Oxigênio
![]() Oxigênio líquido (O 2 abaixo de -183 °C ) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Oxigênio | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Alótropos | O 2 , O 3 ( ozônio ) e mais (ver Alótropos de oxigênio ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Aparência | gás: líquido incolor e sólido: azul claro | ||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atômico padrão A r °(O) | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Abundância | |||||||||||||||||||||||||||||||
na crosta terrestre | 461000 ppm | ||||||||||||||||||||||||||||||
Oxigênio na tabela periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Número atômico ( Z ) | 8 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo 16 (calcogênios) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Bloquear | bloco p | ||||||||||||||||||||||||||||||
Configuração eletrônica | [ Ele ] 2s 2 2p 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Elétrons por camada | 2, 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Propriedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||
Fase em STP | gás | ||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto de fusão | (O 2 ) 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto de ebulição | (O 2 ) 90,188 K (−182,962 °C, −297,332 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Densidade (em STP) | 1,429 g/L | ||||||||||||||||||||||||||||||
quando líquido (em bp ) | 1,141 g/ cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto triplo | 54,361 K, 0,1463 kPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto crítico | 154,581 K, 5,043 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusão | (O 2 ) 0,444 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporização | (O 2 ) 6,82 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidade de calor molar | (O 2 ) 29,378 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Pressão de vapor
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Propriedades atômicas | |||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidação | comum: −2 −1, [3] 0, +1, [3] +2 [3] | ||||||||||||||||||||||||||||||
Eletronegatividade | Escala de Pauling: 3,44 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Energias de ionização |
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Raio covalente | 66±2 da tarde | ||||||||||||||||||||||||||||||
Raio de Van der Waals | 152 da tarde | ||||||||||||||||||||||||||||||
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Outras propriedades | |||||||||||||||||||||||||||||||
Ocorrência natural | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||
Estrutura cristalina | cúbico ( cP16 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Constante de rede | a = 678,28 pm (em tp ) [4] | ||||||||||||||||||||||||||||||
Condutividade térmica | 26,58×10 −3 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Ordenação magnética | paramagnético | ||||||||||||||||||||||||||||||
Suscetibilidade magnética molar | +3 449,0 × 10 −6 cm 3 /mol ( 293 K) [5] | ||||||||||||||||||||||||||||||
Velocidade do som | 330 m/s (gás, a 27 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7782-44-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||
História | |||||||||||||||||||||||||||||||
Descoberta | Michael Sendivogius Carl Wilhelm Scheele (1604, 1771) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Nomeado por | Antônio Lavoisier (1777) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos de oxigênio | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Oxigênio é um elemento químico com o símbolo O e número atômico 8. É um membro do grupo calcogênio na tabela periódica , um não metal altamente reativo e um potente agente oxidante que prontamente forma óxidos com a maioria dos elementos, bem como com outros compostos . Oxigênio é o elemento mais abundante na crosta terrestre e o terceiro elemento mais abundante no universo, depois do hidrogênio e do hélio .
À temperatura e pressão normais , dois átomos de oxigênio se ligam covalentemente para formar dioxigênio , um gás diatômico incolor e inodoro com a fórmula química O
2. O gás dioxigênio constitui atualmente 20,95% da fração molar da atmosfera da Terra , embora isso tenha mudado consideravelmente ao longo de longos períodos de tempo na história da Terra . O oxigênio constitui quase metade da crosta terrestre na forma de vários óxidos, como água , dióxido de carbono , óxidos de ferro e silicatos . [6]
Todos os organismos eucarióticos , incluindo plantas , animais , fungos , algas e a maioria dos protistas , precisam de oxigênio para a respiração celular , que extrai energia química pela reação do oxigênio com moléculas orgânicas derivadas dos alimentos e libera dióxido de carbono como um produto residual. Em animais aquáticos , o oxigênio dissolvido na água é absorvido por órgãos respiratórios especializados chamados guelras , através da pele ou pelo intestino ; em animais terrestres , como os tetrápodes , o oxigênio do ar é ativamente levado para o corpo por meio de órgãos especializados conhecidos como pulmões , onde a troca gasosa ocorre para difundir o oxigênio no sangue e o dióxido de carbono para fora, e o sistema circulatório do corpo então transporta o oxigênio para outros tecidos onde ocorre a respiração celular. [7] [8] No entanto, em insetos , o clado terrestre mais bem-sucedido e biodiverso , o oxigênio é conduzido diretamente para os tecidos internos por meio de uma rede profunda de vias aéreas .
Muitas classes principais de moléculas orgânicas em organismos vivos contêm átomos de oxigênio, como proteínas , ácidos nucleicos , carboidratos e gorduras , assim como os principais compostos inorgânicos constituintes de conchas de animais, dentes e ossos. A maior parte da massa de organismos vivos é oxigênio como um componente da água, o principal constituinte das formas de vida. O oxigênio na atmosfera da Terra é produzido pela fotossíntese biótica , na qual a energia dos fótons na luz solar é capturada pela clorofila para dividir as moléculas de água e então reagir com o dióxido de carbono para produzir carboidratos e o oxigênio é liberado como um subproduto . O oxigênio é muito reativo quimicamente para permanecer um elemento livre no ar sem ser continuamente reabastecido pelas atividades fotossintéticas de autótrofos , como cianobactérias , algas portadoras de cloroplastos e plantas. Um alótropo triatômico muito mais raro do oxigênio , o ozônio ( O
3), absorve fortemente os comprimentos de onda UVB e UVC e forma uma camada protetora de ozônio na estratosfera inferior , que protege a biosfera da radiação ultravioleta ionizante . No entanto, o ozônio presente na superfície é um subproduto corrosivo da poluição atmosférica e, portanto, um poluente do ar .
O oxigênio foi isolado por Michael Sendivogius antes de 1604, mas acredita-se comumente que o elemento foi descoberto independentemente por Carl Wilhelm Scheele , em Uppsala , em 1773 ou antes, e Joseph Priestley em Wiltshire , em 1774. A prioridade é frequentemente dada a Priestley porque seu trabalho foi publicado primeiro. Priestley, no entanto, chamou o oxigênio de "ar deflogisticado" e não o reconheceu como um elemento químico. O nome oxigênio foi cunhado em 1777 por Antoine Lavoisier , que primeiro reconheceu o oxigênio como um elemento químico e caracterizou corretamente o papel que ele desempenha na combustão.
Os usos industriais comuns do oxigênio incluem a produção de aço , plásticos e têxteis , brasagem, soldagem e corte de aços e outros metais , propulsores de foguetes , oxigenoterapia e sistemas de suporte de vida em aeronaves , submarinos , voos espaciais e mergulho .
História do estudo
Primeiras experiências
Um dos primeiros experimentos conhecidos sobre a relação entre combustão e ar foi conduzido pelo escritor grego do século II a.C. sobre mecânica, Filo de Bizâncio . Em sua obra Pneumática , Filo observou que inverter um recipiente sobre uma vela acesa e cercar o gargalo do recipiente com água resultava em um pouco de água subindo para o gargalo. [9] Filo incorretamente supôs que partes do ar no recipiente foram convertidas no elemento clássico fogo e, portanto, foram capazes de escapar pelos poros do vidro. Muitos séculos depois, Leonardo da Vinci construiu o trabalho de Filo observando que uma porção de ar é consumida durante a combustão e a respiração . [10]
No final do século XVII, Robert Boyle provou que o ar é necessário para a combustão. O químico inglês John Mayow (1641–1679) refinou este trabalho ao mostrar que o fogo requer apenas uma parte do ar que ele chamou de spiritus nitroaereus . [11] Em um experimento, ele descobriu que colocar um rato ou uma vela acesa em um recipiente fechado sobre a água fazia com que a água subisse e substituísse um décimo quarto do volume do ar antes de extinguir os sujeitos. [12] A partir disso, ele supôs que o nitroaereus é consumido tanto na respiração quanto na combustão.
Mayow observou que o antimônio aumentava de peso quando aquecido e inferiu que o nitroaereus deve ter se combinado com ele. [11] Ele também pensou que os pulmões separam o nitroaereus do ar e o passam para o sangue e que o calor animal e o movimento muscular resultam da reação do nitroaereus com certas substâncias no corpo. [11] Relatos desses e de outros experimentos e ideias foram publicados em 1668 em sua obra Tractatus duo no tratado "De respiratione". [12]
Teoria do flogisto
Robert Hooke , Ole Borch , Mikhail Lomonosov e Pierre Bayen produziram oxigênio em experimentos nos séculos XVII e XVIII, mas nenhum deles o reconheceu como um elemento químico . [13] Isso pode ter sido em parte devido à prevalência da filosofia da combustão e corrosão chamada teoria do flogisto , que era então a explicação preferida desses processos. [14]
Estabelecida em 1667 pelo alquimista alemão JJ Becher , e modificada pelo químico Georg Ernst Stahl em 1731, [15] a teoria do flogisto afirmava que todos os materiais combustíveis eram feitos de duas partes. Uma parte, chamada flogisto, era liberada quando a substância que a continha era queimada, enquanto a parte deflogisticada era considerada sua forma verdadeira, ou cal . [10]
Acreditava-se que materiais altamente combustíveis que deixam poucos resíduos , como madeira ou carvão, eram feitos principalmente de flogisto; substâncias não combustíveis que corroem, como ferro, continham muito pouco. O ar não desempenhou um papel na teoria do flogisto, nem foram conduzidos experimentos quantitativos iniciais para testar a ideia; em vez disso, foi baseado em observações do que acontece quando algo queima, que a maioria dos objetos comuns parecem ficar mais leves e parecem perder algo no processo. [10]
Descoberta

