Oxígeno

El oxígeno es el elemento químico con el símbolo O y el número atómico 8. Es un miembro del grupo del calcógeno en la tabla periódica, un no metal altamente reactivo y un agente oxidante que forma fácilmente óxidos con la mayoría de los elementos así como con otros compuestos. Por su masa, el oxígeno es el tercer elemento más abundante en el universo, después del hidrógeno y el helio. A temperatura y presión estándar, dos átomos del elemento se unen para formar dioxígeno, un gas diatómico incoloro e inodoro con la fórmula O2. El gas de oxígeno diatómico constituye el 20,8% de la atmósfera de la Tierra. Como compuestos que incluyen óxidos, el elemento constituye casi la mitad de la corteza terrestre.

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

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

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

Historia

Los primeros experimentos

Uno de los primeros experimentos conocidos sobre la relación entre la combustión y el aire fue realizado por el escritor griego del siglo II AEC sobre mecánica, Filón de Bizancio. En su obra Neumática, Philo observó que al invertir un recipiente sobre una vela encendida y rodear el cuello del recipiente con agua, el agua subía hasta el cuello. Philo supuso incorrectamente que partes del aire en el recipiente se convertían en el clásico elemento fuego y por lo tanto eran capaces de escapar a través de los poros del vaso. Muchos siglos después Leonardo da Vinci construyó sobre el trabajo de Philo observando que una porción de aire se consume durante la combustión y la respiración.

A finales del siglo XVII, Robert Boyle demostró que el aire es necesario para la combustión. El químico inglés John Mayow (1641-1679) refinó este trabajo demostrando que el fuego sólo requiere una parte de aire que llamó spiritus nitroaereus. En un experimento, encontró que al colocar un ratón o una vela encendida en un recipiente cerrado sobre el agua, el agua subía y reemplazaba una decimocuarta parte del volumen del aire antes de extinguir a los sujetos. A partir de esto supuso que el nitroaereus se consume tanto en la respiración como en la combustión.

Mayow observó que el antimonio aumentaba de peso cuando se calentaba, e infería que el nitroaereus debía combinarse con él. También pensó que los pulmones separan el nitroaéreo del aire y lo pasan a la sangre y que el calor animal y el movimiento muscular resultan de la reacción del nitroaéreo con ciertas sustancias del cuerpo. Los relatos de estos y otros experimentos e ideas se publicaron en 1668 en su trabajo Tractatus duo en el tracto “De respiratione”.

Teoría del flogisto

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

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

Se pensaba que los materiales altamente combustibles que dejan pocos residuos, como la madera o el carbón, estaban hechos principalmente de flogisto; las sustancias no combustibles que se corroen, como el hierro, contenían muy poco. El aire no desempeñaba un papel en la teoría del flogisto, ni se realizaron experimentos cuantitativos iniciales para probar la idea; en cambio, se basaba en observaciones de lo que sucede cuando algo se quema, que los objetos más comunes parecen volverse más livianos y parecen perder algo en el proceso.

Descubrimiento

El alquimista, filósofo y médico polaco Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) en su obra De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti (1604) describió una sustancia contenida en el aire, refiriéndose a ella como ‘cibus vitae’ (alimento de la vida), y esta sustancia es idéntica al oxígeno. Sendivogius, durante sus experimentos realizados entre 1598 y 1604, reconoció correctamente que la sustancia es equivalente al subproducto gaseoso liberado por la descomposición térmica del nitrato de potasio. En opinión de Bugaj, el aislamiento del oxígeno y la adecuada asociación de la sustancia a la parte del aire necesaria para la vida, da suficiente peso al descubrimiento del oxígeno por parte de Sendivogius. Sin embargo, este descubrimiento de Sendivogius fue frecuentemente negado por las generaciones de científicos y químicos que le sucedieron.

