planeta.[8]​ Cerca de la superficie terrestre, no obstante, es un contaminante formado como subproducto de las emisiones de automóviles.[21]​ La molécula metaestable del tetraoxígeno (O4) no fue descubierta hasta 2001,[22][23]​ y se dio por descontado que existía en una de las seis fases del oxígeno sólido. En 2006 se demostró que esta fase, creada mediante la presurización del O2 a 20 GPa, es, de hecho, un clúster[nota 3]​ O8 de sistema trigonal.[24]​ Este clúster tiene potencial para ser un oxidante mucho más potente que el O2 y el O3 y podría, por tanto, ser usado como propulsor de cohetes.[22][23]​ En 1990 se descubrió una fase metálica cuando el oxígeno sólido se somete a una presión superior a 96 GPa[25]​ y se demostró en 1998 que a temperaturas muy bajas se convierte en superconductor.[26]

Propiedades físicas

 
En la fase tardía de la vida de una estrella masiva, el 16O se concentra en la capa O, el 17O lo hace en la capa H y el 18O en la capa He.
 
El agua fría contiene más O2 disuelto.

El oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno; esta contiene aproximadamente una molécula de O2 por cada dos moléculas de N2,[27]​ comparado con la proporción en la atmósfera, que viene a ser de 1:4. La solubilidad del oxígeno en el agua depende de la temperatura, disolviéndose alrededor del doble (14,6 mg•L−1) a 0 °C que a 20 °C (7,6 mg•L−1).[12][28]​ A 25 °C y 1 atmósfera de presión, el agua dulce contiene alrededor de 6,04 mililitros (ml) de oxígeno por litro, mientras que el agua marina contiene alrededor de 4,95 ml por litro.[29]​ A 5 °C la solubilidad se incrementa hasta 9,0 ml (un 50 % más que a 25 °C) por litro en el agua y 7,2 ml (45 % más) en el 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).[30]​ Tanto el O2 líquido como el sólido son sustancias con un suave color azul cielo causado por la absorción en el rojo, en contraste con el color azul del cielo, que se debe a la dispersión de Rayleigh de la luz azul. El O2 líquido de gran pureza se suele obtener a través de la destilación fraccionada de aire licuado.[31]​ El oxígeno líquido también puede producirse por condensación del aire, usando nitrógeno líquido como refrigerante. Es una sustancia altamente reactiva y debe separarse de materiales inflamables.[32]

Isótopos y origen estelar

El oxígeno que encontramos en la naturaleza se compone de tres isótopos estables: 16O, 17O y 18O, de los que el 16O es el más abundante (99,762 % de abundancia natural).[33]

La mayor parte del 16O se sintetiza al final del proceso de combustión del helio en una estrella masiva, pero otra parte se produce en el proceso de combustión del neón.[34]​ El 17O surge fundamentalmente por la combustión del hidrógeno en helio durante el ciclo CNO, convirtiéndolo en un isótopo común en las zonas de combustión de hidrógeno en las estrellas.[34]​ Por su parte, la mayoría del 18O se produce cuando el 14N —que abunda debido a la combustión CNO— captura un núcleo de 4He, lo que origina una gran abundancia de 18O en las zonas ricas en helio de las estrellas masivas.[34]

Se han caracterizado catorce radioisótopos, de los que los más estables son el 15O con un periodo de semidesintegración de 70,606 segundos.[33]​ Todos los restantes isótopos radiactivos tienen periodos de semidesintegración inferiores a 27 segundos y la mayor parte de estos, inferiores a 83 milisegundos.[33]​ La forma de descomposición de los isótopos más ligeros que el 16O es la descomposición β+[35][36][37]​ para producir nitrógeno y, para los más pesados que el 18O, la desintegración beta para formar flúor.[33]

Abundancia

 
La nebulosa Ojo de Gato tiene regiones ricas en oxígeno ionizado, mostrado de color verde en la imagen.

El oxígeno es el elemento químico más abundante, por masa, en la biosfera, el aire, el mar y el suelo terrestres. Es, asimismo, el tercero más abundante en el universo, tras el hidrógeno y el helio.[3]​ Alrededor del 0,9 % de la masa del Sol es oxígeno,[6]​ que constituye también el 49,2 % de la masa de la corteza terrestre[4]​ y es el principal componente de los océanos de la Tierra (88,8 % de su masa total).[6]​ El oxígeno gaseoso es el segundo componente más abundante en la atmósfera terrestre, ya que supone un 20,8 % de su volumen y el 23,1 % de su masa (unas 1015 toneladas).[6][38][nota 4]​ La Tierra es una excepción entre los planetas del Sistema Solar por la alta concentración de oxígeno gaseoso en su atmósfera; por ejemplo, Marte (con un 0,1 % de O2 del total de su volumen) y Venus tienen concentraciones mucho menores. Sin embargo, el O2 que rodea a estos planetas proviene exclusivamente de la reacción que sufren moléculas que contienen oxígeno, como el dióxido de carbono, por efecto de la radiación ultravioleta.

La inusualmente alta concentración de oxígeno gaseoso en la Tierra es el resultado del ciclo de circulación. Este ciclo biogeoquímico describe el movimiento del oxígeno en el interior de sus tres principales reservas en el planeta: la atmósfera, la biosfera y la litosfera. El factor de conducción más importante en este ciclo es la fotosíntesis, responsable de la atmósfera moderna de la Tierra, que libera oxígeno en la atmósfera, mientras que los procesos de respiración y descomposición lo eliminan. En el equilibrio actual, la producción y el consumo tienen lugar con un ratio aproximado de 1/2000 de la totalidad del oxígeno atmosférico por año.

Los diez elementos más comunes en la Vía Láctea estimados estereoscópicamente[39]
Z Elemento Fracción másica en partes por millón
1 hidrógeno 739 000
2 helio 240 000
8 Oxígeno 10 400
6 Carbono 4600
10 neón 1340
26 Hierro 1090
7 nitrógeno 960
14 Silicio 650
12 Magnesio 580
16 Azufre 440

El oxígeno no combinado también se da en soluciones en las masas de agua del planeta. La mayor solubilidad del O2 a baja temperatura (véase Propiedades físicas) tiene implicaciones importantes para la vida marina, ya que los océanos polares sostienen una densidad de vida mucho mayor debido a su superior contenido de oxígeno.[nota 5]​ La cantidad de O2 en el agua puede haberse visto reducida por la contaminación hídrica, debido a la acción de la descomposición de las algas y otros biomateriales por un proceso llamado eutrofización. Los científicos evalúan este aspecto de la calidad del agua a través de la medición de su demanda biológica de oxígeno, o cantidad de O2 necesaria para restaurarla a una concentración normal.[40]

Rol biológico

Fotosíntesis y respiración

 
La fotosíntesis divide el agua para liberar O2 y une el CO2 al azúcar.

El oxígeno es liberado por las bacterias fotosintéticas, las algas y las plantas mediante la fotosíntesis. En el proceso inverso los organismos aerobios, mediante la respiración, usan el oxígeno para convertir los nutrientes en energía (ATP). La disminución de oxígeno provoca hipoxemia y su falta total, anoxia, lo que puede provocar la muerte del organismo.

En la naturaleza el oxígeno no combinado se produce por la fotodescomposición del agua durante la fotosíntesis. Según algunas estimaciones, las algas verdes y las cianobacterias de ambientes marinos proporcionan alrededor del 70 % del producido en la Tierra, y las plantas terrestres, el resto.[41]​ Unos investigadores estiman que la contribución oceánica al oxígeno atmosférico es aún mayor, mientras que otros la sitúan por debajo, en torno a un 45 % del oxígeno atmosférico total del planeta cada año.[42]

Una fórmula global simplificada de la fotosíntesis es:[43]

6 CO2 + 6 H2O + fotones → C6H12O6 + 6 O2
dióxido de carbono + agua + luz solar → glucosa + dioxígeno

La evolución fotolítica del oxígeno tiene lugar en las membranas tilacoides de los organismos fotosintéticos y requiere la energía de cuatro fotones.[nota 6]​ Están implicados muchos procesos, pero el resultado es la formación de un gradiente de un protón a través de la membrana tilacoide, que se usa para sintetizar adenosín trifosfato (ATP) por la fotofosforilación.[44]​ El O2 restante tras la oxidación de la molécula de agua se libera a la atmósfera.[nota 7]

El dioxígeno molecular es esencial para la respiración celular en todos los organismos aerobios, ya que las mitocondrias lo usan para ayudar a generar adenosín trifosfato durante la fosforilación oxidativa. La reacción para la respiración aerobia es básicamente lo contrario que la fotosíntesis y se simplifica de la siguiente forma:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ•mol−1

En los vertebrados el O2 se difunde por membranas pulmonares hacia los glóbulos rojos. La hemoglobina envuelve el O2 y hace que cambie su color de un rojo azulado a un rojo brillante[21]​ (el CO2 se libera desde otra parte de la hemoglobina mediante el efecto Bohr). Otros animales usan la hemocianina (moluscos y algunos artrópodos) o la hemeritrina (arañas y langostas).[38]​ Un litro de sangre puede disolver 200 cm³ de O2.[38]

Las especies reactivas de oxígeno, como el ion superóxido (O2-) y el peróxido de hidrógeno, son peligrosos subproductos del uso de oxígeno en los organismos.[38]​ Algunas partes del sistema inmunitario de organismos más avanzados, sin embargo, crean peróxido, superóxido y oxígeno singlete para destruir microbios invasores. Las especies reactivas de oxígeno también tienen un rol importante en la respuesta hipersensible de las plantas contra ataques patógenos.[44]

Un adulto humano en reposo respira de 1,8 a 2,4 gramos de oxígeno por minuto.[nota 8]​ Sumada la cantidad inhalada por todas las personas del planeta, hace un total de 6000 millones de toneladas de oxígeno por año.[nota 9]

Contenido en el cuerpo

Presiones parciales del oxígeno en el cuerpo humano (PO2)
Unidad Presión alveolar de
los gases pulmonares
Oxígeno de la sangre arterial Gas sanguíneo venoso
kPa [nota 10] 14.2 11-13 4.0-5.3
mmHg[46][47] 107 75-100 30-40

El contenido de oxígeno en el cuerpo de un ser vivo es normalmente mayor en el sistema respiratorio y disminuye a lo largo de cualquier sistema arterial, los tejidos periféricos y el sistema venoso, respectivamente. El contenido de oxígeno en este sentido se suele dar como la presión parcial, que es la presión que tendría el oxígeno si ocupase por sí solo el volumen de las venas.[48]

Acumulación en la atmósfera

 
Acumulación del O2 en la atmósfera terrestre: 1) Sin producción de O2; 2) O2 producido, pero absorbido en océanos y rocas del fondo marino; 3) El O2 comienza a salir de los océanos, pero es absorbido por la superficie terrestre y debido a la formación de la capa de ozono; 4–5) El O2 desciende y el gas se acumula.

El oxígeno gaseoso no combinado era casi inexistente en la atmósfera terrestre antes de la evolución de las bacterias y arqueobacterias fotosintéticas. Apareció por primera vez en cantidades significativas durante el Paleoproterozoico (hace alrededor de 2500 y 1600 millones de años). En un principio, el oxígeno se combinó con Hierro disuelto en los océanos para crear formaciones de hierro bandeado. Los océanos comenzaron a exhalar oxígeno no combinado hace 2700 millones de años, y se alcanzó el 10 % de su nivel actual hace unos 1700 millones de años.[49]

La presencia de grandes cantidades de oxígeno no combinado disuelto en los océanos y la atmósfera pudo haber conducido a la extinción de la mayoría de los organismos anaerobios que vivían entonces, durante la Gran Oxidación (catástrofe del oxígeno) hace unos 2400 millones de años. Sin embargo el uso de O2 en la respiración celular permite producir a los organismos aerobios mucho más ATP que los anaerobios, lo que ayuda a los primeros a dominar la biosfera de la Tierra.[50]​ La fotosíntesis y la respiración celular del O2 permitieron la evolución de las células eucariotas y, finalmente, la aparición de organismos multicelulares complejos como plantas y animales.

Desde el comienzo del periodo Cámbrico hace 540 millones de años, los niveles de O2 han fluctuado entre el 15 % y el 30 % por volumen.[51]​ Hacia finales del Carbonífero (hace unos 300 millones de años) el nivel de O2 en la atmósfera alcanzó un volumen máximo del 35 %,[51]​ que pudo haber contribuido al gran tamaño de los insectos y anfibios de aquella época.[52]​ La actividad humana, aún si se considera la combustión de 7000 millones de toneladas de combustible fósil cada año, ha tenido un impacto muy pequeño en la cantidad de oxígeno combinado en la atmósfera.[12]​ Con los niveles actuales de fotosíntesis, llevaría unos 2000 años regenerar la cantidad total de O2 en la atmósfera actual.[53]

Historia

Primeros experimentos

 
El experimento de Filón inspiró a investigadores posteriores.