O alquimista , filósofo e médico polonês Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) em sua obra De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti ["Doze tratados sobre a Pedra Filosofal extraídos da fonte da natureza e da experiência manual"] (1604) descreveu uma substância contida no ar, referindo-se a ela como 'cibus vitae' (alimento da vida, [16] ) e de acordo com o historiador polonês Roman Bugaj, esta substância é idêntica ao oxigênio. [17] Sendivogius, durante seus experimentos realizados entre 1598 e 1604, reconheceu corretamente que a substância é equivalente ao subproduto gasoso liberado pela decomposição térmica do nitrato de potássio . Na visão de Bugaj, o isolamento do oxigênio e a associação adequada da substância àquela parte do ar que é necessária para a vida, fornece evidências suficientes para a descoberta do oxigênio por Sendivogius. [17] Esta descoberta de Sendivogius foi, no entanto, frequentemente negada pelas gerações de cientistas e químicos que o sucederam. [16]
Também é comumente afirmado que o oxigênio foi descoberto pela primeira vez pelo farmacêutico sueco Carl Wilhelm Scheele . Ele produziu gás oxigênio aquecendo óxido de mercúrio (HgO) e vários nitratos em 1771-72. [18] [19] [10] Scheele chamou o gás de "ar de fogo" porque era então o único agente conhecido para suportar a combustão. Ele escreveu um relato dessa descoberta em um manuscrito intitulado Tratado sobre o Ar e o Fogo , que ele enviou ao seu editor em 1775. Esse documento foi publicado em 1777. [20]
Enquanto isso, em 1º de agosto de 1774, um experimento conduzido pelo clérigo britânico Joseph Priestley focou a luz do sol no óxido de mercúrio contido em um tubo de vidro, que liberou um gás que ele chamou de "ar deflogisticado". [19] Ele observou que as velas queimavam mais intensamente no gás e que um rato era mais ativo e vivia mais tempo ao respirá -lo. Depois de respirar o gás, Priestley escreveu: "A sensação dele em meus pulmões não era sensivelmente diferente daquela do ar comum , mas imaginei que meu peito parecia peculiarmente leve e fácil por algum tempo depois." [13] Priestley publicou suas descobertas em 1775 em um artigo intitulado "An Account of Further Discoveries in Air", que foi incluído no segundo volume de seu livro intitulado Experiments and Observations on Different Kinds of Air . [10] [21] Como ele publicou suas descobertas primeiro, Priestley geralmente recebe prioridade na descoberta.
O químico francês Antoine Laurent Lavoisier mais tarde afirmou ter descoberto a nova substância de forma independente. Priestley visitou Lavoisier em outubro de 1774 e contou a ele sobre seu experimento e como ele liberou o novo gás. Scheele também havia enviado uma carta a Lavoisier em 30 de setembro de 1774, que descrevia sua descoberta da substância até então desconhecida, mas Lavoisier nunca reconheceu tê-la recebido (uma cópia da carta foi encontrada nos pertences de Scheele após sua morte). [20]
Contribuição de Lavoisier

Lavoisier conduziu os primeiros experimentos quantitativos adequados sobre oxidação e deu a primeira explicação correta de como a combustão funciona. [19] Ele usou esses e outros experimentos semelhantes, todos iniciados em 1774, para desacreditar a teoria do flogisto e provar que a substância descoberta por Priestley e Scheele era um elemento químico .
Em um experimento, Lavoisier observou que não houve aumento geral de peso quando o estanho e o ar foram aquecidos em um recipiente fechado. [19] Ele notou que o ar entrou correndo quando ele abriu o recipiente, o que indicou que parte do ar preso havia sido consumido. Ele também notou que o estanho havia aumentado de peso e esse aumento era o mesmo que o peso do ar que voltou a entrar. Este e outros experimentos sobre combustão foram documentados em seu livro Sur la combustion en général , publicado em 1777. [19] Nesse trabalho, ele provou que o ar é uma mistura de dois gases; 'ar vital', que é essencial para a combustão e a respiração, e azote (Gk. ἄζωτον "sem vida"), que não suportava nenhum dos dois. Azote mais tarde se tornou nitrogênio em inglês, embora tenha mantido o nome anterior em francês e em várias outras línguas europeias. [19]
Etimologia
Lavoisier renomeou 'ar vital' para oxygène em 1777 a partir das raízes gregas ὀξύς (oxys) ( ácido , literalmente 'picante', do gosto dos ácidos) e -γενής (-genēs) (produtor, literalmente gerador), porque ele erroneamente acreditava que o oxigênio era um constituinte de todos os ácidos. [22] Químicos (como Sir Humphry Davy em 1812) eventualmente determinaram que Lavoisier estava errado a esse respeito, mas a essa altura o nome já estava muito bem estabelecido. [23]
O oxigênio entrou na língua inglesa apesar da oposição dos cientistas ingleses e do fato de que o inglês Priestley foi o primeiro a isolar o gás e escrever sobre ele. Isso se deve em parte a um poema elogiando o gás intitulado "Oxigênio" no livro popular The Botanic Garden (1791) de Erasmus Darwin , avô de Charles Darwin . [20]
História posterior

A hipótese atômica original de John Dalton presumia que todos os elementos eram monoatômicos e que os átomos em compostos normalmente teriam as proporções atômicas mais simples em relação uns aos outros. Por exemplo, Dalton assumiu que a fórmula da água era HO, levando à conclusão de que a massa atômica do oxigênio era 8 vezes a do hidrogênio, em vez do valor moderno de cerca de 16. [24] Em 1805, Joseph Louis Gay-Lussac e Alexander von Humboldt mostraram que a água é formada por dois volumes de hidrogênio e um volume de oxigênio; e em 1811 Amedeo Avogadro chegou à interpretação correta da composição da água, com base no que agora é chamado de lei de Avogadro e nas moléculas elementares diatômicas nesses gases. [25] [a]
O primeiro método comercial de produção de oxigênio foi químico, o chamado processo Brin envolvendo uma reação reversível de óxido de bário . Foi inventado em 1852 e comercializado em 1884, mas foi substituído por métodos mais novos no início do século XX.
No final do século XIX, os cientistas perceberam que o ar poderia ser liquefeito e seus componentes isolados por compressão e resfriamento. Usando um método em cascata , o químico e físico suíço Raoul Pierre Pictet evaporou dióxido de enxofre líquido para liquefazer dióxido de carbono, que por sua vez foi evaporado para resfriar o gás oxigênio o suficiente para liquefazê-lo. Ele enviou um telegrama em 22 de dezembro de 1877 para a Academia Francesa de Ciências em Paris anunciando sua descoberta do oxigênio líquido . [26] Apenas dois dias depois, o físico francês Louis Paul Cailletet anunciou seu próprio método de liquefação de oxigênio molecular. [26] Apenas algumas gotas do líquido foram produzidas em cada caso e nenhuma análise significativa pôde ser conduzida. O oxigênio foi liquefeito em um estado estável pela primeira vez em 29 de março de 1883 por cientistas poloneses da Universidade Jaguelônica , Zygmunt Wróblewski e Karol Olszewski . [27]

