El aire que respiramos es una mezcla de gases compuesta principalmente de nitrógeno (75%). El contenido de oxígeno, por otro lado, es solo del 21%. Esta cantidad es suficiente para que los humanos enriquezcan la sangre con oxígeno para la producción de energía.
Es el elemento más abundante en nuestro planeta y el tercero más abundante en el universo después del hidrógeno y el helio. Casi todo el oxígeno del aire es producido por las plantas a través de la fotosíntesis.
El elemento puede obtenerse industrialmente a partir de la mezcla de gases (Proceso Linde). Sin esta parte importante del aire, que Wilhelm Scheele descubrió en 1771, no podríamos vivir. En la tabla periódica, el oxígeno tiene el símbolo químico O y el número atómico 8.
¿Cómo llegó el oxígeno al “aire”?
El aire es una mezcla de diferentes gases. El oxígeno está representado con poco menos del 21 por ciento. El nitrógeno tiene la mayor proporción con un 78 por ciento. También hay rastros de otros gases, incluido el dióxido de carbono, que las plantas necesitan para la fotosíntesis.
El aire, tal como lo conocemos hoy, solo existe desde hace unos 350 millones de años. Después de la formación de la tierra hace unos 4.500 millones de años, el oxígeno se unió inicialmente a minerales y dióxido de carbono y, por lo tanto, no se produjo en la atmósfera primordial.
No fue hasta hace 3.500 millones de años que se formaron algas verdeazuladas en el agua, liberando oxígeno del agua a través de la fotosíntesis, que el oxígeno gaseoso emergió en la tierra.
Cuando este proceso se detuvo hace unos 2.300 millones de años, el gas de los océanos se liberó a la atmósfera. Poco a poco, la concentración de oxígeno aumentó. Este proceso se completó después de unos cientos de millones de años.
Hace 1.500 millones de años, surgieron las primeras criaturas en el agua que podían usar oxígeno para generar energía a través de la respiración.
La historia del oxígeno
El hecho de que solo una parte del aire mantiene la combustión, mientras que el resto sofoca la llama de una vela, o mueren animales en ella, ya fue descubierto por el erudito Leonardo da Vinci.
En 1772 Carl Wilhelm Scheele reconoció que este componente de aire (“aire de fuego”) también es un componente de dióxido de manganeso (dióxido de manganeso, MnO2 ) y montroydita (óxido de mercurio (II), HgO).
En 1774 Joseph Priestley aisló independientemente de Scheele, el oxígeno, al que él, como acérrimo partidario de la teoría del flogisto, denominó “aire deflogístico”, al descomponer el cinabrio (HgO) obtenido previamente a partir del aire y el mercurio.
Sin embargo, dado que publicó sus tesis antes que Scheele, solo se mencionó inicialmente como el descubridor del oxígeno.
En 1777 Antoine-Laurent de Lavoisier explicó la naturaleza elemental del oxígeno, y por medio de este postulado condujo la teoría del flogisto ad absurdum. Dado que (aunque erróneamente) lo consideraba el componente esencial de los ácidos, lo llamó “Oxygène” (= generador de ácido).
Lavoisier reconoció el importante papel que desempeñaba el oxígeno en la respiración y, por lo tanto, se convirtió en uno de los fundadores de la química moderna.
El descubrimiento del ozono: el ozono fue creado en 1785 por Martinus van Marum descubierto cuando notó un olor acre de descargas de radio en “aire deflogístico”.
En 1864, el químico suizo Jacques Louis Soret reconoció el ozono como oxígeno trimolecular y le dio la fórmula O3.
Propiedades del oxígeno
Cuando se habla de oxígeno, se hace referencia al elemento sustancia, que consta de moléculas diatómicas. Esta sustancia es un gas incoloro, inodoro e insípido. La densidad del gas es mayor que la del aire.
La temperatura de fusión es de -219°C y la temperatura de ebullición es de -183°C. El oxígeno es sólo moderadamente soluble en agua. La solubilidad disminuye al aumentar la temperatura (a presión normal/0°C: 49 ml/l de agua; a presión normal/20°C: 31 ml/l de agua).
El oxígeno en sí no es inflamable, pero promueve la combustión. La propiedad se utiliza para verificación (prueba de chip incandescente). Las moléculas de oxígeno son inertes porque son relativamente estables.
Sin embargo, a temperaturas más altas, el oxígeno molecular a veces reacciona violentamente. El oxígeno forma óxidos metálicos (varios óxidos de hierro, óxido de magnesio y otros). El oxígeno reacciona con los no metales para formar óxidos no metálicos (agua, dióxido de carbono y monóxido de carbono, entre otros).
Estas reacciones son oxidaciones. A menudo van acompañados de llamas. Algunas oxidaciones son extremadamente violentas, como la reacción de oxihidrógeno (reacción de hidrógeno con oxígeno).
Además de esta conocida forma de oxígeno elemental, existe otra forma cuyas moléculas constan de tres átomos: el ozono. El ozono es un gas incoloro (en forma líquida tiene un color azul oscuro) con un olor característico.
La temperatura de ebullición es de -112°C y la temperatura de fusión es de -193°C. Cuando se calienta, el ozono explota. Esta sustancia es uno de los agentes oxidantes más fuertes de todos, ya que incluso los metales preciosos se oxidan. El ozono es muy tóxico.
¿En qué se usa el oxígeno?
Para la tecnología, el oxígeno se produce industrialmente. Esta es la única forma de obtener las grandes cantidades que se requieren para generar temperaturas tan altas como las requeridas para los procesos de combustión.