Uno de los primeros experimentos conocidos sobre la relación entre la combustión y el aire lo desarrolló el escritor sobre mecánica de la Antigua Grecia Filón de Bizancio, en el S. II a. C. En su obra Pneumática, Filón observó que al invertir un recipiente sobre una vela prendida y rodear el cuello de este con agua, una parte del líquido subía por el cuello.[54]​ Supuso, de forma incorrecta, que algunas partes del aire en el recipiente se convertían en elemento clásico del fuego y, entonces, era capaz de escapar a través de poros en el cristal. Muchos siglos después, Leonardo da Vinci observó que una porción del aire se consume durante la combustión y la respiración.[55]

A finales del S. XVII, Robert Boyle probó que el aire es necesario para la combustión. El químico inglés John Mayow perfeccionó su trabajo mostrando que solo requería de una parte del aire, que llamó spiritus nitroaereus o simplemente nitroaereus.[56]​ En un experimento descubrió que al colocar tanto un ratón como una vela encendida en un contenedor cerrado sobre agua, hacía que esta subiera y reemplazara un catorceavo del volumen del aire antes de que se apagara la vela o muriera el ratón.[57]​ Debido a esto supuso que el nitroaereus se consume tanto por la respiración como por la combustión.

Mayow observó que el antimonio incrementaba su peso al calentarse e infirió que el nitroaereus debía haberse combinado con él.[56]​ Pensó también que los pulmones separaban el nitroaereus del aire y lo pasaban a la sangre y que el calor animal y el movimiento muscular eran producto de la reacción del nitroaereus con ciertas sustancias en el cuerpo.[56]​ Publicó informes sobre estos experimentos y otras ideas en 1668, en su obra Tractatus duo, en el tratado «De respiratione».[57]

Teoría del flogisto

 
Georg Stahl ayudó a desarrollar y popularizar la teoría del flogisto.

Robert Hooke, Ole Borch, Mijaíl Lomonósov y Pierre Bayen produjeron oxígeno durante experimentos entre los siglos XVII y XVIII, pero ninguno de ellos lo reconoció como un elemento.[58]​ Esto pudo deberse en parte a la prevalencia de la filosofía de la combustión y la corrosión, denominada teoría del flogisto, que por aquel entonces era la explicación predilecta para esos procesos.

Esta teoría, establecida en 1667 por el químico alemán Johann Joachim Becher y modificada por el también químico Georg Stahl en 1731,[59]​ postulaba que todos los materiales combustibles constaban de dos partes; una, llamada flogisto, que era emitida al quemar la sustancia en cuestión, y otra, denominada desflogisticada, que se tenía por su verdadera forma o calx (ceniza; creta en latín).[55]

Los materiales altamente combustibles que dejan poco residuo, como la madera o el carbón, se creían hechos en su mayor parte por flogisto, mientras las sustancias no combustibles que se corroen, como el hierro, contienen muy poco. El aire no tenía ningún papel en la teoría del flogisto ni se realizaron experimentos cuantivativos para poner a prueba la idea; por el contrario, se basaba en observaciones de lo que sucedía cuando algo se quemaba: los objetos más comunes parecían volverse más ligeros y perder algo en el proceso.[55]​ El hecho de que una sustancia como la madera realmente ganara peso en su conjunto durante el quemado se ocultaba por la flotabilidad de los productos gaseosos de la combustión. Una de las primeras pistas sobre la falsedad de la teoría del flogisto fue que los metales también ganaban peso en la oxidación (cuando supuestamente perdían flogisto).

Descubrimiento

 
Carl Wilhelm Scheele se adelantó a Priestley en el descubrimiento, pero publicó su trabajo con posterioridad.
 
El descubrimiento se le suele adjudicar a Joseph Priestley.

El oxígeno fue descubierto por el farmacéutico sueco Carl Wilhelm Scheele, que produjo oxígeno gaseoso al calentar óxido de mercurio y varios nitratos alrededor de 1772.[6][55]​ Scheele llamó al gas «aire del fuego», porque era el único apoyo conocido para la combustión, y escribió un informe de su descubrimiento en un manuscrito que tituló «Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer» («Tratado químico del aire y del fuego») y envió a su editor en 1775, si bien no se publicó hasta 1777.[60]

Entretanto, el 1 de agosto de 1774, el clérigo británico Joseph Priestley condujo un experimento en el que enfocó la luz solar sobre óxido de mercurio (II) (HgO) en el interior de un tubo de cristal, lo que liberó un gas que él llamó «aire desflogisticado».[6]​ Notó que las velas prendían más vívamente en el gas y que el ratón estaba más activo y vivía más tiempo mientras lo respiraba. Tras inhalar él mismo el gas, escribió: «La sensación del gas en mis pulmones no era perceptiblemente diferente al del aire normal, pero sentí mi pecho particularmente ligero y desahogado durante un rato después».[58]​ Priestley publicó sus hallazgos en 1775 en un artículo titulado «An Account of Further Discoveries in Air» («Informe de más descubrimientos en el aire»), que incluyó en el segundo volumen de su libro titulado Experiments and Observations on Different Kinds of Air.[55][61]​ Debido a que publicó sus hallazgos primero, Priestley suele ser considerado el autor del descubrimiento.

El renombrado químico francés Antoine Lavoisier reclamó posteriormente haber descubierto la sustancia de forma independiente. No obstante, Priestley visitó a Lavoisier en octubre de 1774 y le habló sobre su experimento y cómo había liberado el nuevo gas. Scheele también escribió una carta a Lavoisier, el 30 de septiembre de ese mismo año, en la que describía su propio descubrimiento de la sustancia antes desconocida, pero el francés nunca accedió a recibirla. Después de la muerte de Scheele se encontró una copia de la carta entre sus pertenencias.[60]

Contribución de Lavoisier

 
Antoine Lavoisier desacreditó la teoría del flogisto.

Aunque fue cuestionado en su época, Lavoisier condujo los primeros experimentos cuantitativos adecuados sobre la oxidación y dio la primera explicación correcta acerca del funcionamiento de la combustión.[6]​ Usó estos y otros experimentos similares, que comenzaron 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 se producía un incremento global en el peso cuando el estaño y el aire se calentaban en un contenedor cerrado.[6]​ Notó que, cuando abrió el contenedor, el aire entró súbitamente en él, lo que indicaba que parte del aire atrapado se había consumido. También notó que el estaño había aumentado su peso y que el aumento era igual al del peso del aire que volvió al contenedor cuando lo abrió. Este y otros experimentos sobre la combustión se documentaron en su libro Sur la combustion en général, publicado en 1777.[6]​ En esa obra probó que el aire es una mezcla de dos gases: el «aire esencial», fundamental para la combustión y la respiración, y el azote (del griego ἄζωτον, sin vida), que no servía para ninguna de las dos y se denominaría posteriormente nitrógeno.[6]

Lavoisier renombró al «aire esencial» como oxígeno en 1777, desde las raíces griegas ὀξύς (oxys) (ácido, literalmente «punzante», por el sabor de los ácidos) y -γενής (-genēs) (productor, literalmente «engendrador»), porque pensaba, erróneamente, que el oxígeno era un constituyente de todos los ácidos.[8][1]​Los químicos —en particular sir Humphry Davy en 1812— al cabo de un tiempo determinaron que Lavoisier se equivocó en su apreciación pues, de hecho, es el hidrógeno el que forma la base de los ácidos, pero el nombre ya se había popularizado.

Historia posterior

 
Robert Goddard y un cohete de combustible de oxígeno líquido.

La hipótesis atómica original de John Dalton asumía que todos los elementos eran monoatómicos y que los átomos de los compuestos tendrían normalmente las relaciones atómicas más simples. Por ejemplo, Dalton pensaba que la fórmula del agua era HO, y presentaba la masa atómica del oxígeno como 8 veces la del hidrógeno, en vez de 16, el valor que se le da hoy en día.[62]​ En 1805, Louis Joseph Gay-Lussac y Alexander von Humboldt mostraron que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno y, en 1811, Amedeo Avogadro dio con la correcta interpretación de la composición del líquido, basado en la que hoy se denomina Ley de Avogadro y en la suposición de moléculas diatómicas elementales.[63][nota 11]

A finales del S. XIX los investigadores se dieron cuenta de que el aire podía licuarse y sus componentes aislarse mediante compresión y enfriamiento. Utilizando un método de cascada, el químico y físico suizo Raoul Pictet evaporó dióxido de azufre para licuar dióxido de carbono, que por su parte era evaporado para enfriar el oxígeno gaseoso lo suficiente como para pasarlo a líquido. Envió un telegrama a la Academia de Ciencias de Francia el 22 de diciembre de 1877 en el que anunciaba su descubrimiento del oxígeno líquido.[64]​ Solo dos días después, el físico francés Louis Paul Cailletet anunció su propio método para licuar oxígeno molecular.[64]​ En ambos casos solo se produjeron unas pocas gotas del líquido, por lo que no se pudo llevar a cabo un análisis concluyente. El oxígeno fue licuado de forma estable por primera vez el 29 de marzo de 1883 por los científicos polacos de la Universidad Jagellónica Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski.[65]

En 1891 el químico escocés James Dewar pudo producir la suficiente cantidad de oxígeno líquido para estudiarlo.[12]​ El primer proceso viable comercialmente para producir oxígeno líquido fue desarrollado en 1895 de forma independiente por los ingenieros Carl von Linde, alemán, y William Hampson, británico. Redujeron la temperatura del aire hasta que se licuó y, entonces, destilaron los componentes gaseosos haciéndolos bullir uno a uno y capturándolos.[66]​ Más tarde, en 1901, la soldadura de oxiacetileno se demostró por primera vez al quemar una mezcla de acetileno y O2 comprimido. Este método de soldadura y cortado del metal se convertiría después en habitual.[66]

El físico William Thomson, en 1898, calculó que el oxígeno que permanece en el planeta tiene solo unos 400 o 500 años, basándose en el ritmo de uso de los combustibles fósiles en la combustión.[67][68]

En 1923 el científico estadounidense Robert Goddard se convirtió en la primera persona en desarrollar un motor cohete que usaba gasolina como combustible y oxígeno líquido como oxidante. El 16 de marzo hizo volar con éxito un pequeño cohete propulsado por combustible líquido durante 56 m a 97 km/h, en Auburn (Massachusetts).[66][69]

Producción industrial

Se emplean principalmente dos métodos para producir 100 millones de toneladas de O2 extraídas del aire para usos industriales cada año.[60]​ El más común consiste en destilar fraccionadamente aire licuado en sus diversos componentes, con el N2 destilado como vapor y el O2 dejado como líquido.[60]

El otro método principal de obtención de O2 gaseoso consiste en pasar un chorro de aire limpio y seco a través de un lecho de tamices moleculares de zeolita, que adsorben el nitrógeno y dejan pasar un chorro de gas que es de un 90 a un 93 % O2.[60]​ Simultáneamente, el otro lecho de zeolita saturada de nitrógeno libera este gas al reducir la presión de funcionamiento de la cámara e introducir en ella a contracorriente parte del oxígeno separado en el lecho productor. Después de cada ciclo completo, los lechos se intercambian, lo que permite un suministro constante de oxígeno. Esto se conoce por adsorción por oscilación de presión y se utiliza para producir oxígeno a pequeña escala.[70]

El oxígeno también puede producirse mediante la electrólisis del agua, descomponiéndola en oxígeno e hidrógeno, para lo cual debe usarse una corriente continua; si se usara una corriente alterna, los gases de cada extremo consistirían en hidrógeno y oxígeno en la explosiva relación 2:1. Contrariamente a la creencia popular, la relación 2:1 observada en la electrólisis de corriente continua del agua acidificada no demuestra que la fórmula empírica del agua sea H2O, a menos que se asuman ciertas premisas sobre la fórmula molecular del hidrógeno y el oxígeno. Un método similar es la evolución electrocatalítica del O2 de óxidos a oxoácidos. También se pueden usar catalizadores químicos, como en el generador químico de oxígeno o en las velas de oxígeno que se usan en el equipamiento de apoyo en submarinos y que aún son parte del equipamiento estándar en aerolíneas comerciales para casos de despresurización. Otra tecnología de separación del aire consiste en forzar la disolución del aire a través de membranas de cerámica basadas en dióxido de zirconio, ya sea por alta presión o por corriente eléctrica, para producir O2 gaseoso prácticamente puro.[40]

Para grandes cantidades el precio del oxígeno líquido era en 2001 de, aproximadamente, 0,21 USD/kg.[71]​ El coste de la energía necesaria para licuar el aire supone el principal coste de producción, por lo cual el coste del oxígeno varía en función del precio de la energía. Por razones de economía el oxígeno se suele transportar en grandes cantidades en estado líquido, almacenado en tanques especialmente aislados, ya que un litro de oxígeno licuado equivale a 840 litros de oxígeno gaseoso a presión atmosférica y 20 °C (68 °F).[60]​ Estas cisternas se usan para rellenar los grandes contenedores de oxígeno líquido que se encuentran en el exterior de los hospitales y demás instituciones que necesitan ingentes cantidades de oxígeno gaseoso puro. El oxígeno líquido se pasa por unos intercambiadores de calor que convierten el líquido criogénico en gas antes de que entre en el edificio. El oxígeno también se almacena y envía en cilindros que contienen el gas comprimido, lo que resulta útil para ciertas aplicaciones médicas portátiles y oxicorte.[60]

Usos y aplicaciones

El 55 % de la producción mundial de oxígeno se consume en la producción de acero. Otro 25 % se dedica a la industria química. Del 20 % restante la mayor parte se usa para aplicaciones medicinales, oxicorte, como oxidante en combustible de cohetes y en tratamiento de aguas.[40]