Em 1891, o químico escocês James Dewar conseguiu produzir oxigênio líquido suficiente para estudo. [28] O primeiro processo comercialmente viável para produzir oxigênio líquido foi desenvolvido independentemente em 1895 pelo engenheiro alemão Carl von Linde e pelo engenheiro britânico William Hampson . Ambos os homens baixaram a temperatura do ar até que ele se liquefizesse e então destilaram os gases componentes fervendo-os um de cada vez e capturando-os separadamente. [29] Mais tarde, em 1901, a soldagem oxiacetileno foi demonstrada pela primeira vez pela queima de uma mistura de acetileno e O comprimido
2. Este método de soldagem e corte de metal mais tarde se tornou comum. [29]
Em 1923, o cientista americano Robert H. Goddard se tornou a primeira pessoa a desenvolver um motor de foguete que queimava combustível líquido; o motor usava gasolina como combustível e oxigênio líquido como oxidante . Goddard voou com sucesso um pequeno foguete movido a combustível líquido a 56 m a 97 km/h em 16 de março de 1926, em Auburn, Massachusetts , EUA. [29] [30]
Em laboratórios acadêmicos, o oxigênio pode ser preparado aquecendo clorato de potássio misturado com uma pequena proporção de dióxido de manganês. [31]
Os níveis de oxigénio na atmosfera estão a apresentar uma ligeira tendência descendente a nível global, possivelmente devido à queima de combustíveis fósseis. [32]
Características
Propriedades e estrutura molecular

À temperatura e pressão normais , o oxigênio é um gás incolor, inodoro e insípido com a fórmula molecular O
2, conhecido como dioxigênio. [34]
Como dioxigênio , dois átomos de oxigênio são quimicamente ligados um ao outro. A ligação pode ser descrita de várias maneiras com base no nível da teoria, mas é razoavelmente e simplesmente descrita como uma ligação dupla covalente que resulta do preenchimento de orbitais moleculares formados a partir dos orbitais atômicos dos átomos de oxigênio individuais, cujo preenchimento resulta em uma ordem de ligação de dois. Mais especificamente, a ligação dupla é o resultado do preenchimento sequencial de orbitais de baixa para alta energia, ou Aufbau , e o cancelamento resultante das contribuições dos elétrons 2s, após o preenchimento sequencial dos orbitais σ e σ * baixos ; sobreposição σ dos dois orbitais atômicos 2p que ficam ao longo do eixo molecular O–O e sobreposição π de dois pares de orbitais atômicos 2p perpendiculares ao eixo molecular O–O e, em seguida, cancelamento das contribuições dos dois elétrons 2p restantes após seu preenchimento parcial dos orbitais π * . [33]
Essa combinação de cancelamentos e sobreposições de σ e π resulta no caráter de ligação dupla e reatividade do dioxigênio, e um estado fundamental eletrônico tripleto . Uma configuração eletrônica com dois elétrons desemparelhados, como é encontrada em orbitais de dioxigênio (veja os orbitais π* preenchidos no diagrama) que são de energia igual — ou seja, degenerados — é uma configuração denominada estado tripleto de spin . Portanto, o estado fundamental do O
2molécula é referida como oxigênio tripleto . [35] [b] Os orbitais de maior energia, parcialmente preenchidos, são antiligantes , e assim seu preenchimento enfraquece a ordem de ligação de três para dois. Por causa de seus elétrons desemparelhados, o oxigênio tripleto reage apenas lentamente com a maioria das moléculas orgânicas, que têm spins de elétrons pareados; isso evita a combustão espontânea. [36]

Na forma de tripleto, O
2moléculas são paramagnéticas . Ou seja, elas conferem caráter magnético ao oxigênio quando ele está na presença de um campo magnético, por causa dos momentos magnéticos de spin dos elétrons desemparelhados na molécula e da energia de troca negativa entre O vizinhos
2moléculas. [28] O oxigênio líquido é tão magnético que, em demonstrações de laboratório, uma ponte de oxigênio líquido pode ser sustentada contra seu próprio peso entre os pólos de um poderoso ímã. [37] [c]
Oxigênio singlete é um nome dado a várias espécies de O molecular de alta energia
2em que todos os spins dos elétrons são pareados. Ele é muito mais reativo com moléculas orgânicas comuns do que o oxigênio molecular normal (tripleto). Na natureza, o oxigênio singlete é comumente formado a partir da água durante a fotossíntese, usando a energia da luz solar. [38] Ele também é produzido na troposfera pela fotólise do ozônio pela luz de comprimento de onda curto [39] e pelo sistema imunológico como uma fonte de oxigênio ativo. [40] Os carotenoides em organismos fotossintéticos (e possivelmente animais) desempenham um papel importante na absorção de energia do oxigênio singlete e na conversão para o estado fundamental não excitado antes que possa causar danos aos tecidos. [41]
Alótropos

O alótropo comum do oxigênio elementar na Terra é chamado de dioxigênio , O
2, a maior parte do oxigênio atmosférico da Terra (ver Ocorrência). O 2 tem um comprimento de ligação de 121 pm e uma energia de ligação de 498 kJ/mol . [42] O 2 é usado por formas complexas de vida, como animais, na respiração celular . Outros aspectos do O
2são abordados no restante deste artigo.
Trioxigênio ( O
3) é geralmente conhecido como ozônio e é um alótropo muito reativo do oxigênio que é prejudicial ao tecido pulmonar. [43] O ozônio é produzido na alta atmosfera quando O
2combina-se com o oxigênio atômico produzido pela divisão do O
2pela radiação ultravioleta (UV). [22] Como o ozônio absorve fortemente na região UV do espectro , a camada de ozônio da alta atmosfera funciona como um escudo protetor de radiação para o planeta. [22] Perto da superfície da Terra, é um poluente formado como um subproduto do escapamento de automóveis . [43] Em baixas altitudes da órbita terrestre, há oxigênio atômico suficiente presente para causar corrosão da espaçonave . [44]
A molécula metaestável tetraoxigênio ( O
4) foi descoberto em 2001, [45] [46] e foi assumido que existia em uma das seis fases do oxigênio sólido . Foi provado em 2006 que esta fase, criada pela pressurização de O
2para 20 GPa , é na verdade um O romboédrico
8 cluster . [47] Este cluster tem o potencial de ser um oxidante muito mais poderoso do que O
2ou O
3e pode, portanto, ser usado em combustível de foguete . [45] [46] Uma fase metálica foi descoberta em 1990 quando o oxigênio sólido é submetido a uma pressão acima de 96 GPa [48] e foi demonstrado em 1998 que em temperaturas muito baixas, esta fase se torna supercondutora . [49]
Propriedades físicas

