Oxigênio: propriedades, estrutura, riscos, usos - Ciência - 2023

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o oxigênio é um elemento químico representado pelo símbolo O. É um gás muito reativo, que lidera o grupo 16: calcógenos. Esse nome se deve ao fato de que o enxofre e o oxigênio estão presentes em quase todos os minerais.

Sua alta eletronegatividade explica sua grande ganância por elétrons, o que o leva a se combinar com um grande número de elementos; É assim que surge uma grande variedade de óxidos minerais que enriquecem a crosta terrestre. Assim, o oxigênio remanescente se compõe e torna a atmosfera respirável.

O oxigênio é o terceiro elemento mais abundante no Universo, atrás do hidrogênio e do hélio, e também é o principal constituinte em massa da crosta terrestre. Tem uma porcentagem volumétrica de 20,8% da atmosfera terrestre e representa 89% da massa de água.

Geralmente tem duas formas alotrópicas: oxigênio diatômico (O₂), que é a forma mais comum na natureza, e o ozônio (O₃), encontrado na estratosfera. No entanto, existem dois outros (O₄ Eu₈) que existem em suas fases líquidas ou sólidas e sob enorme pressão.

O oxigênio é constantemente produzido através do processo de fotossíntese, realizado pelo fitoplâncton e plantas terrestres. Uma vez produzido, é liberado para que os seres vivos possam utilizá-lo, enquanto uma pequena parte dele se dissolve nos mares, sustentando a vida aquática.

Portanto, é um elemento essencial para os seres vivos; não só porque está presente na maioria dos compostos e moléculas que os constituem, mas também porque intervém em todos os seus processos metabólicos.

Embora seu isolamento seja controversamente atribuído a Carl Scheele e Joseph Priestley em 1774, há indicações de que o oxigênio foi realmente isolado pela primeira vez em 1608, por Michael Sendivogius.

Este gás é utilizado na prática médica para melhorar as condições de vida de pacientes com dificuldades respiratórias. Da mesma forma, o oxigênio é usado para permitir que as pessoas cumpram suas funções em ambientes onde há pouco ou nenhum acesso ao oxigênio atmosférico.

O oxigênio produzido comercialmente é usado principalmente na indústria metalúrgica para a conversão de ferro em aço.

História

Espírito nitroariano

Em 1500, Leonardo da Vinci, com base nas experiências de Filo de Bizâncio realizadas no século II aC. C., concluiu que uma parte do ar foi consumida durante a combustão e respiração.

Em 1608, Cornelius Drebble mostrou que, ao aquecer salitre (nitrato de prata, KNO₃) um gás foi produzido. Esse gás, como seria conhecido mais tarde, era o oxigênio; mas Drebble não conseguiu identificá-lo como um novo item.

Então, em 1668, John Majow apontou que uma parte do ar que ele chamou de "Spiritus nitroaerus" era responsável pelo fogo e que também era consumido durante a respiração e a combustão de substâncias. Majow observou que as substâncias não queimavam na ausência do espírito nitroariano.

Majow realizou a combustão do antimônio, e observou um aumento no peso do antimônio durante sua combustão. Assim, Majow concluiu que o antimônio combinava com o espírito nitroariano.

Descoberta

Embora não tenha recebido o reconhecimento da comunidade científica, em vida ou após sua morte, é provável que Michael Sandivogius (1604) seja o verdadeiro descobridor do oxigênio.

Sandivogius foi um alquimista, filósofo e médico sueco que produziu a decomposição térmica do nitrato de potássio. Suas experiências o levaram à liberação de oxigênio, que ele chamou de "cibus vitae": alimento vital.

Entre 1771 e 1772, o químico sueco Carl W Scheele aqueceu vários compostos: nitrato de potássio, óxido de manganês e óxido de mercúrio. Scheele observou que um gás foi liberado deles que aumentou a combustão, e que ele chamou de "ar de fogo".

Experimentos de Joseph Priestly

Em 1774, o químico inglês Joseph Priestly aqueceu o óxido de mercúrio usando uma lupa de 30 centímetros que concentrava a luz solar. O óxido de mercúrio liberou um gás que fez a vela queimar muito mais rápido do que o normal.

Além disso, Priestly testou o efeito biológico do gás. Para fazer isso, ele colocou um rato em um recipiente fechado que esperava sobreviver por quinze minutos; no entanto, na presença do gás, sobreviveu por uma hora, mais do que o estimado.