Medicina

El propósito esencial de la respiración es tomar el O2 del aire y, en medicina, se usan suplementos de oxígeno. El tratamiento no solo incrementa los niveles de oxígeno en la sangre del paciente, sino que tiene el efecto secundario de disminuir la resistencia al flujo de la sangre en muchos tipos de pulmones enfermos, lo que facilita el trabajo de bombeo del corazón. La oxigenoterapia se usa para tratar el enfisema, la neumonía, algunas insuficiencias cardíacas, algunos desórdenes que causan una elevada presión arterial pulmonar y cualquier enfermedad que afecte a la capacidad del cuerpo para tomar y usar el oxígeno.[72]

Los tratamientos son lo suficientemente flexibles como para ser usados en hospitales, la vivienda del paciente o, cada vez más, con instrumentos móviles. Así, las tiendas de oxígeno se solían usar como suplementos de oxígeno, pero han ido sustituyéndose por las máscaras de oxígeno y las cánulas nasales.[73]

La medicina hiperbárica (de alta presión) usa cámaras especiales de oxígeno para aumentar la presión parcial del O2 en el paciente y, cuando son necesarias, en el personal médico.[74]​ La intoxicación por monóxido de carbono, la mionecrosis (gangrena gaseosa) y el síndrome de descompresión a veces se tratan con estos aparatos.[75]​ El aumento de la concentración del O2 en los pulmones ayuda a desplazar el monóxido de carbono del hemogrupo de hemoglobina.[76][77]​ El oxígeno es tóxico para la bacteria anaerobia que causa la gangrena gaseosa, de manera que aumentar su presión parcial ayuda a acabar con ellas.[78][79]​ El síndrome de descompresión les sucede a los buzos que salen demasiado rápido del mar, lo que resulta en la formación de burbujas de gas inerte, sobre todo nitrógeno, en su sangre.[72][80][81]

También se usa oxígeno para pacientes que necesitan ventilación mecánica, normalmente a concentraciones superiores al 21 % encontrado en el aire ambiental. Por otra parte, el isótopo 15O se usó de forma experimental en la tomografía por emisión de positrones.[82]

Apoyo vital y uso recreativo

 
En los trajes espaciales se usa O2 a baja presión.

Una aplicación notable del O2 como gas respirable de baja presión se encuentra en los trajes espaciales modernos, que envuelven el cuerpo de sus ocupantes con aire presurizado. Estos dispositivos usan oxígeno casi puro a una presión de alrededor de un tercio de la común, lo que da como resultado una presión parcial normal en el O2 de la sangre.[83][84]​ Este intercambio de oxígeno de alta concentración para una baja presión es necesario para mantener la flexibilidad de los trajes espaciales.

Los buceadores y los tripulantes de submarinos también usan O2 artificialmente proporcionado, pero la mayoría usan una presión normal o una mezcla de oxígeno y aire. El uso de O2 puro o casi puro en buceo a presiones por encima del nivel del mar se limita generalmente a los descansos, descompresiones y tratamientos de emergencia a relativamente poca profundidad (~6 metros o menos).[85][86]​ El buceo a mayor profundidad requiere una dilución significativa de O2 con otros gases, como nitrógeno o helio, para ayudar a prevenir el efecto de Paul Bert (toxicidad del oxígeno).[85]

Los escaladores de montaña y los que viajan en aviones no presurizados a veces tienen un suplemento de O2.[nota 12]​ Los pasajeros de aviones comerciales (presurizados) tienen un suministro de O2 para emergencias, que les es puesto automáticamente a su disposición en caso de despresurización de la cabina. Una pérdida repentina de presión en la cabina activa generadores químicos de oxígeno sobre cada asiento y hace caer máscaras de oxígeno. Al tirar de la máscara para comenzar el flujo de oxígeno, tal y como indican las instrucciones de seguridad, se fuerzan las limaduras de hierro en el clorato de sodio dentro del recipiente.[40]​ Se produce, entonces, un chorro constante de oxígeno debido a la reacción exotérmica.

El oxígeno, como un supuesto eufórico suave, tiene una historia de uso recreativo en deportes y bares de oxígeno. Estos son establecimientos que aparecieron en Japón, California y Las Vegas a finales de los años 1990 que ofertan exposiciones a niveles de O2 superiores a lo normal a cambio de una determinada tarifa.[87]​ Los atletas profesionales, especialmente en fútbol americano, también salen del campo en ocasiones, durante los descansos, para ponerse máscaras de oxígeno y obtener una estimulación en su juego. El efecto farmacológico es dudoso y el efecto placebo es la explicación más factible.[87]​ Existen estudios que respaldan esa estimulación con mezclas de O2 enriquecido, pero solo si se inhalan durante el ejercicio aeróbico.[88]

Industria

 
La mayor parte del O2 producido con propósito comercial se utiliza para la fundición del Hierro en acero.

La fundición de mena de hierro en acero consume el 55 % del oxígeno producido comercialmente.[40]​ En este proceso, el O2 es inyectado mediante una lanza de alta presión en el molde de hierro, que expulsa las impurezas de Azufre y el exceso de Carbono, en forma de sus respectivos óxidos, SO2 y CO2. Las reacciones son exotérmicas y la temperatura asciende hasta los 1700 Cº.[40]

Otro 25 % de este oxígeno se dedica a la industria química.[40]​ El etileno reacciona con el O2 para crear óxido de etileno[89]​, que, a su vez, se convierte en etilenglicol, el material usado como base para fabricar una gran variedad de productos, entre otros los anticongelantes y los polímeros de poliéster (los precursores de muchos plásticos y textiles).[40]​ Se utiliza oxígeno o aire en el proceso de oxi-craqueo[90]​, para la producción de ácido acrílico[91][92][93]​, diformil-furano[94]​ y ácido bencílico[95]​. Por otro lado, la síntesis electroquímica de peróxido de hidrógeno a partir de oxígeno es una tecnología prometedora para reemplazar el proceso de hidroquinona utilizado actualmente. Por último, pero no menos importante, la oxidación catalítica se utiliza en posquemadores para eliminar gases peligrosos[96][97]​.

El oxígeno se usa en el oxicorte quemando acetileno con O2 para producir una llama muy caliente. En este proceso, el metal de hasta 60 centímetros de grosor se calienta primero con una pequeña llama de oxiacetileno para después ser rápidamente cortado por un gran chorro de O2.[98]

Ciencia

 
500 millones de años de cambio climático comparados con el nivel de 18O.

Los paleoclimatólogos miden la relación entre el oxígeno-18 y el oxígeno-16 en los esqueletos y exoesqueletos de los organismos marinos para determinar cómo era el clima hace millones de años. Las moléculas de agua de mar que contienen el isótopo más ligero, el oxígeno-16, se evaporan a un ritmo ligeramente mayor que las moléculas que contienen oxígeno-18 (un 12 % más pesado); esta disparidad se incrementa a bajas temperaturas.[99]​ En periodos con una temperatura global más baja, la nieve y la lluvia procedentes de esa agua evaporada tienden a ser más ricas en oxígeno-16, mientras que el agua marina que queda tiende a serlo en oxígeno-18. Los organismos marinos, por tanto, incorporan más oxígeno-18 en sus esqueletos y exoesqueletos de lo que harían en un medio más cálido.[99]​ Los paleoclimatólogos también miden directamente esta relación en las moléculas de agua de muestras de núcleo de hielo que se han conservado durante varios cientos de miles de años.

Los geólogos planetarios han medido las diferencias en la abundancia de isótopos de oxígeno en muestras de la Tierra, la Luna, Marte y meteoritos, pero no han estado lejos de poder obtener valores de referencia para las relaciones entre isótopos del Sol, que se creen iguales a aquellas de la nebulosa protosolar. Sin embargo, el análisis de una oblea de Silicio expuesta al viento solar en el espacio y devuelta a la Tierra por la sonda Génesis desveló que el Sol tiene una proporción de oxígeno-16 mayor que nuestro planeta. La medición implica que un proceso desconocido agotó el oxígeno-16 del disco protoplanetario del Sol antes de la fusión de los granos de polvo que formaron la Tierra.[100]

El oxígeno presenta dos bandas de absorción espectrofotométrica con máximos en longitudes de onda de 687 y 760 nanómetros. Algunos científicos de detección remota han propuesto usar la medición del resplandor procedente de los doseles de vegetación en aquellas bandas para caracterizar la salud de las plantas desde una plataforma satelital.[101]​ Esta aproximación explota el hecho de que en esas bandas es posible distinguir la reflectividad de la vegetación de su fluorescencia, que es mucho más débil. La medición tiene una alta dificultad técnica, debido a la baja relación señal/ruido y la estructura física de la vegetación, pero se ha propuesto como un posible método de monitoreo del ciclo del carbono desde satélites a escala global.

Compuestos

 
El agua (H2O) es el compuesto de oxígeno más familiar.

El estado de oxidación del oxígeno es -2 en casi todos los compuestos conocidos del oxígeno. Por su parte, el estado de oxidación -1 se encuentra en unos cuantos compuestos, como los peróxidos.[102]​ Los compuestos en otro estado de oxidación son muy poco comunes: −1/2 (superóxidos), −1/3 (ozónidos), 0 (elemental, hipofluoroso), +1/2 (dioxigenil), +1 (difluoruro de dioxígeno) y +2 (difluoruro de oxígeno).

Óxidos y otros compuestos inorgánicos

El agua (H2O) es el óxido de hidrógeno y es el compuesto de oxígeno más común. Los átomos de hidrógeno están enlazados covalentemente al oxígeno en la molécula de agua, pero también tienen una atracción adicional (sobre 23,3 kJ•mol−1 por átomo de hidrógeno) con un átomo de oxígeno adyacente de una molécula diferente.[103]​ Estos enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua las mantienen aproximadamente un 15 % más cerca de lo que sería esperable en un líquido simple solo con las fuerzas de Van der Waals.[104][nota 13]

 
Los óxidos, como el óxido de hierro o el orín, 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 a temperaturas elevadas para dar los óxidos correspondientes. Sin embargo, algunos elementos forman óxidos directamente a condiciones normales de presión y temperatura, como el orín formado del Hierro. La superficie de metales como el aluminio y el titanio se oxidan en presencia del aire y se cubren con una fina capa de óxido que pasiva el metal y ralentiza la corrosión. Algunos de los óxidos metálicos de transición se encuentran en la naturaleza como compuestos no estequiométricos, con ligeramente menos metal de lo que la fórmula química sugiere. Por ejemplo, el FeO (wustita), que se forma de manera natural, se escribe en realidad como Fex-1O, donde la «x» está normalmente en torno a 0,05.[105]

El oxígeno como compuesto está presente en la atmósfera en pequeñas cantidades en forma de dióxido de carbono (CO2). La roca de la corteza terrestre se compone de grandes partes de óxidos de Silicio (dióxido de silicio SiO2, que se encuentra en el granito y la arena), aluminio (alúmina Al2O3, en la bauxita y el corindón), hierro (óxido férrico Fe2O3, en la hematita y el orín) y calcio (carbonato cálcico CaCO3, en la caliza). El resto de la corteza terrestre se compone también de compuestos de oxígeno, en particular varios silicatos complejos. En el manto terrestre, de una masa mucho mayor que la corteza, abundan los silicatos de hierro y Magnesio.

Los silicatos solubles en agua con las formas Na4SiO4, Na2SiO3 y Na2Si2O5 se utilizan como detergentes y adhesivos.[106]​ El oxígeno también actúa como ligazón para metales de transición, formando enlaces de O2 metálico con el átomo de iridio en el complejo de Vaska,[107]​ con el platino en el PtF6[108]​ y con el centro de hierro en el grupo hemo de la hemoglobina.

Compuestos orgánicos y biomoléculas

 
La acetona es un material importante para la industria química.      Oxígeno      Carbono      Hidrógeno.
 
El oxígeno representa más del 40 % de la masa molecular de la molécula de la ATP.

Entre las clases más importantes de compuestos orgánicos que contienen oxígeno están los siguientes (donde «R» es un grupo orgánico): alcoholes (R-OH), éteres (R-O-R), 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-C(O)-NR2). Hay muchos disolventes orgánicos importantes que contienen oxígeno, entre ellos: acetona, metanol, etanol, alcohol isopropílico, furano, tetrahidrofurano, éter etílico, dioxano, etanoato de etilo, dimetilformamida, dimetilsulfóxido, ácido acético y ácido fórmico. La acetona (CH3(CO)CH3) y el fenol (C6H5OH) se usan como materiales en la síntesis de muchas sustancias diferentes. Otros compuestos orgánicos importantes que contienen oxígeno son: glicerol, formaldehído, glutaraldehído, ácido acético y acetamida. Los epóxidos son éteres en los que el átomo de oxígeno forma parte de un anillo de tres átomos.

El oxígeno reacciona espontáneamente con muchos compuestos orgánicos a temperatura ambiente o inferior, en un proceso llamado autooxidación.[109]​ La mayor parte de los compuestos orgánicos que contienen oxígeno no se producen por la acción directa del O2. Los compuestos orgánicos importantes en la industria y el comercio producidos por oxidación directa de un precursor incluyen al óxido de etileno y el ácido peracético.[106]

El elemento se encuentra en casi todas las biomoléculas importantes para (o generadas por) la vida. Solo unas cuantas biomoléculas complejas comunes, como el escualeno y el caroteno, no contienen oxígeno. De los compuestos orgánicos con relevancia biológica, los carbohidratos contienen la mayor proporción de oxígeno en su masa. Todas las grasas, ácidos grasos, aminoácidos y proteínas contienen oxígeno (debido a la presencia de grupos carbonilos en esos ácidos y sus residuos de éster). El oxígeno también está presente en grupos de fosfato (PO4-3) en las moléculas biológicamente importantes que transportan energía, ATP y ADP, en la columna vertebral y las purinas (excepto la adenina y las pirimidinas de ARN y ADN) y en los huesos como fosfato cálcico e hidroxiapatita.