O oxigênio se dissolve mais prontamente na água do que o nitrogênio, e na água doce mais prontamente do que na água do mar. A água em equilíbrio com o ar contém aproximadamente 1 molécula de O dissolvido
2para cada 2 moléculas de N
2(1:2), comparado com uma proporção atmosférica de aproximadamente 1:4. A solubilidade do oxigênio na água depende da temperatura e é cerca de duas vezes maior (14,6 mg/L ) dissolve-se a 0 °C do que a 20 °C (7,6 mg/L ). [13] [50] A 25 °C e 1 atmosfera padrão (101,3 kPa ) de ar, a água doce pode dissolver cerca de 6,04 mililitros (mL) de oxigênio por litro , e a água do mar contém cerca de 4,95 mL por litro. [51] A 5 °C, a solubilidade aumenta para 9,0 mL (50% a mais do que a 25 °C) por litro para água doce e 7,2 mL (45% a mais) por litro para água do mar.
5 °C | 25 °C | |
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Água doce | 9.00 | 6.04 |
Água do mar | 7.20 | 4,95 |
O oxigênio condensa a 90,20 K (−182,95 °C, −297,31 °F) e congela a 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F). [52] Tanto o O líquido quanto o sólido
2são substâncias transparentes com uma cor azul-celeste clara causada pela absorção no vermelho (em contraste com a cor azul do céu, que é devido à dispersão de Rayleigh da luz azul). Líquido de alta pureza O
2é geralmente obtido pela destilação fracionada do ar liquefeito. [53] O oxigênio líquido também pode ser condensado do ar usando nitrogênio líquido como refrigerante. [54]
O oxigênio líquido é uma substância altamente reativa e deve ser segregado dos materiais combustíveis. [54]
A espectroscopia do oxigênio molecular está associada aos processos atmosféricos de aurora e brilho atmosférico . [55] A absorção no continuum de Herzberg e nas bandas de Schumann-Runge no ultravioleta produz oxigênio atômico que é importante na química da atmosfera média. [56] O oxigênio molecular singlete em estado excitado é responsável pela quimioluminescência vermelha em solução. [57]
Tabela de propriedades térmicas e físicas do oxigênio (O 2 ) à pressão atmosférica: [58] [59]
Temperatura (K) | Densidade (kg/m^3) | Calor específico (kJ/kg °C) | Viscosidade dinâmica (kg/ms) | Viscosidade cinemática (m^2/s) | Condutividade térmica (W/m °C) | Difusividade térmica (m^2/s) | Número de Prandtl |
100 | 3.945 | 0,962 | 7.64E-06 | 1.94E-06 | 0,00925 | 2.44E-06 | 0,796 |
150 | 2.585 | 0,921 | 1.15E-05 | 4.44E-06 | 0,0138 | 5.80E-06 | 0,766 |
200 | 1,93 | 0,915 | 1.48E-05 | 7.64E-06 | 0,0183 | 1.04E-05 | 0,737 |
250 | 1.542 | 0,915 | 1.79E-05 | 1.16E-05 | 0,0226 | 1.60E-05 | 0,723 |
300 | 1.284 | 0,92 | 2.07E-05 | 1.61E-05 | 0,0268 | 2.27E-05 | 0,711 |
350 | 1.1 | 0,929 | 2.34E-05 | 2.12E-05 | 0,0296 | 2.90E-05 | 0,733 |
400 | 0,962 | 1.0408 | 2.58E-05 | 2.68E-05 | 0,033 | 3.64E-05 | 0,737 |
450 | 0,8554 | 0,956 | 2.81E-05 | 3.29E-05 | 0,0363 | 4.44E-05 | 0,741 |
500 | 0,7698 | 0,972 | 3.03E-05 | 3.94E-05 | 0,0412 | 5.51E-05 | 0,716 |
550 | 0,6998 | 0,988 | 3.24E-05 | 4.63E-05 | 0,0441 | 6.38E-05 | 0,726 |
600 | 0,6414 | 1.003 | 3.44E-05 | 5.36E-05 | 0,0473 | 7.35E-05 | 0,729 |
700 | 0,5498 | 1.031 | 3.81E-05 | 6.93E-05 | 0,0528 | 9.31E-05 | 0,744 |
800 | 0,481 | 1.054 | 4.15E-05 | 8.63E-05 | 0,0589 | 1.16E-04 | 0,743 |
900 | 0,4275 | 1.074 | 4.47E-05 | 1.05E-04 | 0,0649 | 1.41E-04 | 0,74 |
1000 | 0,3848 | 1.09 | 4.77E-05 | 1.24E-04 | 0,071 | 1.69E-04 | 0,733 |
1100 | 0,3498 | 1.103 | 5.06E-05 | 1.45E-04 | 0,0758 | 1.96E-04 | 0,736 |
1200 | 0,3206 | 1.0408 | 5.33E-05 | 1.661E-04 | 0,0819 | 2.29E-04 | 0,725 |
1300 | 0,296 | 1.125 | 5.88E-05 | 1.99E-04 | 0,0871 | 2.62E-04 | 0,721 |
Isótopos e origem estelar

O oxigênio natural é composto por três isótopos estáveis , 16 O , 17 O e 18 O , sendo 16 O o mais abundante (99,762% de abundância natural ). [60]
A maior parte do 16 O é sintetizada no final do processo de fusão do hélio em estrelas massivas , mas parte é feita no processo de queima do néon . [61] O 17 O é feito principalmente pela queima de hidrogênio em hélio durante o ciclo CNO , tornando-o um isótopo comum nas zonas de queima de hidrogênio das estrelas. [61] A maior parte do 18 O é produzida quando o 14 N (abundante na queima do CNO) captura um núcleo de 4 He , tornando o 18 O comum nas zonas ricas em hélio de estrelas evoluídas e massivas . [61]
Quinze radioisótopos foram caracterizados, variando de 11 O a 28 O. [62] [63] Os mais estáveis são 15 O com meia-vida de 122,24 segundos e 14 O com meia-vida de 70,606 segundos. [60] Todos os isótopos radioativos restantes têm meias-vidas menores que 27 segundos e a maioria deles tem meias-vidas menores que 83 milissegundos. [60] O modo de decaimento mais comum dos isótopos mais leves que 16 O é o decaimento β + [64] [65] [66] para produzir nitrogênio, e o modo mais comum para os isótopos mais pesados que 18 O é o decaimento beta para produzir flúor . [60]
Ocorrência
Z | Elemento | Fração de massa em partes por milhão | |
---|---|---|---|
1 | Hidrogênio | 739.000 | |
2 | Hélio | 240.000 | |
8 | Oxigênio | 10.400 | |
6 | Carbono | 4.600 | |
10 | Néon | 1.340 | |
26 | Ferro | 1.090 | |
7 | Azoto | 960 | |
14 | Silício | 650 | |
12 | Magnésio | 580 | |
16 | Enxofre | 440 |
O oxigênio é o elemento químico mais abundante em massa na biosfera da Terra , ar, mar e terra. O oxigênio é o terceiro elemento químico mais abundante no universo, depois do hidrogênio e do hélio. [68] Cerca de 0,9% da massa do Sol é oxigênio. [19] O oxigênio constitui 49,2% da crosta terrestre em massa [69] como parte de compostos de óxido, como o dióxido de silício , e é o elemento mais abundante em massa na crosta terrestre . É também o principal componente dos oceanos do mundo (88,8% em massa). [19] O gás oxigênio é o segundo componente mais comum da atmosfera da Terra , ocupando 20,8% de seu volume e 23,1% de sua massa (cerca de 10 15 toneladas). [19] [70] [d] A Terra é incomum entre os planetas do Sistema Solar por ter uma concentração tão alta de gás oxigênio em sua atmosfera: Marte (com 0,1% de O
2por volume) e Vênus têm muito menos. O O
2A radiação ultravioleta que circunda esses planetas é produzida unicamente pela ação da radiação ultravioleta em moléculas que contêm oxigênio, como o dióxido de carbono.