Priestly publicou seus resultados em 1774; enquanto Scheele o fez em 1775. Por esta razão, a descoberta do oxigênio é frequentemente atribuída a Priestly.

Oxigênio no ar

Antoine Lavoisier, químico francês (1777), descobriu que o ar contém 20% de oxigênio e que, quando uma substância queima, na verdade está se combinando com o oxigênio.

Lavoisier concluiu que o ganho de peso aparente experimentado pelas substâncias durante sua combustão era devido à perda de peso que ocorre no ar; já que o oxigênio foi combinado com essas substâncias e, portanto, as massas dos reagentes foram conservadas.

Isso permitiu a Lavoisier estabelecer a Lei de Conservação da Matéria. Lavoisier sugeriu o nome de oxigênio que veio da formação de "oxys" e "genes" do ácido raiz. Portanto, oxigênio significa 'formador de ácido'.

Esse nome está errado, pois nem todos os ácidos contêm oxigênio; por exemplo, halogenetos de hidrogênio (HF, HCl, HBr e HI).

Dalton (1810) atribuiu à água a fórmula química HO e, portanto, o peso atômico do oxigênio era 8. Um grupo de químicos, incluindo: Davy (1812) e Berzelius (1814) corrigiu a abordagem de Dalton e concluiu que a fórmula correta para água é H₂O e o peso atômico do oxigênio é 16.

Propriedades físicas e químicas

Aparência

Gás incolor, inodoro e insípido; enquanto o ozônio tem um odor pungente. O oxigênio promove a combustão, mas não é em si um combustível.

Em sua forma líquida (imagem superior), é de cor azul claro e seus cristais também são azulados; mas podem adquirir tons de rosa, laranja e até avermelhados (como será explicado na seção sobre sua estrutura).

Peso atômico

15.999 u.

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

-218,79 ° C

Ponto de ebulição

-182,962 ° C

Densidade

Em condições normais: 1.429 g / L. O oxigênio é um gás mais denso que o ar. Além disso, é um mau condutor de calor e eletricidade. E em seu ponto de ebulição (líquido), a densidade é 1,141 g / mL.

Ponto Triplo

54,361 K e 0,1463 kPa (14,44 atm).

Ponto crítico

154,581 K e 5,043 MPa (49770,54 atm).

Calor de fusão

0,444 kJ / mol.

Calor da vaporização

6,82 kJ / mol.

Capacidade calórica molar

29,378 J / (mol · K).

Pressão de vapor

A uma temperatura de 90 K, tem uma pressão de vapor de 986,92 atm.

Estados de oxidação

-2, -1, +1, +2. O estado de oxidação mais importante é -2 (O^2-).

Eletro-negatividade

3,44 na escala de Pauling

Energia de ionização

Primeiro: 1.313,9 kJ / mol.

Segundo: 3.388,3 kJ / mol.

Terceiro: 5.300,5 kJ / mol.

Ordem magnética

Paramagnético.

Solubilidade em água

A solubilidade do oxigênio na água diminui à medida que a temperatura aumenta. Assim, por exemplo: 14,6 mL de oxigênio / L de água são dissolvidos a 0 ºC e 7,6 mL de oxigênio / L de água a 20 ºC. A solubilidade do oxigênio na água potável é maior do que na água do mar.

Na condição de temperatura de 25 ºC e à pressão de 101,3 kPa, a água potável pode conter 6,04 mL de oxigênio / L de água; enquanto a água do mar apenas 4,95 mL de oxigênio / L de água.

Reatividade

O oxigênio é um gás altamente reativo que reage diretamente com quase todos os elementos em temperatura ambiente e em altas temperaturas; exceto para metais com maiores potenciais de redução do que cobre.

Também pode reagir com compostos, oxidando os elementos presentes neles. É o que acontece quando ele reage com a glicose, por exemplo, para produzir água e dióxido de carbono; ou quando a madeira ou um hidrocarboneto queima.

O oxigênio pode aceitar elétrons por transferência completa ou parcial, por isso é considerado um agente oxidante.

O número ou estado de oxidação mais comum para o oxigênio é -2. Com este número de oxidação é encontrado na água (H₂O), dióxido de enxofre (SO₂) e dióxido de carbono (CO₂).

Além disso, em compostos orgânicos, tais como aldeídos, álcoois, ácidos carboxílicos; ácidos comuns como H₂SW₄, H₂CO₃, HNO₃; e seus sais derivados: Na₂SW₄, N / D₂CO₃ OK não₃. Em todos eles, a existência do O pode ser assumida^2- (o que não é verdade para compostos orgânicos).