También se afirma comúnmente que el oxígeno fue descubierto por primera vez por el farmacéutico sueco Carl Wilhelm Scheele. Él había producido gas de oxígeno calentando óxido mercúrico y varios nitratos en 1771-2. Scheele llamó al gas “aire de fuego” porque era entonces el único agente conocido para favorecer la combustión. Escribió un relato de este descubrimiento en un manuscrito titulado Tratado sobre el Aire y el Fuego, que envió a su editor en 1775. Ese documento fue publicado en 1777.

Mientras tanto, el 1 de agosto de 1774, un experimento realizado por el clérigo británico Joseph Priestley enfocó la luz solar en el óxido de mercurio (HgO) contenido en un tubo de vidrio, que liberó un gas que él denominó “aire deflogisticado”. Observó que las velas brillaban más en el gas y que un ratón era más activo y vivía más tiempo mientras lo respiraba. Después de respirar el gas él mismo, Priestley escribió: “La sensación que tenía en mis pulmones no era sensiblemente diferente a la del aire común, pero me imaginé que mi pecho se sentía peculiarmente ligero y fácil durante algún tiempo después”. Priestley publicó sus hallazgos en 1775 en un artículo titulado “Un relato de los descubrimientos posteriores en el aire”, que se incluyó en el segundo volumen de su libro titulado “Experimentos y observaciones sobre diferentes tipos de aire”. Debido a que publicó sus hallazgos primero, a Priestley se le suele dar prioridad en el descubrimiento.

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

La contribución de Lavoisier

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

En un experimento, Lavoisier observó que no había un aumento general de peso cuando se calentaban el estaño y el aire en un recipiente cerrado. Observó que el aire se precipitaba al abrir el recipiente, lo que indicaba que parte del aire atrapado se había consumido. También observó que el peso de la lata había aumentado y que ese aumento era igual al peso del aire que volvía a entrar. Este y otros experimentos de combustión fueron documentados en su libro Sur la combustion en général, publicado en 1777. En ese trabajo, demostró que el aire es una mezcla de dos gases; “aire vital”, que es esencial para la combustión y la respiración, y el azote (Gk. ἄζωτον “sin vida”), que tampoco apoyaba. El azote se convirtió más tarde en nitrógeno en inglés, aunque ha conservado el nombre anterior en francés y en varios otros idiomas europeos.

Lavoisier cambió el nombre de “aire vital” por el de oxigeno en 1777 a partir de las raíces griegas ὀξύς (oxys) (ácido, literalmente “afilado”, del sabor de los ácidos) y -γενής (-genēs) (productor, literalmente engendrador), porque creyó erróneamente que el oxígeno era un constituyente de todos los ácidos. Los químicos (como Sir Humphry Davy en 1812) determinaron finalmente que Lavoisier estaba equivocado en este sentido (el hidrógeno forma la base de la química de los ácidos), pero para entonces el nombre estaba demasiado bien establecido.

El oxígeno entró en el idioma inglés a pesar de la oposición de los científicos ingleses y el hecho de que el inglés Priestley había aislado primero el gas y escrito sobre él. Esto se debe en parte a un poema que elogia el gas titulado “Oxígeno” en el popular libro El Jardín Botánico (1791) de Erasmus Darwin, abuelo de Charles Darwin.

Later history

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

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

En 1891 el químico escocés James Dewar pudo producir suficiente oxígeno líquido para su estudio. El primer proceso comercialmente viable para producir oxígeno líquido fue desarrollado independientemente en 1895 por el ingeniero alemán Carl von Linde y el ingeniero británico William Hampson. Ambos bajaron la temperatura del aire hasta que se licuó y luego destilaron los gases componentes hirviéndolos de uno en uno y capturándolos por separado. Más tarde, en 1901, se demostró por primera vez la soldadura de oxiacetileno quemando una mezcla de acetileno y O2 comprimido. Este método de soldadura y corte de metal se hizo más tarde común.