2.
A concentração anormalmente alta de gás oxigênio na Terra é o resultado do ciclo do oxigênio . Este ciclo biogeoquímico descreve o movimento do oxigênio dentro e entre seus três principais reservatórios na Terra: a atmosfera, a biosfera e a litosfera . O principal fator propulsor do ciclo do oxigênio é a fotossíntese , que é responsável pela atmosfera moderna da Terra. A fotossíntese libera oxigênio na atmosfera, enquanto a respiração , a decomposição e a combustão o removem da atmosfera. No equilíbrio atual, a produção e o consumo ocorrem na mesma taxa. [71]
O oxigênio livre também ocorre em solução nos corpos de água do mundo. A solubilidade aumentada de O
2em temperaturas mais baixas (ver Propriedades físicas) tem implicações importantes para a vida oceânica, uma vez que os oceanos polares suportam uma densidade de vida muito maior devido ao seu maior teor de oxigénio. [72] A água poluída com nutrientes vegetais, como nitratos ou fosfatos, pode estimular o crescimento de algas por um processo denominado eutrofização e a decomposição destes organismos e de outros biomateriais pode reduzir o O
2conteúdo em corpos de água eutróficos. Os cientistas avaliam esse aspecto da qualidade da água medindo a demanda bioquímica de oxigênio da água , ou a quantidade de O
2necessário para restaurá-lo a uma concentração normal. [73]
Análise

Os paleoclimatologistas medem a proporção de oxigênio-18 e oxigênio-16 nas conchas e esqueletos de organismos marinhos para determinar o clima de milhões de anos atrás (veja o ciclo da proporção de isótopos de oxigênio ). As moléculas de água do mar que contêm o isótopo mais leve , oxigênio-16, evaporam a uma taxa ligeiramente mais rápida do que as moléculas de água que contêm o oxigênio-18 12% mais pesado, e essa disparidade aumenta em temperaturas mais baixas. [74] Durante períodos de temperaturas globais mais baixas, a neve e a chuva dessa água evaporada tendem a ser mais altas em oxigênio-16, e a água do mar deixada para trás tende a ser mais alta em oxigênio-18. Os organismos marinhos então incorporam mais oxigênio-18 em seus esqueletos e conchas do que fariam em um clima mais quente. [74] Os paleoclimatologistas também medem diretamente essa proporção nas moléculas de água de amostras de núcleo de gelo com centenas de milhares de anos.
Geólogos planetários mediram as quantidades relativas de isótopos de oxigênio em amostras da Terra , da Lua , de Marte e de meteoritos , mas por muito tempo não conseguiram obter valores de referência para as proporções de isótopos no Sol , que se acredita serem as mesmas da nebulosa solar primordial . A análise de uma pastilha de silício exposta ao vento solar no espaço e devolvida pela nave espacial Genesis acidentada mostrou que o Sol tem uma proporção maior de oxigênio-16 do que a Terra. A medição implica que um processo desconhecido esgotou o oxigênio-16 do disco de material protoplanetário do Sol antes da coalescência dos grãos de poeira que formaram a Terra. [75]
O oxigênio apresenta duas bandas de absorção espectrofotométricas com pico nos comprimentos de onda de 687 e 760 nm . Alguns cientistas de sensoriamento remoto propuseram usar a medição da radiância proveniente das copas da vegetação nessas bandas para caracterizar o estado de saúde das plantas a partir de uma plataforma de satélite . [76] Essa abordagem explora o fato de que nessas bandas é possível discriminar a refletância da vegetação de sua fluorescência , que é muito mais fraca. A medição é tecnicamente difícil devido à baixa relação sinal-ruído e à estrutura física da vegetação; mas foi proposta como um possível método de monitoramento do ciclo do carbono a partir de satélites em escala global.
Produção biológica e papel do O2
Fotossíntese e respiração

2e corrige CO
2em açúcar no que é chamado de ciclo de Calvin .
Na natureza, o oxigênio livre é produzido pela divisão da água induzida pela luz durante a fotossíntese oxigenada . De acordo com algumas estimativas, algas verdes e cianobactérias em ambientes marinhos fornecem cerca de 70% do oxigênio livre produzido na Terra, e o restante é produzido por plantas terrestres. [77] Outras estimativas da contribuição oceânica para o oxigênio atmosférico são maiores, enquanto algumas estimativas são menores, sugerindo que os oceanos produzem ~45% do oxigênio atmosférico da Terra a cada ano. [78]
Uma fórmula geral simplificada para a fotossíntese é [79]
- 6 CO2 + 6 H
2O + fótons → C
6E
12O
6+ 6 O
2
ou simplesmente
- dióxido de carbono + água + luz solar → glicose + dioxigênio
A evolução fotolítica do oxigênio ocorre nas membranas tilacóides dos organismos fotossintéticos e requer a energia de quatro fótons . [e] Muitas etapas estão envolvidas, mas o resultado é a formação de um gradiente de prótons através da membrana tilacóide, que é usado para sintetizar adenosina trifosfato (ATP) por meio da fotofosforilação . [80 ] O
2o restante (após a produção da molécula de água) é liberado na atmosfera. [f]
O oxigênio é usado nas mitocôndrias na geração de ATP durante a fosforilação oxidativa . A reação para a respiração aeróbica é essencialmente o inverso da fotossíntese e é simplificada como
- C
6E
12O
6+ 6 O
2→ 6 CO2 + 6 H
2O + 2880 kJ/mol
Em vertebrados , O
2 difunde-se através das membranas dos pulmões e para os glóbulos vermelhos . A hemoglobina liga-se ao O
2, mudando de cor de vermelho azulado para vermelho brilhante [43] ( CO
2é liberado de outra parte da hemoglobina através do efeito Bohr ). Outros animais usam hemocianina ( moluscos e alguns artrópodes ) ou hemeritrina ( aranhas e lagostas ). [70] Um litro de sangue pode dissolver 200 cm 3 de O
2. [70]
Até a descoberta dos metazoários anaeróbicos , [81] acreditava-se que o oxigênio era um requisito para toda a vida complexa. [82]
Espécies reativas de oxigênio , como o íon superóxido ( O-
2) e peróxido de hidrogênio ( H
2O
2), são subprodutos reativos do uso de oxigênio em organismos. [70] Partes do sistema imunológico de organismos superiores criam peróxido, superóxido e oxigênio singlete para destruir micróbios invasores. As espécies reativas de oxigênio também desempenham um papel importante na resposta hipersensível das plantas contra o ataque de patógenos. [80] O oxigênio é prejudicial aos organismos obrigatoriamente anaeróbicos , que eram a forma dominante de vida inicial na Terra até O
2começaram a acumular-se na atmosfera há cerca de 2,5 mil milhões de anos, durante o Grande Evento de Oxigenação , cerca de mil milhões de anos após o primeiro aparecimento destes organismos. [83] [84]
Um ser humano adulto em repouso inala 1,8 a 2,4 gramas de oxigênio por minuto. [85] Isso equivale a mais de 6 bilhões de toneladas de oxigênio inaladas pela humanidade por ano. [g]
Organismos vivos
Unidade | Pressões de gás pulmonar alveolar |
Oxigênio no sangue arterial | Gasometria venosa |
---|---|---|---|
kPa | 14.2 | 11 [horas] -13 [horas] | 4,0 [h] -5,3 [h] |
mmHg | 107 | 75 [86] -100 [86] | 30 [87] -40 [87] |
A pressão parcial de oxigênio livre no corpo de um organismo vertebrado vivo é mais alta no sistema respiratório e diminui ao longo de qualquer sistema arterial , tecidos periféricos e sistema venoso , respectivamente. A pressão parcial é a pressão que o oxigênio teria se ocupasse sozinho o volume. [88]
Acúmulo na atmosfera