Óxidos

O oxigênio está presente como O^2- nas estruturas cristalinas dos óxidos metálicos.

Por outro lado, em superóxidos metálicos, como o superóxido de potássio (KO₂), o oxigênio é como o íon O₂^–. Enquanto em peróxidos de metal, digamos peróxido de bário (BaO₂), o oxigênio ocorre como o íon O₂^2- (BA²⁺OU₂^2-).

Isótopos

O oxigênio tem três isótopos estáveis: ¹⁶O, com abundância de 99,76%; a¹⁷Ou, com 0,04%; e ele ¹⁸Ou, com 0,20%. Observe que o ¹⁶Ou é de longe o isótopo mais estável e abundante.

Estrutura e configuração eletrônica

Molécula de oxigênio e suas interações

O oxigênio em seu estado fundamental é um átomo cuja configuração eletrônica é:

[He] 2s² 2 P⁴

De acordo com a teoria da ligação de valência (TEV), dois átomos de oxigênio são covalentemente ligados de forma que ambos completem separadamente seu octeto de valência; além de ser capaz de emparelhar seus dois elétrons solitários dos orbitais 2p.

Desta forma, então, a molécula de oxigênio diatômica, O₂ (imagem superior), que possui uma ligação dupla (O = O). Sua estabilidade energética é tal que o oxigênio nunca é encontrado como átomos individuais na fase gasosa, mas como moléculas.

Porque o O₂ é homonuclear, linear e simétrico, sem momento de dipolo permanente; portanto, suas interações intermoleculares dependem de sua massa molecular e das forças de espalhamento de London. Essas forças são relativamente fracas para o oxigênio, o que explica por que ele é um gás nas condições da Terra.

No entanto, quando a temperatura cai ou a pressão aumenta, as moléculas de O₂ eles são forçados a se unir; a ponto de suas interações se tornarem significativas e permitirem a formação de oxigênio líquido ou sólido. Para tentar entendê-los molecularmente, é necessário não perder de vista o O₂ como uma unidade estrutural.

Ozônio

O oxigênio pode adotar outras estruturas moleculares consideravelmente estáveis; ou seja, é encontrado na natureza (ou dentro do laboratório) em várias formas alotrópicas. Ozônio (imagem inferior), O₃, por exemplo, é o segundo alótropo de oxigênio mais conhecido.

Novamente, o TEV argumenta, explica e mostra que no O₃ deve haver estruturas de ressonância que estabilizam a carga formal positiva do oxigênio central (linhas vermelhas pontilhadas); enquanto os oxigênios nas extremidades do bumerangue distribuem uma carga negativa, tornando a carga total do ozônio neutra.

Dessa forma, os vínculos não são simples, mas também não são duplos. Exemplos de híbridos de ressonância são muito comuns em muitas moléculas inorgânicas ou íons.

O O₂ Eu₃Como suas estruturas moleculares são diferentes, o mesmo acontece com suas propriedades físicas e químicas, fases líquidas ou cristais (mesmo quando ambos consistem em átomos de oxigênio). Eles teorizam que a síntese em larga escala do ozônio cíclico é provável, cuja estrutura se assemelha a de um triângulo avermelhado oxigenado.

É aqui que terminam os "alótropos normais" do oxigênio. No entanto, existem dois outros a considerar: O₄ Eu₈, encontrado ou proposto em oxigênio líquido e sólido, respectivamente.

Oxigênio líquido

O oxigênio gasoso é incolor, mas quando a temperatura cai para -183 ºC, ele se condensa em um líquido azul claro (semelhante ao azul claro). Interações entre moléculas O₂ agora é tal que até seus elétrons podem absorver fótons na região vermelha do espectro visível para refletir sua cor azul característica.

No entanto, foi teorizado que existem mais do que simples moléculas O neste líquido.₂, mas também uma molécula O₄ (imagem inferior). Parece que o ozônio foi “preso” por outro átomo de oxigênio que de alguma forma intercede pela carga formal positiva que acabamos de descrever.

O problema é que de acordo com simulações computacionais e moleculares, a referida estrutura para O₄ não é exatamente estável; no entanto, eles preveem que existem como unidades (OU₂)₂, ou seja, duas moléculas de O₂ eles se aproximam tanto que formam uma espécie de estrutura irregular (os átomos de O não estão alinhados opostos).

Oxigênio sólido

Quando a temperatura cai para -218,79 ºC, o oxigênio se cristaliza em uma estrutura cúbica simples (fase γ). À medida que a temperatura cai ainda mais, o cristal cúbico sofre transições para as fases β (romboédrica e -229,35 ° C) e α (monoclínica e -249,35 ° C).