En 1923, el científico estadounidense Robert H. Goddard fue la primera persona en desarrollar un motor de cohete que quemaba combustible líquido; el motor utilizaba gasolina como combustible y oxígeno líquido como oxidante. Goddard voló con éxito un pequeño cohete de combustible líquido de 56 m a 97 km/h el 16 de marzo de 1926 en Auburn, Massachusetts, Estados Unidos.

En los laboratorios académicos, el oxígeno puede prepararse calentando juntos el clorato de potasio mezclado con una pequeña proporción de dióxido de manganeso.

Los niveles de oxígeno en la atmósfera tienden ligeramente a la baja a nivel mundial, posiblemente debido a la quema de combustibles fósiles.

Ocurrencia natural

El oxígeno es el elemento químico más abundante en masa en la biosfera, aire, mar y tierra de la Tierra. El oxígeno es el tercer elemento químico más abundante en el universo, después del hidrógeno y el helio. Alrededor del 0,9% de la masa del Sol es oxígeno. El oxígeno constituye el 49,2% de la masa de la corteza terrestre como parte de compuestos de óxido como el dióxido de silicio y es el elemento más abundante en masa en la corteza terrestre. También es el principal componente de los océanos del mundo (88,8% en masa). El gas oxígeno es el segundo componente más común de la atmósfera de la Tierra, ocupando el 20,8% de su volumen y el 23,1% de su masa (unas 1015 toneladas). La Tierra es inusual entre los planetas del Sistema Solar por tener una concentración tan alta de gas oxígeno en su atmósfera: Marte (con un 0,1% de O2 en volumen) y Venus tienen mucho menos. El O2 que rodea a esos planetas se produce únicamente por la acción de la radiación ultravioleta sobre las moléculas que contienen oxígeno, como el dióxido de carbono. Mapa del mundo que muestra que el oxígeno de la superficie del mar se agota alrededor del ecuador y aumenta hacia los polos.

La inusualmente alta concentración de gas de oxígeno en la Tierra es el resultado del ciclo del oxígeno. Este ciclo biogeoquímico describe el movimiento del oxígeno dentro y entre sus tres principales reservas en la Tierra: la atmósfera, la biosfera y la litosfera. El principal factor impulsor del ciclo de oxígeno es la fotosíntesis, que es responsable de la atmósfera de la Tierra moderna. La fotosíntesis libera el oxígeno en la atmósfera, mientras que la respiración, la descomposición y la combustión lo eliminan de la atmósfera. En el equilibrio actual, la producción y el consumo se producen a la misma velocidad.

El oxígeno libre también se encuentra en solución en los cuerpos de agua del mundo. El aumento de la solubilidad del O2 a temperaturas más bajas (véase Propiedades físicas) tiene importantes consecuencias para la vida en los océanos, ya que los océanos polares soportan una densidad de vida mucho mayor debido a su mayor contenido de oxígeno. El agua contaminada con nutrientes vegetales como los nitratos o los fosfatos puede estimular el crecimiento de las algas mediante un proceso denominado eutrofización, y la descomposición de estos organismos y otros biomateriales puede reducir el contenido de O2 en las masas de agua eutróficas. Los científicos evalúan este aspecto de la calidad del agua midiendo la demanda bioquímica de oxígeno del agua, o la cantidad de O2 necesaria para restablecerla a una concentración normal.

Análisis

Evolución temporal de la concentración de oxígeno-18 en la escala de 500 millones de años mostrando muchos picos locales.

Los paleoclimatólogos miden la proporción de oxígeno-18 y oxígeno-16 en las conchas y esqueletos de los organismos marinos para determinar el clima hace millones de años (véase el ciclo de la proporción de isótopos de oxígeno). Las moléculas de agua de mar que contienen el isótopo más ligero, el oxígeno-16, se evaporan a una velocidad ligeramente superior a la de las moléculas de agua que contienen el oxígeno-18, que es un 12% más pesado, y esta disparidad aumenta a temperaturas más bajas. Durante los períodos de temperaturas mundiales más bajas, la nieve y la lluvia de esa agua evaporada tiende a ser más alta en oxígeno-16, y el agua de mar que queda atrás tiende a ser más alta en oxígeno-18. Los organismos marinos incorporan entonces más oxígeno-18 en sus esqueletos y caparazones de lo que lo harían en un clima más cálido. Los paleoclimatólogos también miden directamente esta proporción en las moléculas de agua de muestras de núcleos de hielo tan antiguas como cientos de miles de años.