2acúmulo na atmosfera da Terra: 1) sem O
2produzido; 2) O
2produzido, mas absorvido nos oceanos e nas rochas do fundo do mar; 3) O
2começa a sair dos oceanos, mas é absorvido pelas superfícies terrestres e pela formação da camada de ozônio; 4–5) O
2pias cheias e o gás acumula
O gás oxigênio livre era quase inexistente na atmosfera da Terra antes que arqueias e bactérias fotossintéticas evoluíssem, provavelmente há cerca de 3,5 bilhões de anos. O oxigênio livre apareceu pela primeira vez em quantidades significativas durante a era Paleoproterozóica (entre 3,0 e 2,3 bilhões de anos atrás). [89] Mesmo que houvesse muito ferro dissolvido nos oceanos quando a fotossíntese oxigenada estava se tornando mais comum, parece que as formações de ferro em faixas foram criadas por bactérias oxidantes de ferro anoxiênicas ou microaerofílicas que dominavam as áreas mais profundas da zona fótica , enquanto cianobactérias produtoras de oxigênio cobriam as águas rasas. [90] O oxigênio livre começou a sair dos oceanos há 3–2,7 bilhões de anos, atingindo 10% de seu nível atual há cerca de 1,7 bilhão de anos. [89] [91]
A presença de grandes quantidades de oxigênio dissolvido e livre nos oceanos e na atmosfera pode ter levado a maioria dos organismos anaeróbicos existentes à extinção durante o Grande Evento de Oxigenação ( catástrofe do oxigênio ) há cerca de 2,4 bilhões de anos. Respiração celular usando O
2permite que organismos aeróbicos produzam muito mais ATP do que organismos anaeróbicos. [92] A respiração celular de O
2ocorre em todos os eucariotos , incluindo todos os organismos multicelulares complexos, como plantas e animais.
Desde o início do período Cambriano , há 540 milhões de anos, o O atmosférico
2os níveis flutuaram entre 15% e 30% em volume. [93] No final do período Carbonífero (cerca de 300 milhões de anos atrás), o O atmosférico
2os níveis atingiram um máximo de 35% em volume, [93] o que pode ter contribuído para o grande tamanho dos insetos e anfíbios nessa época. [94]
Variações na concentração de oxigênio atmosférico moldaram climas passados. Quando o oxigênio diminuiu, a densidade atmosférica caiu, o que por sua vez aumentou a evaporação da superfície, causando aumentos de precipitação e temperaturas mais altas. [95]
Ao ritmo atual de fotossíntese, levaria cerca de 2.000 anos para regenerar todo o O
2na atmosfera atual. [96]
Estima-se que o oxigênio na Terra durará cerca de um bilhão de anos. [97] [98]
Oxigênio livre extraterrestre
No campo da astrobiologia e na busca por vida extraterrestre , o oxigênio é uma bioassinatura forte . Dito isso, pode não ser uma bioassinatura definitiva, sendo possivelmente produzida abioticamente em corpos celestes com processos e condições (como uma hidrosfera peculiar ) que permitem oxigênio livre, [99] [100] [101] como nas atmosferas finas de oxigênio de Europa e Ganimedes . [102]
Produção industrial

Cem milhões de toneladas de O
2são extraídos do ar para uso industrial anualmente por dois métodos principais. [20] O método mais comum é a destilação fracionada do ar liquefeito, com N
2 destilando como vapor enquanto O
2é deixado como um líquido. [20]
O outro método primário de produção de O
2é passar um fluxo de ar limpo e seco através de um leito de um par de peneiras moleculares de zeólita idênticas , que absorve o nitrogênio e fornece um fluxo de gás que é de 90% a 93% O
2. [20] Simultaneamente, o gás nitrogênio é liberado do outro leito de zeólita saturado de nitrogênio, reduzindo a pressão operacional da câmara e desviando parte do gás oxigênio do leito produtor através dele, na direção reversa do fluxo. Após um tempo de ciclo definido, a operação dos dois leitos é trocada, permitindo assim que um suprimento contínuo de oxigênio gasoso seja bombeado através de uma tubulação. Isso é conhecido como adsorção por oscilação de pressão . O gás oxigênio é cada vez mais obtido por essas tecnologias não criogênicas (veja também a adsorção por oscilação de vácuo relacionada ). [103]
O gás oxigênio também pode ser produzido por meio da eletrólise da água em oxigênio molecular e hidrogênio. A eletricidade CC deve ser usada: se CA for usada, os gases em cada membro consistem em hidrogênio e oxigênio na proporção explosiva de 2:1. Um método semelhante é o eletrocatalítico O
2evolução de óxidos e oxoácidos . Catalisadores químicos também podem ser usados, como em geradores químicos de oxigênio ou velas de oxigênio que são usados como parte do equipamento de suporte de vida em submarinos, e ainda fazem parte do equipamento padrão em aviões comerciais em caso de emergências de despressurização. Outro método de separação de ar é forçar o ar a se dissolver através de membranas cerâmicas baseadas em dióxido de zircônio por alta pressão ou corrente elétrica, para produzir O quase puro
2gás. [73]
Armazenar

Os métodos de armazenamento de oxigênio incluem tanques de oxigênio de alta pressão , criogenia e compostos químicos. Por razões de economia, o oxigênio é frequentemente transportado a granel como um líquido em tanques especialmente isolados, uma vez que um litro de oxigênio liquefeito é equivalente a 840 litros de oxigênio gasoso à pressão atmosférica e 20 °C (68 °F). [20] Esses tanques são usados para reabastecer contêineres de armazenamento de oxigênio líquido a granel, que ficam do lado de fora de hospitais e outras instituições que precisam de grandes volumes de gás oxigênio puro. O oxigênio líquido é passado por trocadores de calor , que convertem o líquido criogênico em gás antes de entrar no edifício. O oxigênio também é armazenado e enviado em cilindros menores contendo o gás comprimido; uma forma que é útil em certas aplicações médicas portáteis e soldagem e corte de oxi-combustível . [20]
Aplicações
Médico

Absorção de O
2do ar é o propósito essencial da respiração , então a suplementação de oxigênio é usada na medicina . O tratamento não só aumenta os níveis de oxigênio no sangue do paciente, mas tem o efeito secundário de diminuir a resistência ao fluxo sanguíneo em muitos tipos de pulmões doentes, aliviando a carga de trabalho no coração. A oxigenoterapia é usada para tratar enfisema , pneumonia , alguns distúrbios cardíacos ( insuficiência cardíaca congestiva ), alguns distúrbios que causam aumento da pressão da artéria pulmonar e qualquer doença que prejudique a capacidade do corpo de absorver e usar oxigênio gasoso. [104]
Os tratamentos são flexíveis o suficiente para serem usados em hospitais, na casa do paciente ou, cada vez mais, por dispositivos portáteis. As tendas de oxigênio já foram comumente usadas na suplementação de oxigênio, mas desde então foram substituídas principalmente pelo uso de máscaras de oxigênio ou cânulas nasais . [105]
A medicina hiperbárica (alta pressão) usa câmaras especiais de oxigênio para aumentar a pressão parcial de O
2em torno do paciente e, quando necessário, da equipe médica. [106] O envenenamento por monóxido de carbono , a gangrena gasosa e a doença de descompressão (as "curvas") são algumas vezes tratadas com esta terapia. [107] Aumento do O
2concentração nos pulmões ajuda a deslocar o monóxido de carbono do grupo heme da hemoglobina . [108] [109] O gás oxigênio é venenoso para as bactérias anaeróbicas que causam gangrena gasosa, portanto, aumentar sua pressão parcial ajuda a matá-las. [110] [111] A doença de descompressão ocorre em mergulhadores que descomprimem muito rapidamente após um mergulho, resultando na formação de bolhas de gás inerte, principalmente nitrogênio e hélio, no sangue. Aumentar a pressão de O
2o mais rápido possível ajuda a redissolver as bolhas de volta para o sangue para que esses gases em excesso possam ser exalados naturalmente pelos pulmões. [104] [112] [113] A administração de oxigênio normobárico na concentração mais alta disponível é frequentemente usada como primeiros socorros para qualquer lesão de mergulho que possa envolver a formação de bolhas de gás inerte nos tecidos. Há suporte epidemiológico para seu uso a partir de um estudo estatístico de casos registrados em um banco de dados de longo prazo. [114] [115] [116]
Suporte de vida e uso recreativo
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2é usado em trajes espaciais .
Uma aplicação de O
2como um gás respiratório de baixa pressão está em trajes espaciais modernos , que envolvem o corpo de seus ocupantes com o gás respiratório. Esses dispositivos usam oxigênio quase puro em cerca de um terço da pressão normal, resultando em uma pressão parcial sanguínea normal de O
2. Essa compensação de maior concentração de oxigênio por menor pressão é necessária para manter a flexibilidade do traje. [117] [118]
Mergulhadores e submarinos com fornecimento de oxigênio fornecido artificialmente também dependem de oxigênio fornecido artificialmente.
2. Submarinos, submersíveis e trajes de mergulho atmosférico geralmente operam em pressão atmosférica normal. O ar respirável é limpo de dióxido de carbono por extração química e o oxigênio é substituído para manter uma pressão parcial constante. Mergulhadores de pressão ambiente respiram ar ou misturas de gases com uma fração de oxigênio adequada à profundidade operacional. O puro ou quase puro
2o uso em mergulhos em pressões maiores que a atmosférica é geralmente limitado a rebreathers , ou descompressão em profundidades relativamente rasas (~6 metros de profundidade, ou menos), [119] [120] ou tratamento médico em câmaras de recompressão em pressões de até 2,8 bar, onde a toxicidade aguda de oxigênio pode ser controlada sem o risco de afogamento. Mergulhos mais profundos requerem diluição significativa de O
2com outros gases, como nitrogênio ou hélio, para evitar a toxicidade do oxigênio . [119]
Pessoas que escalam montanhas ou voam em aeronaves de asa fixa não pressurizadas às vezes têm O suplementar
2suprimentos. [i] Aviões comerciais pressurizados têm um suprimento de emergência de O
2automaticamente fornecido aos passageiros em caso de despressurização da cabine. A perda repentina de pressão da cabine ativa geradores químicos de oxigênio acima de cada assento, fazendo com que as máscaras de oxigênio caiam. Puxar as máscaras "para iniciar o fluxo de oxigênio", conforme as instruções de segurança da cabine, força as limalhas de ferro para o clorato de sódio dentro do recipiente. [73] Um fluxo constante de gás oxigênio é então produzido pela reação exotérmica .
O oxigênio, como um eufórico suave , tem um histórico de uso recreativo em bares de oxigênio e em esportes . Os bares de oxigênio são estabelecimentos encontrados nos Estados Unidos desde o final da década de 1990 que oferecem O mais alto do que o normal
2exposição por uma taxa mínima. [121] Atletas profissionais, especialmente no futebol americano , às vezes saem do campo entre as jogadas para vestir máscaras de oxigênio para aumentar o desempenho. O efeito farmacológico é questionado; um efeito placebo é uma explicação mais provável. [121] Os estudos disponíveis apoiam um aumento de desempenho de misturas enriquecidas com oxigênio apenas se forem inaladas durante exercícios aeróbicos . [122]
Outros usos recreativos que não envolvem respiração incluem aplicações pirotécnicas , como a ignição de churrasqueiras em cinco segundos por George Goble . [123]
Industrial