Seguridad y precauciones

Toxicidad

 
Los principales síntomas de la toxicidad del oxígeno.[110]
 
La toxicidad del oxígeno tiene lugar cuando los pulmones toman una presión parcial del O2 mayor de lo normal, lo que puede suceder durante el buceo.

El O2 gaseoso puede ser tóxico a presiones parciales elevadas, produciendo convulsiones y otros problemas de salud.[85][nota 14][111]​ La toxicidad generalmente comienza a aparecer con presiones parciales de más de 50 kPa o 2,5 veces la presión parcial del O2 a nivel del mar (21 kPa; igual a alrededor del 50 % de la composición del oxígeno a presión normal). Esto no resulta un problema excepto para pacientes con ventilación mecánica, debido a que el gas administrado a través de las máscaras de oxígeno se compone típicamente de solo un 30 %-50 % de O2 por volumen (sobre 30 kPa a presión normal), aunque estas cifras varían sensiblemente dependiendo del tipo de máscara.[58]

Durante un tiempo, los bebés prematuros se colocaban en incubadoras que contenían aire rico en O2, pero esta práctica cesó después de que algunos de estos niños perdieran la visión.[58][112]

La respiración de O2 puro en aplicaciones espaciales, como en algunos trajes aeroespaciales modernos o en naves pioneras como la Apolo, no causa daños debido a las bajas presiones totales utilizadas.[83][113]​ En el caso de los trajes, la presión parcial del O2 en el gas respiratorio se encuentra, en general, sobre 30 kPa (1,4 veces lo normal) y la presión parcial resultante en la sangre arterial del astronauta solo está marginalmente por encima de lo normal al nivel del mar.

La toxicidad del oxígeno para los pulmones y el sistema nervioso central también puede darse en el buceo profundo y en el buceo profesional.[58][85]​ La respiración prolongada de una mezcla de aire con una presión parcial de O2 mayor a 60 kPa puede llegar a producir una fibrosis pulmonar permanente.[114]​ La exposición a presiones parciales superiores a 160 kPa (~1,6 atmósferas) podría causar convulsiones, normalmente fatales para los buzos. La toxicidad aguda puede producirse al respirar una mezcla de aire con más de un 21 % de O2 a 66 o más metros de profundidad; lo mismo puede ocurrir al respirar un 100 % de O2 a solo 6 metros.[114][115][116][117]

Combustión y otros riesgos

 
El interior del módulo de mando del Apolo 1. El O2 puro a una presión mayor de lo normal y una chispa produjeron un incendio y la consiguiente pérdida de la tripulación.

Las fuentes de oxígeno que están altamente concentradas estimulan una rápida combustión. Los riesgos de fuego y explosión se dan cuando los oxidantes concentrados y los combustibles se sitúan demasiado cerca entre sí; sin embargo, la ignición, ya sea por el calor o por una chispa, es necesaria para iniciar la combustión.[118]​ El oxígeno en sí mismo no es un combustible, sino un oxidante. Los riesgos de la combustión también se aplican a compuestos de oxígeno de alto potencial oxidante, como los peróxidos, cloratos, nitratos, percloratos y dicromatos, porque pueden dar oxígeno al fuego.

El O2 concentrado permite una combustión rápida y enérgica.[118]​ Las tuberías y los recipientes de acero usados para almacenar y trasmitir tanto el oxígeno líquido como el gaseoso actúan como combustible; por tanto, el diseño y la fabricación de los sistemas de O2 requieren una atención especial para asegurar que las fuentes de ignición se minimizan.[118]​ El incendio que acabó con la vida de la tripulación del Apolo 1 en una prueba en la plataforma de lanzamiento se extendió tan rápidamente debido a que la cápsula estaba presurizada con O2 puro, pero a una presión ligeramente mayor que la atmosférica, en lugar de una presión de 1/3 de la normal que debía usarse en la misión.[nota 15][119]

En caso de un derrame de oxígeno líquido, si este llega a empaparse en materia orgánica como madera, productos petroquímicos y asfalto puede provocar que estos materiales detonen de forma impredecible al sufrir un impacto mecánico posterior.[118]​ Al igual que otros líquidos criogénicos, en contacto con el cuerpo humano puede causar congelamiento en piel y ojos.

Véase también

Notas al pie

  1. Un orbital es un concepto de mecánica cuántica que modela un electrón como una dualidad onda-partícula que tiene una distribución espacial alrededor de un átomo o molécula.
  2. El paramagnetismo del oxígeno puede usarse analíticamente en analizadores de oxígeno gaseoso paramagnético que determinan la puridad del gas.[14]
  3. En química inorgánica, el término clúster se utiliza para indicar un compuesto caracterizado por la presencia de uno o más enlaces metálicos.
  4. Las cifras ofrecidas son para valores de hasta 80 km sobre la superficie.
  5. De The Chemistry and Fertility of Sea Waters, de H.W. Harvey, 1955, citando a C.J.J. Fox, On the coefficients of absorption of atmospheric gases in sea water, Publ. Circ. Cons. Explor. Mer, no. 41, 1907. Sin embargo, Harvey sostiene que, de acuerdo a artículos posteriores en Nature, los valores parecen estar sobrestimados en un 3 %.
  6. Las membranas tilacoides son parte del cloroplasto en las algas y plantas, mientras que son una mera estructura membranosa más de las muchas que tienen las cianobacterias. De hecho, se cree que los cloroplastos han evolucionado desde las cianobacterias que una vez fueron compañeros simbióticos de los predecesores de las plantas y algas.
  7. La oxidación del agua se cataliza por un complejo de enzimas que contiene manganeso, conocido como complejo enzimático capaz de lisar agua, que se encuentra asociado con el lumen de los discos tilacoides. El manganeso es un cofactor importante y el calcio y el cloro son también necesarios para que la reacción pueda suceder.[44]
  8. En humanos, el volumen normal es de 6 a 8 litros por minuto.[45]
  9. (1,8 gramos/min/persona)×(60 min/h)×(24 h/día)×(365 días/año)×(6600 millones de personas)/1 000 000 g/t=6240 millones de toneladas.
  10. Derivado de los valores mmHg usando 0,133322 kPa/mmHg.
  11. Sin embargo, estos resultados se ignoraron en su mayor parte hasta 1860. Parte de este rechazo se debía a la creencia de que los átomos de un elemento no tendrían afinidad química hacia átomos del mismo elemento, y otra parte se debía a las aparentes excepciones a la Ley de Avogadro que no habían sido explicadas en términos de disociación de moléculas.
  12. La razón es que, incrementando la proporción de oxígeno en el gas respiratorio a baja presión, aumenta la presión parcial del O2 inspirado hasta cerca de la del nivel del mar.
  13. También, debido a la mayor electronegatividad del oxígeno respecto al hidrógeno, la diferencia en la carga la convierte en una molécula polar. Las interacciones entre los diferentes dipolos de cada molécula causan una fuerza de atracción global.
  14. Ya que la presión parcial del O2 es la proporción de O2 multiplicado por la presión total, la elevada presión parcial puede ocurrir bien por una alta concentración de O2 en el gas respiratorio, bien por la alta presión del gas o por una combinación de ambas.
  15. No se identificó de manera concluyente ninguna fuente de ignición en el incendio, aunque algunas pruebas lo achacan desde a un arco eléctrico hasta a una chispa (Informe del Apollo 204 Review Board NASA Historical Reference Collection, NASA History Office, NASA HQ, Washington, DC).

Referencias

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Bibliografía complementaria

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Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Oxígeno.
  • Enciclopedia Libre.
  • Los Álamos National Laboratory - Oxygen (en inglés).
  • WebElements.com - Oxygen (en inglés).
  • EnvironmentalChemistry.com - Oxygen (en inglés).
  • It's Elemental - Oxygen (en inglés).
  • (en inglés).
  • Oxygen Toxicity (en inglés).