Todas essas fases cristalinas do oxigênio sólido ocorrem à pressão ambiente (1 atm). Quando a pressão aumenta para 9 GPa (~ 9000 atm), surge a fase δ, cujos cristais são laranja. Se a pressão continuar a aumentar para 10 GPa, o oxigênio vermelho sólido ou fase ε (novamente monoclínica) aparece.

A fase ε é especial porque a pressão é tão grande que as moléculas O₂ não cabem apenas como unidades O₄, mas também O₈:

Observe que este O₈ consiste em duas unidades O₄ onde o quadro irregular já explicado é apreciado. Da mesma forma, é válido considerá-lo como quatro O's₂ alinhados e em posições verticais. No entanto, sua estabilidade sob esta pressão é tal que O₄ Eu₈ são dois alótropos adicionais para o oxigênio.

E por fim temos a fase de fase, metálica (em pressões maiores que 96 GPa), em que a pressão faz com que os elétrons se dispersem no cristal; assim como acontece com os metais.

Onde encontrar e produção

Minerais

O oxigênio é o terceiro elemento do Universo em massa, atrás do hidrogênio e do hélio. É o elemento mais abundante da crosta terrestre, representando cerca de 50% de sua massa. É encontrado principalmente em combinação com silício, na forma de óxido de silício (SiO₂).

O oxigênio é encontrado como parte de inúmeros minerais, tais como: quartzo, talco, feldspatos, hematita, cuprita, brucita, malaquita, limonita, etc. Da mesma forma, está localizado como parte de vários compostos, como carbonatos, fosfatos, sulfatos, nitratos, etc.

Ar

O oxigênio constitui 20,8% do ar atmosférico por volume. Na troposfera, é encontrada principalmente como uma molécula de oxigênio diatômica. Enquanto na estratosfera, uma camada gasosa entre 15 e 50 km da superfície da Terra, é encontrada como ozônio.

O ozônio é produzido por uma descarga elétrica na molécula O₂. Esse alótropo de oxigênio absorve a luz ultravioleta da radiação solar, bloqueando sua ação nociva no ser humano, que em casos extremos está associada ao aparecimento de melanomas.

Água doce e salgada

O oxigênio é o principal componente da água do mar e água doce de lagos, rios e lençóis freáticos. O oxigênio faz parte da fórmula química da água, constituindo 89% dela em massa.

Por outro lado, embora a solubilidade do oxigênio na água seja relativamente baixa, a quantidade de oxigênio dissolvido nele é essencial para a vida aquática, que inclui muitas espécies de animais e algas.

Seres vivos

O ser humano é formado, aproximadamente, por 60% de água e, ao mesmo tempo, rico em oxigênio. Além disso, o oxigênio faz parte de muitos compostos, como fosfatos, carbonatos, ácidos carboxílicos, cetonas, etc., que são essenciais para a vida.

O oxigênio também está presente em polissacarídeos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos; isto é, as chamadas macromoléculas biológicas.

Também faz parte dos resíduos nocivos da atividade humana, por exemplo: monóxido e dióxido de carbono, bem como dióxido de enxofre.

Produção biológica

O oxigênio é produzido durante a fotossíntese, um processo pelo qual o fitoplâncton marinho e as plantas terrestres usam a energia da luz para fazer o dióxido de carbono reagir com a água, criando glicose e liberando oxigênio.

Estima-se que mais de 55% do oxigênio produzido pela fotossíntese seja devido à ação do fitoplâncton marinho. Portanto, constitui a principal fonte de geração de oxigênio na Terra e é responsável pela manutenção da vida nela.

Produção industrial

Liquefação de ar

O principal método de produção de oxigênio na forma industrial é o criado em 1895, independentemente por Karl Paul Gottfried Von Linde e William Hamson. Este método continua a ser usado hoje com algumas modificações.

O processo começa com uma compressão do ar para condensar o vapor d'água e, assim, eliminá-lo. Em seguida, o ar é peneirado sendo conduzido por uma mistura de zeólita e sílica gel, para a eliminação do dióxido de carbono, dos hidrocarbonetos pesados e do restante da água.

Posteriormente, os componentes do ar líquido são separados por meio de uma destilação fracionada, conseguindo-se a separação dos gases nele presentes por seus diferentes pontos de ebulição. Por este método é possível obter oxigênio com pureza de 99%.