2é usado para fundir e/ou descarbonetar ferro .
A fundição de minério de ferro em aço consome 55% do oxigênio produzido comercialmente. [73] Neste processo, O
2é injetado através de uma lança de alta pressão no ferro fundido, que remove impurezas de enxofre e excesso de carbono como os respectivos óxidos, SO
2e CO
2. As reações são exotérmicas , então a temperatura aumenta para 1.700 ° C. [73]
Outros 25% do oxigênio produzido comercialmente são usados pela indústria química. [73] O etileno reage com O
2para criar óxido de etileno , que, por sua vez, é convertido em etilenoglicol ; o principal material de alimentação usado para fabricar uma série de produtos, incluindo anticongelantes e polímeros de poliéster (os precursores de muitos plásticos e tecidos ). [73]
A maior parte dos restantes 20% do oxigénio produzido comercialmente é utilizado em aplicações médicas, corte e soldadura de metais , como oxidante em combustível de foguetes e no tratamento de água . [73] O oxigénio é utilizado na soldadura oxiacetileno , queimando acetileno com O
2para produzir uma chama muito quente. Neste processo, o metal de até 60 cm (24 pol) de espessura é primeiro aquecido com uma pequena chama de oxi-acetileno e então rapidamente cortado por um grande fluxo de O
2. [124]
Compostos

2O ) é o composto de oxigênio mais conhecido.
O estado de oxidação do oxigênio é −2 em quase todos os compostos conhecidos de oxigênio. O estado de oxidação −1 é encontrado em alguns compostos, como peróxidos . [125] Compostos contendo oxigênio em outros estados de oxidação são muito incomuns: −1/2 ( superóxidos ), −1/3 ( ozonídeos ), 0 ( ácido elementar , hipofluoroso ), +1/2 ( dioxigenil ), +1 ( difluoreto de dioxigênio ) e +2 ( difluoreto de oxigênio ). [126]
Óxidos e outros compostos inorgânicos
Água ( H
2O ) é um óxido de hidrogênio e o composto de oxigênio mais familiar. Os átomos de hidrogênio são covalentemente ligados ao oxigênio em uma molécula de água, mas também têm uma atração adicional (cerca de 23,3 kJ/mol por átomo de hidrogênio) para um átomo de oxigênio adjacente em uma molécula separada. [127] Essas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água as mantêm aproximadamente 15% mais próximas do que o que seria esperado em um líquido simples com apenas forças de van der Waals . [128] [j]

Devido à sua eletronegatividade , o oxigênio forma ligações químicas com quase todos os outros elementos para dar óxidos correspondentes . A superfície da maioria dos metais, como alumínio e titânio , é oxidada na presença de ar e fica revestida com uma fina película de óxido que passiva o metal e retarda a corrosão . Muitos óxidos dos metais de transição são compostos não estequiométricos , com um pouco menos de metal do que a fórmula química mostraria. Por exemplo, o mineral FeO ( wüstita ) é escrito como , onde x é geralmente em torno de 0,05. [129]
O oxigênio está presente na atmosfera em pequenas quantidades na forma de dióxido de carbono ( CO
2). A rocha da crosta terrestre é composta em grande parte por óxidos de silício ( sílica SiO
2, como encontrado em granito e quartzo ), alumínio ( óxido de alumínio Al
2O
3, em bauxita e corindo ), ferro ( óxido de ferro(III) Fe
2O
3, em hematita e ferrugem ), e carbonato de cálcio (em calcário ). O resto da crosta terrestre também é feito de compostos de oxigênio, em particular vários silicatos complexos (em minerais de silicato ). O manto da Terra, de massa muito maior do que a crosta, é amplamente composto de silicatos de magnésio e ferro.
Silicatos solúveis em água na forma de Na
4SiO
4, N / D
2SiO
3, e Na
2Si
2O
5são usados como detergentes e adesivos . [130]
O oxigênio também atua como um ligante para metais de transição, formando complexos de dioxigênio de metais de transição , que apresentam metal– O
2. Esta classe de compostos inclui as proteínas heme hemoglobina e mioglobina . [131] Uma reação exótica e incomum ocorre com PtF
6, que oxida o oxigênio para dar O 2 + PtF 6 − , hexafluoroplatinato de dioxigenila . [132]
Compostos orgânicos

Entre as classes mais importantes de compostos orgânicos que contêm oxigênio estão (onde "R" é um grupo orgânico): álcoois (R-OH); éteres (ROR); cetonas (R-CO-R); aldeídos (R-CO-H); ácidos carboxílicos (R-COOH); ésteres (R-COO-R); anidridos ácidos (R-CO-O-CO-R); e amidas ( R-CO-NR
2). Existem muitos solventes orgânicos importantes que contêm oxigênio, incluindo: acetona , metanol , etanol , isopropanol , furano , THF , éter dietílico , dioxano , acetato de etila , DMF , DMSO , ácido acético e ácido fórmico . Acetona ( (CH
3)
2CO ) e fenol ( C
6E
5OH ) são usados como materiais alimentadores na síntese de muitas substâncias diferentes. Outros compostos orgânicos importantes que contêm oxigênio são: glicerol , formaldeído , glutaraldeído , ácido cítrico , anidrido acético e acetamida . Epóxidos são éteres nos quais o átomo de oxigênio faz parte de um anel de três átomos. O elemento é similarmente encontrado em quase todas as biomoléculas que são importantes para (ou geradas por) a vida.
O oxigênio reage espontaneamente com muitos compostos orgânicos à temperatura ambiente ou abaixo dela, em um processo chamado autoxidação . [133] A maioria dos compostos orgânicos que contêm oxigênio não são produzidos pela ação direta do O
2. Os compostos orgânicos importantes na indústria e no comércio que são produzidos pela oxidação direta de um precursor incluem óxido de etileno e ácido peracético . [130]
Segurança e precauções
Perigos | |
---|---|
Rotulagem GHS : | |
![]() | |
H272 | |
P220 , P244 , P370+P376 , P403 | |
NFPA 704 (diamante de fogo) |
A norma NFPA 704 classifica o gás oxigênio comprimido como não perigoso para a saúde, não inflamável e não reativo, mas um oxidante. O oxigênio líquido refrigerado (LOX) recebe uma classificação de risco à saúde de 3 (para risco aumentado de hiperóxia de vapores condensados e para perigos comuns a líquidos criogênicos, como congelamento), e todas as outras classificações são as mesmas da forma de gás comprimido. [134]
Toxicidade