  •   Datos: Q629
  •   Multimedia: Oxygen
  •   Citas célebres: Oxígeno

oxígeno, este, artículo, trata, sobre, elemento, químico, para, otros, usos, este, término, véase, desambiguación, para, molécula, véase, dioxígeno, oxígeno, elemento, químico, número, atómico, representado, símbolo, nombre, proviene, raíces, griegas, ὀξύς, ox. Este articulo trata sobre el elemento quimico O Para otros usos de este termino vease Oxigeno desambiguacion Para la molecula O2 vease Dioxigeno El oxigeno es un elemento quimico de numero atomico 8 y representado por el simbolo O Su nombre proviene de las raices griegas ὀ3ys oxys acido literalmente punzante en referencia al sabor de los acidos y gonos gonos productor literalmente engendrador es decir productor de acidos 1 porque en la epoca en que se le dio esta denominacion se creia incorrectamente que todos los acidos requerian oxigeno para su composicion En condiciones normales de presion y temperatura dos atomos del elemento se enlazan para formar el dioxigeno un gas diatomico incoloro inodoro e insipido con formula O2 Esta sustancia constituye una importante parte de la atmosfera y resulta necesaria para sostener la vida terrestre Nitrogeno Oxigeno Fluor 8 O Tabla completa Tabla ampliadaIncoloroInformacion generalNombre simbolo numeroOxigeno O 8Serie quimicaNo metalesGrupo periodo bloque16 2 pMasa atomica15 9994 uConfiguracion electronica He 2s22p4Electrones por nivel2 6 imagen Propiedades atomicasElectronegatividad3 44 escala de Pauling Radio atomico calc 60 48 pm radio de Bohr Radio covalente73 pmRadio de van der Waals152 pmEstado s de oxidacion 2 1 neutro 1 ª energia de ionizacion1313 9 kJ mol2 ª energia de ionizacion3388 3 kJ mol3 ª energia de ionizacion5300 5 kJ mol4 ª energia de ionizacion7469 2 kJ molPropiedades fisicasEstado ordinarioGas paramagnetico Densidad1 429 kg m3Punto de fusion50 35 K 223 C Punto de ebullicion90 18 K 183 C Entalpia de vaporizacion6 8061 kJ molEntalpia de fusion0 4384 kJ molVolumen molar17 36 10 3 m3 molVariosEstructura cristalinacubicaCalor especifico920 J K kg Conductividad termica0 026 74 W K m Velocidad del sonido317 5 m s a 293 15 K 20 C Isotopos mas establesArticulo principal Isotopos del oxigenoiso AN Periodo MD Ed PDMeV16O99 762 Estable con 8 neutrones17O0 038 Estable con 9 neutrones18O0 2 Estable con 10 neutronesValores en el SI y condiciones normales de presion y temperatura salvo que se indique lo contrario editar datos en Wikidata Forma parte del grupo de los anfigenos en la tabla periodica y es un elemento no metalico altamente reactivo que forma facilmente compuestos especialmente oxidos con la mayoria de elementos excepto con los gases nobles helio y neon Asimismo es un fuerte agente oxidante y tiene la segunda electronegatividad mas alta de todos los elementos solo superada por el fluor 2 Medido por su masa el oxigeno es el tercer elemento mas abundante del universo tras el hidrogeno y el helio 3 y el mas abundante en la corteza terrestre ya que forma practicamente la mitad de su masa 4 Debido a su reactividad quimica no puede permanecer en la atmosfera terrestre como elemento libre sin ser reabastecido constantemente por la accion fotosintetica de los organismos que utilizan la energia solar para producir oxigeno elemental a partir del agua El oxigeno elemental O2 solamente empezo a acumularse en la atmosfera despues de la aparicion de estos organismos aproximadamente hace 2500 millones de anos 5 El oxigeno diatomico constituye el 20 8 del volumen de la atmosfera terrestre 6 Dado que constituye la mayor parte de la masa del agua es tambien el componente mayoritario de la masa de los seres vivos Muchas de las moleculas mas importantes que forman parte de los seres vivos como las proteinas los acidos nucleicos los carbohidratos y los lipidos contienen oxigeno asi como los principales compuestos inorganicos que forman los caparazones dientes y huesos animales El oxigeno elemental se produce por cianobacterias algas y plantas y todas las formas complejas de vida lo usan para su respiracion celular Resulta toxico para los organismos de tipo anaerobio obligado las formas tempranas de vida que predominaban en la Tierra hasta que el O2 comenzo a acumularse en la atmosfera Otra forma alotropa del oxigeno el ozono O3 ayuda a proteger la biosfera de la radiacion ultravioleta a gran altitud en la llamada capa de ozono pero es contaminante cerca de la superficie donde es un subproducto del esmog A altitudes aun mayores de la orbita baja terrestre el oxigeno atomico tiene una presencia significativa y causa erosion en las naves espaciales 7 Carl Wilhelm Scheele descubrio el oxigeno de forma independiente en Upsala en 1773 o incluso antes y Joseph Priestley en Wiltshire en 1774 pero el honor suele adjudicarsele a Priestley debido a que publico su trabajo antes Antoine Lavoisier cuyas investigaciones ayudaron a desacreditar la entonces popular teoria del flogisto de combustion y corrosion acuno el nombre oxigeno en 1777 8 Este se produce industrialmente mediante la destilacion fraccionada de aire licuado el uso de zeolita con ciclos de presion para concentrar el oxigeno del aire la electrolisis del agua y otros medios El oxigeno se utiliza en la produccion de acero plasticos y textiles los propulsores de cohetes la oxigenoterapia y la asistencia para la respiracion en aeronaves submarinos vuelos espaciales y submarinismo Indice 1 Caracteristicas 1 1 Estructura 1 2 Alotropos 1 3 Propiedades fisicas 1 4 Isotopos y origen estelar 1 5 Abundancia 2 Rol biologico 2 1 Fotosintesis y respiracion 2 2 Contenido en el cuerpo 2 3 Acumulacion en la atmosfera 3 Historia 3 1 Primeros experimentos 3 2 Teoria del flogisto 3 3 Descubrimiento 3 4 Contribucion de Lavoisier 3 5 Historia posterior 4 Produccion industrial 5 Usos y aplicaciones 5 1 Medicina 5 2 Apoyo vital y uso recreativo 5 3 Industria 5 4 Ciencia 6 Compuestos 6 1 oxidos y otros compuestos inorganicos 6 2 Compuestos organicos y biomoleculas 7 Seguridad y precauciones 7 1 Toxicidad 7 2 Combustion y otros riesgos 8 Vease tambien 9 Notas al pie 10 Referencias 11 Bibliografia complementaria 12 Enlaces externosCaracteristicas EditarEstructura Editar Tubo de descarga lleno de oxigeno puro Un hilo de oxigeno liquido se desvia por un campo magnetico ilustrando su propiedad paramagnetica En condiciones normales de presion y temperatura el oxigeno es un gas incoloro e inodoro con formula molecular O2 en el que dos atomos de oxigeno se enlazan con una configuracion electronica en estado triplete Este enlace tiene un orden de enlace de dos y se suele simplificar en las descripciones como un enlace doble 9 o como una combinacion de un enlace de dos electrones y dos enlaces de tres electrones 10 El oxigeno triplete no debe confundirse con el ozono O3 es el estado fundamental de la molecula O2 11 que cuenta con dos electrones desparejados que ocupan dos orbitales moleculares degenerados nota 1 Estos orbitales se clasifican como antienlaces debilitan el orden de enlace de tres a dos de manera que el enlace del dioxigeno es mas debil que el triple enlace del nitrogeno diatomico en el que todos los orbitales de los enlaces moleculares se rellenan pero algunos orbitales de antienlace no lo estan 11 Oxigeno en estado liquido En su forma normal de triplete las moleculas de O2 son paramagneticas es decir que en presencia de un campo magnetico forman un iman debido al momento magnetico del espin de los electrones desparejados en la molecula y la interaccion de canje negativa entre moleculas de O2 contiguas 12 Un iman atrae al oxigeno liquido hasta tal punto que en demostraciones de laboratorio un hilo de oxigeno liquido puede sostenerse contra su propio peso entre los polos de un iman potente 13 nota 2 El oxigeno molecular singlete es un nombre dado a varias especies de O2 de mayor energia en las que todos los espines de los electrones se emparejan Es mucho mas reactivo con moleculas organicas habituales que el oxigeno molecular en si mismo En la naturaleza el oxigeno singlete se suele formar con el agua en la fotosintesis usando la energia solar 15 Tambien se produce en la troposfera a causa de la fotolisis del ozono por la luz de onda corta 16 asi como por el sistema inmunitario como una fuente de oxigeno activo 17 En los organismos fotosinteticos y posiblemente tambien en los animales los carotenoides juegan un papel fundamental en la absorcion de energia del oxigeno singlete y la conversion de este a su estado no excitado antes de que pueda causar dano a los tejidos 18 Energia de disociacionEnergia de disociacion de las moleculas diatomicas O X a 25 C en kJ mol en condiciones de laboratorio 19 H429 91 HeLi340 5 Be437 B809 C1076 38 N631 62 O498 36 F220 NeNa270 Mg358 2 Al501 9 Si799 6 P589 S517 9 Cl267 47 ArK271 5 Ca383 3 Sc671 4 Ti666 5 V637 Cr461 Mn362 Fe407 Co397 4 Ni366 Cu287 4 Zn250 Ga374 Ge657 5 As484 Se429 7 Br237 6 Kr8Rb276 Sr426 3 Y714 1 Zr766 1 Nb726 5 Mo502 Tc548 Ru528 Rh405 Pd238 1 Ag221 Cd236 In346 Sn528 Sb434 Te377 I233 4 Xe36 4Cs293 Ba562 Hf801 Ta839 W720 Re627 Os575 Ir414 Pt418 6 Au223 Hg269 Tl213 Pb382 4 Bi337 2 Po At RnFr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og La798 Ce790 Pr740 Nd703 Pm Sm573 Eu473 Gd715 Tb694 Dy615 Ho606 Er606 Tm514 Yb387 7 Lu669 Ac794 Th877 Pa792 U755 Np731 Pu656 1 Am553 Cm732 Bk598 Cf498 Es460 Fm443 Md418 No268 Lr665 Alotropos Editar El ozono es un gas poco comun en la Tierra y se encuentra en su mayor parte en la estratosfera Articulo principal Alotropos del oxigeno El alotropo mas normal del oxigeno elemental es el llamado dioxigeno O2 que tiene una longitud de enlace de 121 pm y una energia de enlace de 498 kJ mol 1 20 Esta es la forma que usan las formas de vida complejas como los animales en su respiracion celular vease rol biologico y es la forma que tiene una gran importancia en la composicion de la atmosfera terrestre vease Abundancia El trioxigeno O3 se conoce habitualmente como ozono y es un alotropo muy reactivo danino para el tejido pulmonar 21 El ozono se produce en la atmosfera superior cuando el O2 se combina con el oxigeno atomico a causa de la division del O2 por la radiacion ultravioleta 8 Ya que el ozono es un poderoso absorbente en la region ultravioleta del espectro electromagnetico la capa de ozono de la atmosfera superior funciona como un escudo protector de la radiacion que recibe el planeta 8 Cerca de la superficie terrestre no obstante es un contaminante formado como subproducto de las emisiones de automoviles 21 La molecula metaestable del tetraoxigeno O4 no fue descubierta hasta 2001 22 23 y se dio por descontado que existia en una de las seis fases del oxigeno solido En 2006 se demostro que esta fase creada mediante la presurizacion del O2 a 20 GPa es de hecho un cluster nota 3 O8 de sistema trigonal 24 Este cluster tiene potencial para ser un oxidante mucho mas potente que el O2 y el O3 y podria por tanto ser usado como propulsor de cohetes 22 23 En 1990 se descubrio una fase metalica cuando el oxigeno solido se somete a una presion superior a 96 GPa 25 y se demostro en 1998 que a temperaturas muy bajas se convierte en superconductor 26 Propiedades fisicas Editar En la fase tardia de la vida de una estrella masiva el 16O se concentra en la capa O el 17O lo hace en la capa H y el 18O en la capa He El agua fria contiene mas O2 disuelto Veanse tambien Oxigeno liquidoy Oxigeno solido El oxigeno es mas soluble en agua que el nitrogeno esta contiene aproximadamente una molecula de O2 por cada dos moleculas de N2 27 comparado con la proporcion en la atmosfera que viene a ser de 1 4 La solubilidad del oxigeno en el agua depende de la temperatura disolviendose alrededor del doble 14 6 mg L 1 a 0 C que a 20 C 7 6 mg L 1 12 28 A 25 C y 1 atmosfera de presion el agua dulce contiene alrededor de 6 04 mililitros ml de oxigeno por litro mientras que el agua marina contiene alrededor de 4 95 ml por litro 29 A 5 C la solubilidad se incrementa hasta 9 0 ml un 50 mas que a 25 C por litro en el agua y 7 2 ml 45 mas en el agua de mar El oxigeno 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 30 Tanto el O2 liquido como el solido son sustancias con un suave color azul cielo causado por la absorcion en el rojo en contraste con el color azul del cielo que se debe a la dispersion de Rayleigh de la luz azul El O2 liquido de gran pureza se suele obtener a traves de la destilacion fraccionada de aire licuado 31 El oxigeno liquido tambien puede producirse por condensacion del aire usando nitrogeno liquido como refrigerante Es una sustancia altamente reactiva y debe separarse de materiales inflamables 32 Isotopos y origen estelar Editar Articulo principal Isotopos del oxigeno El oxigeno que encontramos en la naturaleza se compone de tres isotopos estables 16O 17O y 18O de los que el 16O es el mas abundante 99 762 de abundancia natural 33 La mayor parte del 16O se sintetiza al final del proceso de combustion del helio en una estrella masiva pero otra parte se produce en el proceso de combustion del neon 34 El 17O surge fundamentalmente por la combustion del hidrogeno en helio durante el ciclo CNO convirtiendolo en un isotopo comun en las zonas de combustion de hidrogeno en las estrellas 34 Por su parte la mayoria del 18O se produce cuando el 14N que abunda debido a la combustion CNO captura un nucleo de 4He lo que origina una gran abundancia de 18O en las zonas ricas en helio de las estrellas masivas 34 Se han caracterizado catorce radioisotopos de los que los mas estables son el 15O con un periodo de semidesintegracion de 70 606 segundos 33 Todos los restantes isotopos radiactivos tienen periodos de semidesintegracion inferiores a 27 segundos y la mayor parte de estos inferiores a 83 milisegundos 33 La forma de descomposicion de los isotopos mas ligeros que el 16O es la descomposicion b 35 36 37 para producir nitrogeno y para los mas pesados que el 18O la desintegracion beta para formar fluor 33 Abundancia Editar La nebulosa Ojo de Gato tiene regiones ricas en oxigeno ionizado mostrado de color verde en la imagen Veanse tambien Silicato Metalicidad Cosmoquimicay Astroquimica El oxigeno es el elemento quimico mas abundante por masa en la biosfera el aire el mar y el suelo terrestres Es asimismo el tercero mas abundante en el universo tras el hidrogeno y el helio 3 Alrededor del 0 9 de la masa del Sol es oxigeno 6 que constituye tambien el 49 2 de la masa de la corteza terrestre 4 y es el principal componente de los oceanos de la Tierra 88 8 de su masa total 6 El oxigeno gaseoso es el segundo componente mas abundante en la