Cuando se usa oxígeno puro, se pueden lograr temperaturas mucho más altas que cuando se usa aire normal, ya que el nitrógeno contenido no tiene que calentarse. El cliente más importante es la industria del acero.
El oxígeno se utiliza junto con la sustancia orgánica acetileno en la soldadura autógena. El oxígeno reacciona explosivamente con el hidrógeno.
Esta reacción de oxihidrógeno, o llama de oxihidrógeno, se utiliza para fundir cuarzo (SiO2) y metales con altas temperaturas de fusión en metalurgia.
También se están haciendo cada vez más intentos para utilizar la energía liberada durante la reacción en tecnología. Como resultado, la liberación de energía en las pilas de combustible es cada vez más importante.
La adición de oxígeno durante la combustión reduce el requerimiento de combustible, los residuos y las emisiones de CO2.
El segundo cliente más importante, la industria química, la importancia del oxígeno para la industria química es grande, también utiliza oxígeno para calentar sus procesos de producción.
Por ejemplo para la oxidación de compuestos orgánicos, en la producción de ácido sulfúrico y nítrico, para la producción de gas de síntesis a partir del carbón, en el craqueo o para la producción de hidrógeno a partir de materiales pesados.
Aceites, en los viajes espaciales, el oxígeno líquido se utiliza como agente oxidante para los combustibles de los cohetes.
El oxígeno de la atmósfera constituye una base esencial de vida para la mayoría de los organismos que existen hoy en día, ya que es necesario para todos los procesos de oxidación (también en los organismos), incluida la oxidación biológica (respiración celular).
Los médicos lo utilizan para ventilar a los pacientes y combatir los dolores de cabeza crónicos. Con un consumo anual de 80 millones de metros cúbicos, es el fármaco más utilizado en los hospitales.
La industria electrónica hace uso de la oxidación en la construcción de pantallas planas, y el oxígeno también se usa como gas de reacción en la producción de cables de fibra óptica.
En el procesamiento de petróleo crudo se usa para dividir largas cadenas de hidrocarburos, en plantas de tratamiento de aguas residuales se usa para estimular microorganismos, y en granjas acuícolas los peces crecen más rápido cuando el agua se enriquece con oxígeno en forma de ozono.
El oxígeno también permite viajes aéreos y espaciales, así como expediciones al mundo submarino. Nada de esto sería posible sin el aire respirable enriquecido con oxígeno.
El ozono se ha utilizado como desinfectante en el tratamiento biológico del agua durante algún tiempo. El gas también se utiliza como agente blanqueador para papel, fibras, celulosa y diversas grasas, aceites, ceras y otras sustancias utilizadas.
¿En dónde se encuentra el oxígeno?
El oxígeno es el elemento más común en la tierra. Ocurre tanto como una sustancia pura como químicamente unida. El oxígeno elemental en la atmósfera y los diversos compuestos del elemento constituyen casi la mitad de la fracción de masa total de todos los elementos de la tabla periódica.
Hay dos formas elementales en las que el oxígeno se produce en la naturaleza. Por un lado, está el oxígeno «normal», la molécula diatómica que contiene el aire que nos rodea en aproximadamente un 21% en volumen.
Por otro lado, el ozono, oxígeno triatómico, se encuentra en mayores cantidades en las capas superiores de la atmósfera terrestre. El agua (H2O) contiene mucho oxígeno ligado.
En consecuencia, existen enormes cantidades de oxígeno ligado al hidrógeno en los océanos, ríos, lagos y reservas de agua subterráneas del mundo. Las aguas del mundo también contienen grandes cantidades de oxígeno disuelto.
Lo notable es el hecho de que tanto el oxígeno atmosférico libre como el oxígeno disuelto en el agua son exclusivamente de origen biológico. Se formó por fotosíntesis durante los últimos 3 mil millones de años.
Hoy en día, la atmósfera que contiene oxígeno constituye una base esencial para la existencia de seres vivos en nuestra tierra. Además de los sucesos mencionados anteriormente, hay enormes cantidades de oxígeno en la corteza terrestre en forma de varios óxidos.
Por ejemplo, el cuarzo (SiO2) u óxidos de hierro y también en forma de sales de ácidos oxigenados. Éstos incluyen las sales de ácido carbónico, los carbonatos, por ejemplo, caliza (CaCO3) o dolomita (CaCO3 x MgCO3).
El feldespato también contiene oxígeno ligado en forma de silicato. Hasta principios del siglo XX, el oxígeno se obtenía a partir del óxido de bario (BaO).
Aproximadamente a 500°C, este se convierte en peróxido de bario (BaO2) con oxígeno atmosférico y se calienta más. Aproximadamente a 700°C, se desintegra con la liberación de oxígeno.
Hoy en día, el oxígeno se hace a partir del aire. Para ello, el aire se licúa mediante un fuerte enfriamiento a presión. A continuación, los componentes individuales se vuelven gaseosos uno tras otro mediante un calentamiento gradual y pueden separarse mediante destilación fraccionada.
El oxígeno generado de esta manera se almacena en botellas de presión azules con rosca derecha. La descomposición electrolítica del agua con la ayuda del aparato de descomposición de agua de Hoffmann se usa a menudo en el laboratorio.
El agua se mezcla con ácido sulfúrico y luego se divide en sus componentes, hidrógeno y oxígeno, bajo la influencia de la corriente eléctrica.