Gás oxigênio ( O
2) pode ser tóxico em pressões parciais elevadas , levando a convulsões e outros problemas de saúde. [119] [k] [136] A toxicidade do oxigênio geralmente começa a ocorrer em pressões parciais maiores que 50 quilopascais ( kPa), o que equivale a cerca de 50% da composição de oxigênio na pressão padrão ou 2,5 vezes o nível normal do mar O
2pressão parcial de cerca de 21 kPa. Isso não é um problema, exceto para pacientes em ventiladores mecânicos , uma vez que o gás fornecido por máscaras de oxigênio em aplicações médicas é tipicamente composto de apenas 30–50% de O
2por volume (cerca de 30 kPa à pressão padrão). [13]
Antigamente, os bebês prematuros eram colocados em incubadoras contendo O
2-ar rico, mas essa prática foi descontinuada depois que alguns bebês ficaram cegos devido ao alto teor de oxigênio. [13]
Respirando puro O
2em aplicações espaciais, como em alguns trajes espaciais modernos, ou nas primeiras naves espaciais como a Apollo , não causa danos devido às baixas pressões totais utilizadas. [117] [137] No caso de trajes espaciais, o O
2a pressão parcial no gás respiratório é, em geral, cerca de 30 kPa (1,4 vezes o normal) e o O resultante
2a pressão parcial no sangue arterial do astronauta é apenas marginalmente maior do que o O normal ao nível do mar
2pressão parcial. [138]
A toxicidade do oxigênio nos pulmões e no sistema nervoso central também pode ocorrer no mergulho profundo e no mergulho com suprimento de superfície . [13] [119] A respiração prolongada de uma mistura de ar com um O
2pressão parcial superior a 60 kPa pode eventualmente levar à fibrose pulmonar permanente . [139] A exposição a um O
2pressão parcial maior que 160 kPa (cerca de 1,6 atm) pode levar a convulsões (normalmente fatais para mergulhadores). A toxicidade aguda de oxigênio (causando convulsões, seu efeito mais temido para mergulhadores) pode ocorrer pela respiração de uma mistura de ar com 21% de O
2a 66 m (217 pés) ou mais de profundidade; a mesma coisa pode ocorrer ao respirar 100% O
2a apenas 6 m (20 pés). [139] [140] [141] [142]
Combustão e outros perigos

2a uma pressão maior que a normal e uma faísca levou a um incêndio e à perda da tripulação da Apollo 1 .
Fontes altamente concentradas de oxigênio promovem combustão rápida. Riscos de incêndio e explosão existem quando oxidantes e combustíveis concentrados são colocados em proximidade; um evento de ignição, como calor ou uma faísca, é necessário para desencadear a combustão. [36] O oxigênio é o oxidante, não o combustível.
O concentrado
2permitirá que a combustão prossiga de forma rápida e energética. [36] Tubos de aço e recipientes de armazenamento usados para armazenar e transmitir oxigênio gasoso e líquido atuarão como combustível; e, portanto, o projeto e a fabricação de O
2sistemas requer treinamento especial para garantir que as fontes de ignição sejam minimizadas. [36] O incêndio que matou a tripulação da Apollo 1 em um teste de plataforma de lançamento se espalhou tão rapidamente porque a cápsula estava pressurizada com O puro
2mas a uma pressão ligeiramente superior à atmosférica, em vez da pressão normal de 1 ⁄ 3 que seria usada numa missão. [l] [144]
Derramamentos de oxigênio líquido, se forem absorvidos por matéria orgânica, como madeira , produtos petroquímicos e asfalto , podem fazer com que esses materiais detonem de forma imprevisível em impactos mecânicos subsequentes. [36]
Veja também
- História geológica do oxigênio
- Hipóxia (ambiental) para O
2esgotamento na ecologia aquática - Desoxigenação oceânica
- Hipóxia (médica) , falta de oxigênio
- Limitando a concentração de oxigênio
- Compostos de oxigênio
- Planta de oxigênio
- Sensor de oxigênio
- Oxigênio escuro
Notas
- ^ Esses resultados foram amplamente ignorados até 1860. Parte dessa rejeição se deveu à crença de que átomos de um elemento não teriam afinidade química com átomos do mesmo elemento, e parte se deveu a aparentes exceções à lei de Avogadro que não foram explicadas até mais tarde em termos de moléculas dissociadas.
- ^ Um orbital é um conceito da mecânica quântica que modela um elétron como uma partícula ondulatória que tem uma distribuição espacial em torno de um átomo ou molécula.
- ^ O paramagnetismo do oxigênio pode ser usado analiticamente em analisadores de gás de oxigênio paramagnéticos que determinam a pureza do oxigênio gasoso. ( "Literatura da empresa de analisadores de oxigênio (triplet)". Servomex. Arquivado do original em 8 de março de 2008. Recuperado em 15 de dezembro de 2007 .)
- ^ Os valores apresentados são para valores até 80 km (50 mi) acima da superfície
- ^ As membranas tilacoides são parte dos cloroplastos em algas e plantas, enquanto são simplesmente uma das muitas estruturas de membrana em cianobactérias. Na verdade, acredita-se que os cloroplastos tenham evoluído de cianobactérias que já foram parceiras simbióticas dos progenitores de plantas e algas.
- ^ A oxidação da água é catalisada por um complexo enzimático contendo manganês conhecido como complexo de evolução de oxigênio (OEC) ou complexo de divisão de água encontrado associado ao lado luminal das membranas tilacóides. O manganês é um cofator importante , e cálcio e cloreto também são necessários para que a reação ocorra. (Raven 2005)
- ^ (1,8 gramas/min/pessoa)×(60 min/h)×(24 h/dia)×(365 dias/ano)×(6,6 bilhões de pessoas)/1.000.000 g/t=6,24 bilhões de toneladas
- ^ abcd Derivado de valores de mmHg usando 0,133322 kPa/mmHg
- ^ A razão é que o aumento da proporção de oxigênio no gás respiratório em baixa pressão atua para aumentar o O inspirado
2pressão parcial mais próxima daquela encontrada ao nível do mar. - ^ Além disso, como o oxigênio tem uma eletronegatividade maior que o hidrogênio, a diferença de carga o torna uma molécula polar . As interações entre os diferentes dipolos de cada molécula causam uma força de atração líquida.
- ^ Desde O
2A pressão parcial de é a fração de O
2vezes a pressão total, pressões parciais elevadas podem ocorrer devido a altos níveis de O
2fração no gás respirável ou da alta pressão do gás respirável, ou uma combinação de ambos. - ^ Nenhuma fonte de ignição do incêndio foi identificada de forma conclusiva, embora algumas evidências apontem para um arco de uma faísca elétrica. [143]
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Referências gerais
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Links externos
- Oxigênio na Tabela Periódica de Vídeos (Universidade de Nottingham)
- Agentes oxidantes > Oxigênio
- Propriedades, usos e aplicações do oxigênio (O2)
- Artigo de Roald Hoffmann sobre "A História de O"
- WebElements.com – Oxigênio
- Oxigênio em In Our Time na BBC
- Instituto Scripps: Oxigênio atmosférico vem caindo há 20 anos