atmosfera terrestre ya que supone un 20 8 de su volumen y el 23 1 de su masa unas 1015 toneladas 6 38 nota 4 La Tierra es una excepcion entre los planetas del Sistema Solar por la alta concentracion de oxigeno gaseoso en su atmosfera por ejemplo Marte con un 0 1 de O2 del total de su volumen y Venus tienen concentraciones mucho menores Sin embargo el O2 que rodea a estos planetas proviene exclusivamente de la reaccion que sufren moleculas que contienen oxigeno como el dioxido de carbono por efecto de la radiacion ultravioleta La inusualmente alta concentracion de oxigeno gaseoso en la Tierra es el resultado del ciclo de circulacion Este ciclo biogeoquimico describe el movimiento del oxigeno en el interior de sus tres principales reservas en el planeta la atmosfera la biosfera y la litosfera El factor de conduccion mas importante en este ciclo es la fotosintesis responsable de la atmosfera moderna de la Tierra que libera oxigeno en la atmosfera mientras que los procesos de respiracion y descomposicion lo eliminan En el equilibrio actual la produccion y el consumo tienen lugar con un ratio aproximado de 1 2000 de la totalidad del oxigeno atmosferico por ano Los diez elementos mas comunes en la Via Lactea estimados estereoscopicamente 39 Z Elemento Fraccion masica en partes por millon1 hidrogeno 739 0002 helio 240 0008 Oxigeno 10 4006 Carbono 460010 neon 134026 Hierro 10907 nitrogeno 96014 Silicio 65012 Magnesio 58016 Azufre 440 El oxigeno no combinado tambien se da en soluciones en las masas de agua del planeta La mayor solubilidad del O2 a baja temperatura vease Propiedades fisicas tiene implicaciones importantes para la vida marina ya que los oceanos polares sostienen una densidad de vida mucho mayor debido a su superior contenido de oxigeno nota 5 La cantidad de O2 en el agua puede haberse visto reducida por la contaminacion hidrica debido a la accion de la descomposicion de las algas y otros biomateriales por un proceso llamado eutrofizacion Los cientificos evaluan este aspecto de la calidad del agua a traves de la medicion de su demanda biologica de oxigeno o cantidad de O2 necesaria para restaurarla a una concentracion normal 40 Rol biologico EditarFotosintesis y respiracion Editar La fotosintesis divide el agua para liberar O2 y une el CO2 al azucar El oxigeno es liberado por las bacterias fotosinteticas las algas y las plantas mediante la fotosintesis En el proceso inverso los organismos aerobios mediante la respiracion usan el oxigeno para convertir los nutrientes en energia ATP La disminucion de oxigeno provoca hipoxemia y su falta total anoxia lo que puede provocar la muerte del organismo En la naturaleza el oxigeno no combinado se produce por la fotodescomposicion del agua durante la fotosintesis Segun algunas estimaciones las algas verdes y las cianobacterias de ambientes marinos proporcionan alrededor del 70 del producido en la Tierra y las plantas terrestres el resto 41 Unos investigadores estiman que la contribucion oceanica al oxigeno atmosferico es aun mayor mientras que otros la situan por debajo en torno a un 45 del oxigeno atmosferico total del planeta cada ano 42 Una formula global simplificada de la fotosintesis es 43 6 CO2 6 H2O fotones C6H12O6 6 O2 dioxido de carbono agua luz solar glucosa dioxigeno La evolucion fotolitica del oxigeno tiene lugar en las membranas tilacoides de los organismos fotosinteticos y requiere la energia de cuatro fotones nota 6 Estan implicados muchos procesos pero el resultado es la formacion de un gradiente de un proton a traves de la membrana tilacoide que se usa para sintetizar adenosin trifosfato ATP por la fotofosforilacion 44 El O2 restante tras la oxidacion de la molecula de agua se libera a la atmosfera nota 7 El dioxigeno molecular es esencial para la respiracion celular en todos los organismos aerobios ya que las mitocondrias lo usan para ayudar a generar adenosin trifosfato durante la fosforilacion oxidativa La reaccion para la respiracion aerobia es basicamente lo contrario que la fotosintesis y se simplifica de la siguiente forma C6H12O6 6 O2 6 CO2 6 H2O 2880 kJ mol 1 En los vertebrados el O2 se difunde por membranas pulmonares hacia los globulos rojos La hemoglobina envuelve el O2 y hace que cambie su color de un rojo azulado a un rojo brillante 21 el CO2 se libera desde otra parte de la hemoglobina mediante el efecto Bohr Otros animales usan la hemocianina moluscos y algunos artropodos o la hemeritrina aranas y langostas 38 Un litro de sangre puede disolver 200 cm de O2 38 Las especies reactivas de oxigeno como el ion superoxido O2 y el peroxido de hidrogeno son peligrosos subproductos del uso de oxigeno en los organismos 38 Algunas partes del sistema inmunitario de organismos mas avanzados sin embargo crean peroxido superoxido y oxigeno singlete para destruir microbios invasores Las especies reactivas de oxigeno tambien tienen un rol importante en la respuesta hipersensible de las plantas contra ataques patogenos 44 Un adulto humano en reposo respira de 1 8 a 2 4 gramos de oxigeno por minuto nota 8 Sumada la cantidad inhalada por todas las personas del planeta hace un total de 6000 millones de toneladas de oxigeno por ano nota 9 Contenido en el cuerpo Editar Presiones parciales del oxigeno en el cuerpo humano PO2 Unidad Presion alveolar delos gases pulmonares Oxigeno de la sangre arterial Gas sanguineo venosokPa nota 10 14 2 11 13 4 0 5 3mmHg 46 47 107 75 100 30 40El contenido de oxigeno en el cuerpo de un ser vivo es normalmente mayor en el sistema respiratorio y disminuye a lo largo de cualquier sistema arterial los tejidos perifericos y el sistema venoso respectivamente El contenido de oxigeno en este sentido se suele dar como la presion parcial que es la presion que tendria el oxigeno si ocupase por si solo el volumen de las venas 48 Acumulacion en la atmosfera Editar Acumulacion del O2 en la atmosfera terrestre 1 Sin produccion de O2 2 O2 producido pero absorbido en oceanos y rocas del fondo marino 3 El O2 comienza a salir de los oceanos pero es absorbido por la superficie terrestre y debido a la formacion de la capa de ozono 4 5 El O2 desciende y el gas se acumula El oxigeno gaseoso no combinado era casi inexistente en la atmosfera terrestre antes de la evolucion de las bacterias y arqueobacterias fotosinteticas Aparecio por primera vez en cantidades significativas durante el Paleoproterozoico hace alrededor de 2500 y 1600 millones de anos En un principio el oxigeno se combino con Hierro disuelto en los oceanos para crear formaciones de hierro bandeado Los oceanos comenzaron a exhalar oxigeno no combinado hace 2700 millones de anos y se alcanzo el 10 de su nivel actual hace unos 1700 millones de anos 49 La presencia de grandes cantidades de oxigeno no combinado disuelto en los oceanos y la atmosfera pudo haber conducido a la extincion de la mayoria de los organismos anaerobios que vivian entonces durante la Gran Oxidacion catastrofe del oxigeno hace unos 2400 millones de anos Sin embargo el uso de O2 en la respiracion celular permite producir a los organismos aerobios mucho mas ATP que los anaerobios lo que ayuda a los primeros a dominar la biosfera de la Tierra 50 La fotosintesis y la respiracion celular del O2 permitieron la evolucion de las celulas eucariotas y finalmente la aparicion de organismos multicelulares complejos como plantas y animales Desde el comienzo del periodo Cambrico hace 540 millones de anos los niveles de O2 han fluctuado entre el 15 y el 30 por volumen 51 Hacia finales del Carbonifero hace unos 300 millones de anos el nivel de O2 en la atmosfera alcanzo un volumen maximo del 35 51 que pudo haber contribuido al gran tamano de los insectos y anfibios de aquella epoca 52 La actividad humana aun si se considera la combustion de 7000 millones de toneladas de combustible fosil cada ano ha tenido un impacto muy pequeno en la cantidad de oxigeno combinado en la atmosfera 12 Con los niveles actuales de fotosintesis llevaria unos 2000 anos regenerar la cantidad total de O2 en la atmosfera actual 53 Historia EditarPrimeros experimentos Editar El experimento de Filon inspiro a investigadores posteriores Uno de los primeros experimentos conocidos sobre la relacion entre la combustion y el aire lo desarrollo el escritor sobre mecanica de la Antigua Grecia Filon de Bizancio en el S II a C En su obra Pneumatica Filon observo que al invertir un recipiente sobre una vela prendida y rodear el cuello de este con agua una parte del liquido subia por el cuello 54 Supuso de forma incorrecta que algunas partes del aire en el recipiente se convertian en elemento clasico del fuego y entonces era capaz de escapar a traves de poros en el cristal Muchos siglos despues Leonardo da Vinci observo que una porcion del aire se consume durante la combustion y la respiracion 55 A finales del S XVII Robert Boyle probo que el aire es necesario para la combustion El quimico ingles John Mayow perfecciono su trabajo mostrando que solo requeria de una parte del aire que llamo spiritus nitroaereus o simplemente nitroaereus 56 En un experimento descubrio que al colocar tanto un raton como una vela encendida en un contenedor cerrado sobre agua hacia que esta subiera y reemplazara un catorceavo del volumen del aire antes de que se apagara la vela o muriera el raton 57 Debido a esto supuso que el nitroaereus se consume tanto por la respiracion como por la combustion Mayow observo que el antimonio incrementaba su peso al calentarse e infirio que el nitroaereus debia haberse combinado con el 56 Penso tambien que los pulmones separaban el nitroaereus del aire y lo pasaban a la sangre y que el calor animal y el movimiento muscular eran producto de la reaccion del nitroaereus con ciertas sustancias en el cuerpo 56 Publico informes sobre estos experimentos y otras ideas en 1668 en su obra Tractatus duo en el tratado De respiratione 57 Teoria del flogisto Editar Articulo principal Teoria del flogisto Georg Stahl ayudo a desarrollar y popularizar la teoria del flogisto Robert Hooke Ole Borch Mijail Lomonosov y Pierre Bayen produjeron oxigeno durante experimentos entre los siglos XVII y XVIII pero ninguno de ellos lo reconocio como un elemento 58 Esto pudo deberse en parte a la prevalencia de la filosofia de la combustion y la corrosion denominada teoria del flogisto que por aquel entonces era la explicacion predilecta para esos procesos Esta teoria establecida en 1667 por el quimico aleman Johann Joachim Becher y modificada por el tambien quimico Georg Stahl en 1731 59 postulaba que todos los materiales combustibles constaban de dos partes una llamada flogisto que era emitida al quemar la sustancia en cuestion y otra denominada desflogisticada que se tenia por su verdadera forma o calx ceniza creta en latin 55 Los materiales altamente combustibles que dejan poco residuo como la madera o el carbon se creian hechos en su mayor parte por flogisto mientras las sustancias no combustibles que se corroen como el hierro contienen muy poco El aire no tenia ningun papel en la teoria del flogisto ni se realizaron experimentos cuantivativos para poner a prueba la idea por el contrario se basaba en observaciones de lo que sucedia cuando algo se quemaba los objetos mas comunes parecian volverse mas ligeros y perder algo en el proceso 55 El hecho de que una sustancia como la madera realmente ganara peso en su conjunto durante el quemado se ocultaba por la flotabilidad de los productos gaseosos de la combustion Una de las primeras pistas sobre la falsedad de la teoria del flogisto fue que los metales tambien ganaban peso en la oxidacion cuando supuestamente perdian flogisto Descubrimiento Editar Carl Wilhelm Scheele se adelanto a Priestley en el descubrimiento pero publico su trabajo con posterioridad El descubrimiento se le suele adjudicar a Joseph Priestley El oxigeno fue descubierto por el farmaceutico sueco Carl Wilhelm Scheele que produjo oxigeno gaseoso al calentar oxido de mercurio y varios nitratos alrededor de 1772 6 55 Scheele llamo al gas aire del fuego porque era el unico apoyo conocido para la combustion y escribio un informe de su descubrimiento en un manuscrito que titulo Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer Tratado quimico del aire y del fuego y envio a su editor en 1775 si bien no se publico hasta 1777 60 Entretanto el 1 de agosto de 1774 el clerigo britanico Joseph Priestley condujo un experimento en el que enfoco la luz solar sobre oxido de mercurio II HgO en el interior de un tubo de cristal lo que libero un gas que el llamo aire desflogisticado 6 Noto que las velas prendian mas vivamente en el gas y que el raton estaba mas activo y vivia mas tiempo mientras lo respiraba Tras inhalar el mismo el gas escribio La sensacion del gas en mis pulmones no era perceptiblemente diferente al del aire normal pero senti mi pecho particularmente ligero y desahogado durante un rato despues 58 Priestley publico sus hallazgos en 1775 en un articulo titulado An Account of Further Discoveries in Air Informe de mas descubrimientos en el aire que incluyo en el segundo volumen de su libro titulado Experiments and Observations on Different Kinds of Air 55 61 Debido a que publico sus hallazgos primero Priestley suele ser considerado el autor del descubrimiento El renombrado quimico frances Antoine Lavoisier reclamo posteriormente haber descubierto la sustancia de forma independiente No obstante Priestley visito a Lavoisier en octubre de 1774 y le hablo sobre su experimento y como habia liberado el nuevo gas Scheele tambien escribio una carta a Lavoisier el 30 de septiembre de ese mismo ano en la que describia su propio descubrimiento de la sustancia antes desconocida pero el frances nunca accedio a recibirla Despues de la muerte de Scheele se encontro una copia de la carta entre sus pertenencias 60 Contribucion de Lavoisier Editar Antoine Lavoisier desacredito la teoria del flogisto Aunque fue cuestionado en su epoca Lavoisier condujo los primeros experimentos cuantitativos adecuados sobre la oxidacion y dio la primera explicacion correcta acerca del funcionamiento de la combustion 6 Uso estos y otros experimentos similares que comenzaron en 1774 para desacreditar la teoria del flogisto y demostrar que la sustancia descubierta por Priestley y Scheele era un elemento quimico En un experimento Lavoisier observo que no se producia un incremento global en el peso cuando el estano y el aire se calentaban en un contenedor cerrado 6 Noto que cuando abrio el contenedor el aire entro subitamente en el lo que indicaba que parte del aire atrapado se