Eletrólise de água

O oxigênio é produzido pela eletrólise de água altamente purificada e com uma condutividade elétrica que não excede 1 µS / cm. A água é separada por eletrólise em seus componentes. O hidrogênio como um cátion se move em direção ao cátodo (-); enquanto o oxigênio se move em direção ao ânodo (+).

Os eletrodos possuem uma estrutura especial para coletar os gases e, posteriormente, produzir sua liquefação.

Decomposição termal

A decomposição térmica de compostos como óxido de mercúrio e salitre (nitrato de potássio) libera oxigênio, que pode ser coletado para uso. Os peróxidos também são usados para esse fim.

Papel biológico

O oxigênio é produzido pelo fitoplâncton e pelas plantas terrestres por meio da fotossíntese. Atravessa a parede pulmonar e é captado no sangue pela hemoglobina, que o transporta para diversos órgãos para posteriormente ser utilizado no metabolismo celular.

Nesse processo, o oxigênio é usado durante o metabolismo dos carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos, para finalmente produzir dióxido de carbono e energia.

A respiração pode ser delineada da seguinte forma:

C₆H₁₂OU₆ + O₂ => CO₂ + H₂O + Energia

A glicose é metabolizada em um conjunto de processos químicos sequenciais, que inclui a glicólise, o ciclo de Krebs, a cadeia de transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa. Essa série de eventos produz energia que se acumula como ATP (trifosfato de adenosina).

O ATP é usado em vários processos nas células, incluindo o transporte de íons e outras substâncias através da membrana plasmática; a absorção intestinal de substâncias; a contração de diferentes células musculares; o metabolismo de diferentes moléculas, etc.

Leucócitos polimorfonucleares e macrófagos são células fagocíticas capazes de usar oxigênio para produzir íons superóxido, peróxido de hidrogênio e oxigênio singlete, que são usados para destruir microrganismos.

Riscos

Respirar oxigênio em altas pressões pode causar náusea, tontura, espasmos musculares, perda de visão, convulsões e perda de consciência. Além disso, respirar oxigênio puro por um longo período causa irritação pulmonar, manifestada por tosse e falta de ar.

Também pode ser a causa da formação de edema pulmonar: uma doença muito grave que limita a função respiratória.

Uma atmosfera com alta concentração de oxigênio pode ser perigosa, pois facilita o desenvolvimento de incêndios e explosões.

Formulários

Doutores

O oxigênio é administrado a pacientes com insuficiência respiratória; É o caso de pacientes com pneumonia, edema pulmonar ou enfisema. Eles não podiam respirar oxigênio ambiente, pois seriam seriamente afetados.

Pacientes com insuficiência cardíaca em que há acúmulo de líquido nos alvéolos também precisam receber oxigênio; bem como pacientes que sofreram um acidente vascular cerebral grave (AVC).

Necessidade ocupacional

Os bombeiros que combatem um incêndio em ambiente com ventilação inadequada, exigem o uso de máscaras e cilindros de oxigênio que lhes permitam o desempenho de suas funções, sem colocar em risco suas vidas.

Os submarinos são equipados com equipamentos de produção de oxigênio que permitem aos marinheiros permanecer em ambientes fechados e sem acesso ao ar atmosférico.

Os mergulhadores fazem seu trabalho submersos na água e, portanto, isolados do ar atmosférico. Eles respiram através do oxigênio bombeado por tubos conectados ao traje de mergulho ou pelo uso de cilindros presos ao corpo do mergulhador.

Os astronautas realizam suas atividades em ambientes equipados com geradores de oxigênio que permitem a sobrevivência durante as viagens espaciais e em uma estação espacial.

Industrial

Mais de 50% do oxigênio produzido industrialmente é consumido na transformação do ferro em aço. Um jato de oxigênio é injetado no ferro fundido para remover o enxofre e o carbono presentes; reagir para produzir os gases SO₂ e companhia₂, respectivamente.

O acetileno é usado em combinação com o oxigênio para cortar placas de metal e também para produzir sua solda. O oxigênio também é utilizado na produção de vidro, aumentando a combustão na queima do vidro para melhorar sua transparência.

Espectrofotometria de absorção atômica

A combinação de acetileno e oxigênio é usada para queimar amostras de diferentes origens em um espectrofotômetro de absorção atômica.

Durante o procedimento, um feixe de luz de uma lâmpada incide sobre a chama, que é específica para o elemento a ser quantificado. A chama absorve a luz da lâmpada, permitindo que o elemento seja quantificado.

Referências

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