habia consumido Tambien noto que el estano habia aumentado su peso y que el aumento era igual al del peso del aire que volvio al contenedor cuando lo abrio Este y otros experimentos sobre la combustion se documentaron en su libro Sur la combustion en general publicado en 1777 6 En esa obra probo que el aire es una mezcla de dos gases el aire esencial fundamental para la combustion y la respiracion y el azote del griego ἄzwton sin vida que no servia para ninguna de las dos y se denominaria posteriormente nitrogeno 6 Lavoisier renombro al aire esencial como oxigeno en 1777 desde las raices griegas ὀ3ys oxys acido literalmente punzante por el sabor de los acidos y genhs genes productor literalmente engendrador porque pensaba erroneamente que el oxigeno era un constituyente de todos los acidos 8 1 Los quimicos en particular sir Humphry Davy en 1812 al cabo de un tiempo determinaron que Lavoisier se equivoco en su apreciacion pues de hecho es el hidrogeno el que forma la base de los acidos pero el nombre ya se habia popularizado Historia posterior Editar Robert Goddard y un cohete de combustible de oxigeno liquido La hipotesis atomica original de John Dalton asumia que todos los elementos eran monoatomicos y que los atomos de los compuestos tendrian normalmente las relaciones atomicas mas simples Por ejemplo Dalton pensaba que la formula del agua era HO y presentaba la masa atomica del oxigeno como 8 veces la del hidrogeno en vez de 16 el valor que se le da hoy en dia 62 En 1805 Louis Joseph Gay Lussac y Alexander von Humboldt mostraron que el agua esta formada por dos volumenes de hidrogeno y uno de oxigeno y en 1811 Amedeo Avogadro dio con la correcta interpretacion de la composicion del liquido basado en la que hoy se denomina Ley de Avogadro y en la suposicion de moleculas diatomicas elementales 63 nota 11 A finales del S XIX los investigadores se dieron cuenta de que el aire podia licuarse y sus componentes aislarse mediante compresion y enfriamiento Utilizando un metodo de cascada el quimico y fisico suizo Raoul Pictet evaporo dioxido de azufre para licuar dioxido de carbono que por su parte era evaporado para enfriar el oxigeno gaseoso lo suficiente como para pasarlo a liquido Envio un telegrama a la Academia de Ciencias de Francia el 22 de diciembre de 1877 en el que anunciaba su descubrimiento del oxigeno liquido 64 Solo dos dias despues el fisico frances Louis Paul Cailletet anuncio su propio metodo para licuar oxigeno molecular 64 En ambos casos solo se produjeron unas pocas gotas del liquido por lo que no se pudo llevar a cabo un analisis concluyente El oxigeno fue licuado de forma estable por primera vez el 29 de marzo de 1883 por los cientificos polacos de la Universidad Jagellonica Zygmunt Wroblewski y Karol Olszewski 65 En 1891 el quimico escoces James Dewar pudo producir la suficiente cantidad de oxigeno liquido para estudiarlo 12 El primer proceso viable comercialmente para producir oxigeno liquido fue desarrollado en 1895 de forma independiente por los ingenieros Carl von Linde aleman y William Hampson britanico Redujeron la temperatura del aire hasta que se licuo y entonces destilaron los componentes gaseosos haciendolos bullir uno a uno y capturandolos 66 Mas tarde en 1901 la soldadura de oxiacetileno se demostro por primera vez al quemar una mezcla de acetileno y O2 comprimido Este metodo de soldadura y cortado del metal se convertiria despues en habitual 66 El fisico William Thomson en 1898 calculo que el oxigeno que permanece en el planeta tiene solo unos 400 o 500 anos basandose en el ritmo de uso de los combustibles fosiles en la combustion 67 68 En 1923 el cientifico estadounidense Robert Goddard se convirtio en la primera persona en desarrollar un motor cohete que usaba gasolina como combustible y oxigeno liquido como oxidante El 16 de marzo hizo volar con exito un pequeno cohete propulsado por combustible liquido durante 56 m a 97 km h en Auburn Massachusetts 66 69 Produccion industrial Editar El voltametro de Hofmann se usa en la electrolisis del agua Se emplean principalmente dos metodos para producir 100 millones de toneladas de O2 extraidas del aire para usos industriales cada ano 60 El mas comun consiste en destilar fraccionadamente aire licuado en sus diversos componentes con el N2 destilado como vapor y el O2 dejado como liquido 60 El otro metodo principal de obtencion de O2 gaseoso consiste en pasar un chorro de aire limpio y seco a traves de un lecho de tamices moleculares de zeolita que adsorben el nitrogeno y dejan pasar un chorro de gas que es de un 90 a un 93 O2 60 Simultaneamente el otro lecho de zeolita saturada de nitrogeno libera este gas al reducir la presion de funcionamiento de la camara e introducir en ella a contracorriente parte del oxigeno separado en el lecho productor Despues de cada ciclo completo los lechos se intercambian lo que permite un suministro constante de oxigeno Esto se conoce por adsorcion por oscilacion de presion y se utiliza para producir oxigeno a pequena escala 70 El oxigeno tambien puede producirse mediante la electrolisis del agua descomponiendola en oxigeno e hidrogeno para lo cual debe usarse una corriente continua si se usara una corriente alterna los gases de cada extremo consistirian en hidrogeno y oxigeno en la explosiva relacion 2 1 Contrariamente a la creencia popular la relacion 2 1 observada en la electrolisis de corriente continua del agua acidificada no demuestra que la formula empirica del agua sea H2O a menos que se asuman ciertas premisas sobre la formula molecular del hidrogeno y el oxigeno Un metodo similar es la evolucion electrocatalitica del O2 de oxidos a oxoacidos Tambien se pueden usar catalizadores quimicos como en el generador quimico de oxigeno o en las velas de oxigeno que se usan en el equipamiento de apoyo en submarinos y que aun son parte del equipamiento estandar en aerolineas comerciales para casos de despresurizacion Otra tecnologia de separacion del aire consiste en forzar la disolucion del aire a traves de membranas de ceramica basadas en dioxido de zirconio ya sea por alta presion o por corriente electrica para producir O2 gaseoso practicamente puro 40 Para grandes cantidades el precio del oxigeno liquido era en 2001 de aproximadamente 0 21 USD kg 71 El coste de la energia necesaria para licuar el aire supone el principal coste de produccion por lo cual el coste del oxigeno varia en funcion del precio de la energia Por razones de economia el oxigeno se suele transportar en grandes cantidades en estado liquido almacenado en tanques especialmente aislados ya que un litro de oxigeno licuado equivale a 840 litros de oxigeno gaseoso a presion atmosferica y 20 C 68 F 60 Estas cisternas se usan para rellenar los grandes contenedores de oxigeno liquido que se encuentran en el exterior de los hospitales y demas instituciones que necesitan ingentes cantidades de oxigeno gaseoso puro El oxigeno liquido se pasa por unos intercambiadores de calor que convierten el liquido criogenico en gas antes de que entre en el edificio El oxigeno tambien se almacena y envia en cilindros que contienen el gas comprimido lo que resulta util para ciertas aplicaciones medicas portatiles y oxicorte 60 Veanse tambien Licuefaccion de gasesy Destilacion fraccionada Usos y aplicaciones EditarVeanse tambien Gas respirable Reduccion oxidaciony Combustion El 55 de la produccion mundial de oxigeno se consume en la produccion de acero Otro 25 se dedica a la industria quimica Del 20 restante la mayor parte se usa para aplicaciones medicinales oxicorte como oxidante en combustible de cohetes y en tratamiento de aguas 40 Medicina Editar Articulo principal Oxigenoterapia El proposito esencial de la respiracion es tomar el O2 del aire y en medicina se usan suplementos de oxigeno El tratamiento no solo incrementa los niveles de oxigeno en la sangre del paciente sino que tiene el efecto secundario de disminuir la resistencia al flujo de la sangre en muchos tipos de pulmones enfermos lo que facilita el trabajo de bombeo del corazon La oxigenoterapia se usa para tratar el enfisema la neumonia algunas insuficiencias cardiacas algunos desordenes que causan una elevada presion arterial pulmonar y cualquier enfermedad que afecte a la capacidad del cuerpo para tomar y usar el oxigeno 72 Los tratamientos son lo suficientemente flexibles como para ser usados en hospitales la vivienda del paciente o cada vez mas con instrumentos moviles Asi las tiendas de oxigeno se solian usar como suplementos de oxigeno pero han ido sustituyendose por las mascaras de oxigeno y las canulas nasales 73 La medicina hiperbarica de alta presion usa camaras especiales de oxigeno para aumentar la presion parcial del O2 en el paciente y cuando son necesarias en el personal medico 74 La intoxicacion por monoxido de carbono la mionecrosis gangrena gaseosa y el sindrome de descompresion a veces se tratan con estos aparatos 75 El aumento de la concentracion del O2 en los pulmones ayuda a desplazar el monoxido de carbono del hemogrupo de hemoglobina 76 77 El oxigeno es toxico para la bacteria anaerobia que causa la gangrena gaseosa de manera que aumentar su presion parcial ayuda a acabar con ellas 78 79 El sindrome de descompresion les sucede a los buzos que salen demasiado rapido del mar lo que resulta en la formacion de burbujas de gas inerte sobre todo nitrogeno en su sangre 72 80 81 Tambien se usa oxigeno para pacientes que necesitan ventilacion mecanica normalmente a concentraciones superiores al 21 encontrado en el aire ambiental Por otra parte el isotopo 15O se uso de forma experimental en la tomografia por emision de positrones 82 Apoyo vital y uso recreativo Editar En los trajes espaciales se usa O2 a baja presion Una aplicacion notable del O2 como gas respirable de baja presion se encuentra en los trajes espaciales modernos que envuelven el cuerpo de sus ocupantes con aire presurizado Estos dispositivos usan oxigeno casi puro a una presion de alrededor de un tercio de la comun lo que da como resultado una presion parcial normal en el O2 de la sangre 83 84 Este intercambio de oxigeno de alta concentracion para una baja presion es necesario para mantener la flexibilidad de los trajes espaciales Los buceadores y los tripulantes de submarinos tambien usan O2 artificialmente proporcionado pero la mayoria usan una presion normal o una mezcla de oxigeno y aire El uso de O2 puro o casi puro en buceo a presiones por encima del nivel del mar se limita generalmente a los descansos descompresiones y tratamientos de emergencia a relativamente poca profundidad 6 metros o menos 85 86 El buceo a mayor profundidad requiere una dilucion significativa de O2 con otros gases como nitrogeno o helio para ayudar a prevenir el efecto de Paul Bert toxicidad del oxigeno 85 Los escaladores de montana y los que viajan en aviones no presurizados a veces tienen un suplemento de O2 nota 12 Los pasajeros de aviones comerciales presurizados tienen un suministro de O2 para emergencias que les es puesto automaticamente a su disposicion en caso de despresurizacion de la cabina Una perdida repentina de presion en la cabina activa generadores quimicos de oxigeno sobre cada asiento y hace caer mascaras de oxigeno Al tirar de la mascara para comenzar el flujo de oxigeno tal y como indican las instrucciones de seguridad se fuerzan las limaduras de hierro en el clorato de sodio dentro del recipiente 40 Se produce entonces un chorro constante de oxigeno debido a la reaccion exotermica El oxigeno como un supuesto euforico suave tiene una historia de uso recreativo en deportes y bares de oxigeno Estos son establecimientos que aparecieron en Japon California y Las Vegas a finales de los anos 1990 que ofertan exposiciones a niveles de O2 superiores a lo normal a cambio de una determinada tarifa 87 Los atletas profesionales especialmente en futbol americano tambien salen del campo en ocasiones durante los descansos para ponerse mascaras de oxigeno y obtener una estimulacion en su juego El efecto farmacologico es dudoso y el efecto placebo es la explicacion mas factible 87 Existen estudios que respaldan esa estimulacion con mezclas de O2 enriquecido pero solo si se inhalan durante el ejercicio aerobico 88 Industria Editar La mayor parte del O2 producido con proposito comercial se utiliza para la fundicion del Hierro en acero La fundicion de mena de hierro en acero consume el 55 del oxigeno producido comercialmente 40 En este proceso el O2 es inyectado mediante una lanza de alta presion en el molde de hierro que expulsa las impurezas de Azufre y el exceso de Carbono en forma de sus respectivos oxidos SO2 y CO2 Las reacciones son exotermicas y la temperatura asciende hasta los 1700 Cº 40 Otro 25 de este oxigeno se dedica a la industria quimica 40 El etileno reacciona con el O2 para crear oxido de etileno 89 que a su vez se convierte en etilenglicol el material usado como base para fabricar una gran variedad de productos entre otros los anticongelantes y los polimeros de poliester los precursores de muchos plasticos y textiles 40 Se utiliza oxigeno o aire en el proceso de oxi craqueo 90 para la produccion de acido acrilico 91 92 93 diformil furano 94 y acido bencilico 95 Por otro lado la sintesis electroquimica de peroxido de hidrogeno a partir de oxigeno es una tecnologia prometedora para reemplazar el proceso de hidroquinona utilizado actualmente Por ultimo pero no menos importante la oxidacion catalitica se utiliza en posquemadores para eliminar gases peligrosos 96 97 El oxigeno se usa en el oxicorte quemando acetileno con O2 para producir una llama muy caliente En este proceso el metal de hasta 60 centimetros de grosor se calienta primero con una pequena llama de oxiacetileno para despues ser rapidamente cortado por un gran chorro de O2 98 Ciencia Editar 500 millones de anos de cambio climatico comparados con el nivel de 18O Los paleoclimatologos miden la relacion entre el oxigeno 18 y el oxigeno 16 en los esqueletos y exoesqueletos de los organismos marinos para determinar como era el clima hace millones de anos Las moleculas de agua de mar que contienen el isotopo mas ligero el oxigeno 16 se evaporan a un ritmo ligeramente mayor que las moleculas que contienen oxigeno 18 un 12 mas pesado esta disparidad se incrementa a bajas temperaturas 99 En periodos con una temperatura global mas baja la nieve y la lluvia procedentes de esa agua evaporada tienden a ser mas ricas en oxigeno 16 mientras que el agua marina que queda tiende a serlo en oxigeno 18 Los organismos marinos por tanto incorporan mas oxigeno 18 en sus esqueletos y exoesqueletos de lo que harian en un medio mas calido 99 Los paleoclimatologos tambien miden directamente esta relacion en las moleculas de agua de muestras de nucleo de hielo que se han conservado durante varios cientos de miles de anos Los geologos planetarios han medido las diferencias en la abundancia de isotopos de oxigeno en muestras de la Tierra la Luna Marte y meteoritos pero no han estado lejos de poder obtener valores de referencia para las relaciones entre isotopos del Sol que se creen iguales a aquellas de la nebulosa protosolar Sin embargo el analisis de una oblea de Silicio expuesta al viento solar en el espacio y devuelta a la Tierra por la sonda Genesis desvelo que el Sol tiene una proporcion de oxigeno 16 mayor que nuestro planeta La medicion implica que un proceso desconocido agoto el oxigeno 16 del disco protoplanetario del Sol antes de la fusion de los granos de polvo que formaron la Tierra 100 El oxigeno presenta dos bandas de absorcion espectrofotometrica con maximos en longitudes de onda de 687 y 760 nanometros Algunos cientificos de deteccion remota han propuesto usar la medicion del resplandor procedente de los doseles de vegetacion en aquellas bandas para caracterizar la salud de las plantas desde una plataforma satelital 101 Esta aproximacion explota el hecho de que en esas bandas es posible distinguir la reflectividad de la vegetacion de su fluorescencia que es mucho mas debil La medicion tiene una alta dificultad tecnica debido a la baja relacion senal ruido y la estructura fisica de la vegetacion pero se ha propuesto como un posible metodo de monitoreo del ciclo del carbono desde satelites a escala global Compuestos Editar El agua H2O es el compuesto de oxigeno mas familiar El estado de oxidacion del oxigeno es 2 en casi todos los compuestos conocidos del oxigeno Por su parte el estado de oxidacion 1 se encuentra en unos cuantos compuestos como los peroxidos 102 Los compuestos en otro estado de oxidacion son muy poco comunes 1 2 superoxidos 1 3 ozonidos 0 elemental hipofluoroso 1 2 dioxigenil 1 difluoruro de dioxigeno y 2 difluoruro de oxigeno oxidos y otros compuestos inorganicos Editar El agua H2O es el oxido de hidrogeno y es el compuesto de oxigeno mas comun Los atomos de hidrogeno estan enlazados covalentemente al oxigeno en la molecula de agua pero tambien tienen una atraccion adicional sobre 23 3 kJ mol 1 por atomo de hidrogeno con un atomo de oxigeno adyacente de una molecula diferente 103 Estos enlaces de hidrogeno entre las moleculas de agua las mantienen aproximadamente un 15 mas cerca de lo que seria esperable en un liquido simple solo con las fuerzas de Van der Waals 104 nota 13 Los oxidos como el oxido de hierro o el orin se forman cuando el oxigeno se combina con otros elementos Debido a su electronegatividad el oxigeno forma enlaces quimicos con casi todos los demas elementos a temperaturas elevadas para dar los oxidos correspondientes Sin embargo algunos elementos forman oxidos directamente a condiciones normales de presion y temperatura como el orin formado del Hierro La superficie de metales como el aluminio y el titanio se oxidan en presencia del aire y se cubren con una fina capa de oxido que pasiva el metal y ralentiza la corrosion Algunos de los oxidos metalicos de transicion se encuentran en la naturaleza como compuestos no estequiometricos con ligeramente menos metal de lo que la formula quimica sugiere Por ejemplo el FeO wustita que se forma de manera natural se escribe en realidad como Fex 1O donde la x esta normalmente en torno a 0 05 105 El oxigeno como compuesto esta presente en la atmosfera en pequenas cantidades en forma de dioxido de carbono CO2 La roca de la corteza terrestre se compone de grandes partes de oxidos de Silicio dioxido de silicio SiO2 que se encuentra en el granito y la arena aluminio alumina Al2O3 en la bauxita y el corindon hierro oxido ferrico Fe2O3 en la hematita y el orin y calcio carbonato calcico CaCO3 en la caliza El resto de la corteza terrestre se compone tambien de compuestos de oxigeno en particular varios silicatos complejos En el manto terrestre de una masa mucho mayor que la corteza abundan los silicatos de hierro y Magnesio Los silicatos solubles en agua con las formas Na4SiO4 Na2SiO3 y Na2Si2O5 se utilizan como detergentes y adhesivos 106 El oxigeno tambien actua como ligazon para metales de transicion formando enlaces de O2 metalico con el atomo de iridio en el complejo de Vaska 107 con el platino en el PtF6 108 y con el centro de hierro en el grupo hemo de la hemoglobina Compuestos organicos y biomoleculas Editar La acetona es un material importante para la industria quimica Oxigeno Carbono Hidrogeno El oxigeno representa mas del 40 de la masa molecular de la molecula de la ATP Entre las clases mas importantes de compuestos organicos que contienen oxigeno estan los siguientes donde R es un grupo organico alcoholes R OH eteres R O R cetonas R CO R aldehidos R CO H acidos carboxilicos R COOH Esteres R COO R anhidridos de acido R CO O CO R y amidas R C O NR2 Hay muchos disolventes organicos importantes que contienen oxigeno entre ellos acetona metanol etanol alcohol isopropilico furano tetrahidrofurano eter etilico dioxano etanoato de etilo dimetilformamida dimetilsulfoxido acido acetico y acido formico La acetona CH3 CO CH3 y el fenol C6H5OH se usan como materiales en la sintesis de muchas sustancias diferentes Otros compuestos organicos importantes que contienen oxigeno son glicerol formaldehido glutaraldehido acido acetico y acetamida Los epoxidos son eteres en los que el atomo de oxigeno forma parte de un anillo de tres atomos El oxigeno reacciona espontaneamente con muchos compuestos organicos a temperatura ambiente o inferior en un proceso llamado autooxidacion 109 La mayor parte de los compuestos organicos que contienen oxigeno no se producen por la accion directa del O2 Los compuestos organicos importantes en la industria y el comercio producidos por oxidacion directa de un precursor incluyen al oxido de etileno y el acido peracetico 106 El elemento se encuentra en casi todas las biomoleculas importantes para o generadas por la vida Solo unas cuantas biomoleculas complejas comunes como el escualeno y el caroteno no contienen oxigeno De los compuestos organicos con relevancia biologica los carbohidratos contienen la mayor proporcion de oxigeno en su masa Todas las grasas acidos grasos aminoacidos y proteinas contienen oxigeno debido a la presencia de grupos carbonilos en esos acidos y sus residuos de ester El oxigeno tambien esta presente en grupos de fosfato PO4 3 en las moleculas biologicamente importantes que transportan energia ATP y ADP en la columna vertebral y las purinas excepto la adenina y las pirimidinas de ARN y ADN y en los huesos como fosfato calcico e hidroxiapatita Seguridad y precauciones EditarToxicidad Editar Articulo principal Efecto de Paul Bert Los principales sintomas de la toxicidad del oxigeno 110 La toxicidad del oxigeno tiene lugar cuando los pulmones toman una presion parcial del O2 mayor de lo normal lo que puede suceder durante el buceo El O2 gaseoso puede ser toxico a presiones parciales elevadas produciendo convulsiones y otros problemas de salud 85 nota 14 111 La toxicidad generalmente comienza a aparecer con presiones parciales de mas de 50 kPa o 2 5 veces la presion parcial del O2 a nivel del mar 21 kPa igual a alrededor del 50 de la composicion del oxigeno a presion normal Esto no resulta un problema excepto para pacientes con ventilacion mecanica debido a que el gas administrado a traves de las mascaras de oxigeno se compone tipicamente de solo un 30 50 de O2 por volumen sobre 30 kPa a presion normal aunque estas cifras varian sensiblemente dependiendo del tipo de mascara 58 Durante un tiempo los bebes prematuros se colocaban en incubadoras que contenian aire rico en O2 pero esta practica ceso despues de que algunos de estos ninos perdieran la vision 58 112 La respiracion de O2 puro en aplicaciones espaciales como en algunos trajes aeroespaciales modernos o en naves pioneras como la Apolo no causa danos debido a las bajas presiones totales utilizadas 83 113 En el caso de los trajes la presion parcial del O2 en el gas respiratorio se encuentra en general sobre 30 kPa 1 4 veces lo normal y la presion parcial resultante en la sangre arterial del astronauta solo esta marginalmente por encima de lo normal al nivel del mar La toxicidad del oxigeno para los pulmones y el sistema nervioso central tambien puede darse en el buceo profundo y en el buceo profesional 58 85 La respiracion prolongada de una mezcla de aire con una presion parcial de O2 mayor a 60 kPa puede llegar a producir una fibrosis pulmonar permanente 114 La exposicion a presiones parciales superiores a 160 kPa 1 6 atmosferas podria causar convulsiones normalmente fatales para los buzos La toxicidad aguda puede producirse al respirar una mezcla de aire con mas de un 21 de O2 a 66 o mas metros de profundidad lo mismo puede ocurrir al respirar un 100 de O2 a solo 6 metros 114 115 116 117 Combustion y otros riesgos Editar El interior del modulo de mando del Apolo 1 El O2 puro a una presion mayor de lo normal y una chispa produjeron un incendio y la consiguiente perdida de la tripulacion Las fuentes de oxigeno que estan altamente concentradas estimulan una rapida combustion Los riesgos de fuego y explosion se dan cuando los oxidantes concentrados y los combustibles se situan demasiado cerca entre si sin embargo la ignicion ya sea por el calor o por una chispa es necesaria para iniciar la combustion 118 El oxigeno en si mismo no es un combustible sino un oxidante Los riesgos de la combustion tambien se aplican a compuestos de oxigeno de alto potencial oxidante como los peroxidos cloratos nitratos percloratos y dicromatos porque pueden dar oxigeno al fuego El O2 concentrado permite una combustion rapida y energica 118 Las tuberias y los recipientes de acero usados para almacenar y trasmitir tanto el oxigeno liquido como el gaseoso actuan como combustible por tanto el diseno y la fabricacion de los sistemas de O2 requieren una atencion especial para asegurar que las fuentes de ignicion se minimizan 118 El incendio que acabo con la vida de la tripulacion del Apolo 1 en una prueba en la plataforma de lanzamiento se extendio tan rapidamente debido a que la capsula estaba presurizada con O2 puro pero a una presion ligeramente mayor que la atmosferica en lugar de una presion de 1 3 de la normal que debia usarse en la mision nota 15 119 En caso de un derrame de oxigeno liquido si este llega a empaparse en materia organica como madera productos petroquimicos y asfalto puede provocar que estos materiales detonen de forma impredecible al sufrir un impacto mecanico posterior 118 Al igual que otros liquidos criogenicos en contacto con el cuerpo humano puede causar congelamiento en piel y ojos Vease tambien EditarAnoxia Hipoxia Ciclo del oxigeno Oxigeno diatomico oxido Metodo de Winkler Sonda lambda Categoria Compuestos de oxigenoNotas al pie Editar Un orbital es un concepto de mecanica cuantica que modela un electron como una dualidad onda particula que tiene una distribucion espacial alrededor de un atomo o molecula El paramagnetismo del oxigeno puede usarse analiticamente en analizadores de oxigeno gaseoso paramagnetico que determinan la puridad del gas 14 En quimica inorganica el termino cluster se utiliza para indicar un compuesto caracterizado por la presencia de uno o mas enlaces metalicos Las cifras ofrecidas son para valores de hasta 80 km sobre la superficie De The Chemistry and Fertility of Sea Waters de H W Harvey 1955 citando a C J J Fox On the coefficients of absorption of atmospheric gases in sea water Publ Circ Cons Explor Mer no 41 1907 Sin embargo Harvey sostiene que de acuerdo a articulos posteriores en Nature los valores parecen estar sobrestimados en un 3 Las membranas tilacoides son parte del cloroplasto en las algas y plantas mientras que son una mera estructura membranosa mas de las muchas que tienen las cianobacterias De hecho se cree que los cloroplastos han evolucionado desde las cianobacterias que una vez fueron companeros simbioticos de los predecesores de las plantas y algas La oxidacion del agua se cataliza por un complejo de enzimas que contiene manganeso conocido como complejo enzimatico capaz de lisar agua que se encuentra asociado con el lumen de los discos tilacoides El manganeso es un cofactor importante y el calcio y el cloro son tambien necesarios para que la reaccion pueda suceder 44 En humanos el volumen normal es de 6 a 8 litros por minuto 45 1 8 gramos min persona 60 min h 24 h dia 365 dias ano 6600 millones de personas 1 000 000 g t 6240 millones de toneladas Derivado de los valores mmHg usando 0 133322 kPa mmHg Sin embargo estos resultados se ignoraron en su mayor parte hasta 1860 Parte de este rechazo se debia a la creencia de que los atomos de un elemento no tendrian afinidad quimica hacia atomos del mismo elemento y otra parte se debia a las aparentes excepciones a la Ley de Avogadro que no habian sido explicadas en terminos de disociacion de moleculas La razon es que incrementando la proporcion de oxigeno en el gas respiratorio a baja presion aumenta la presion parcial del O2 inspirado hasta cerca de la del nivel del mar Tambien debido a la mayor electronegatividad del oxigeno respecto al hidrogeno la diferencia en la carga la convierte en una molecula polar Las interacciones entre los diferentes dipolos de cada molecula causan una fuerza de atraccion global Ya que la presion parcial del O2 es la proporcion de O2 multiplicado por la presion total la elevada presion parcial puede ocurrir bien por una alta concentracion de O2 en el gas respiratorio bien por la alta presion del gas o por una combinacion de ambas No se identifico de manera concluyente ninguna fuente de ignicion en el incendio aunque algunas pruebas lo achacan desde a un arco electrico hasta a una chispa Informe del Apollo 204 Review Board NASA Historical Reference Collection NASA History Office NASA HQ Washington DC Referencias Editar a b Asimov Isaac 2014 Breve historia de la quimica Introduccion a las ideas y conceptos de la quimica Alianza Editorial El Libro de Bolsillo p 81 ISBN 978 84 206 6421 7 WebElements Periodic Table of the Elements Oxygen Electronegativity en ingles Webelements com Consultado el 22 de julio de 2012 a b Emsley John 2001 Oxygen Nature s Building Blocks An A Z Guide to the Elements en 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