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

El oxígeno presenta dos bandas de absorción espectrofotométricas que alcanzan un pico en las longitudes de onda de 687 y 760 nm. Algunos científicos de la teleobservación han propuesto utilizar la medición del resplandor procedente de las copas de la vegetación en esas bandas para caracterizar el estado fitosanitario desde una plataforma satelital. Este enfoque aprovecha el hecho de que en esas bandas es posible discriminar la reflectancia de la vegetación de su fluorescencia, que es mucho más débil. La medición es técnicamente difícil debido a la baja relación señal-ruido y a la estructura física de la vegetación; pero se ha propuesto como posible método de vigilancia del ciclo del carbono desde los satélites a escala mundial.

Producción

Cien millones de toneladas de O2 se extraen del aire para usos industriales anualmente por dos métodos primarios. El método más común es la destilación fraccionada de aire licuado, en la que el N2 se destila en forma de vapor mientras que el O2 se deja en forma de líquido.

El otro método primario para producir O2 es hacer pasar una corriente de aire limpio y seco a través de un lecho de un par de tamices moleculares de zeolita idénticos, que absorbe el nitrógeno y entrega una corriente de gas que es 90% a 93% de O2. Simultáneamente, el gas nitrógeno se libera del otro lecho de zeolita saturada de nitrógeno, reduciendo la presión de funcionamiento de la cámara y desviando parte del gas oxígeno del lecho productor a través de él, en la dirección inversa del flujo. Después de un tiempo de ciclo establecido se intercambia el funcionamiento de los dos lechos, permitiendo así un suministro continuo de oxígeno gaseoso que se bombea a través de una tubería. Esto se conoce como adsorción por oscilación de presión. El gas de oxígeno se obtiene cada vez más mediante estas tecnologías no criogénicas (véase también la adsorción por oscilación de vacío relacionada).

El gas oxígeno también puede producirse mediante la electrólisis del agua en oxígeno molecular e hidrógeno. Se debe utilizar electricidad de corriente continua: si se utiliza corriente alterna, los gases de cada extremidad consisten en hidrógeno y oxígeno en una proporción explosiva de 2:1. Un método similar es la evolución electrocatalítica del O2 a partir de óxidos y oxoácidos. También pueden utilizarse catalizadores químicos, como en los generadores químicos de oxígeno o en las velas de oxígeno que se utilizan como parte del equipo de apoyo a la vida en los submarinos, y que siguen formando parte del equipo estándar de los aviones comerciales en caso de emergencias de despresurización. Otro método de separación del aire es forzarlo a disolverse a través de membranas cerámicas basadas en el dióxido de zirconio, ya sea por alta presión o por corriente eléctrica, para producir gas O2 casi puro.

Almacenamiento

Los métodos de almacenamiento de oxígeno incluyen tanques de oxígeno de alta presión, criogenia y compuestos químicos. Por razones de economía, el oxígeno suele transportarse a granel en forma líquida en buques cisterna especialmente aislados, ya que un litro de oxígeno licuado equivale a 840 litros de oxígeno gaseoso a presión atmosférica y a 20 °C (68 °F). Esos buques cisterna se utilizan para rellenar los contenedores de almacenamiento de oxígeno líquido a granel, que se encuentran a las afueras de los hospitales y otras instituciones que necesitan grandes volúmenes de gas de oxígeno puro. El oxígeno líquido pasa a través de intercambiadores de calor, que convierten el líquido criogénico en gas antes de que entre en el edificio. El oxígeno también se almacena y se envía en cilindros más pequeños que contienen el gas comprimido; una forma que es útil en ciertas aplicaciones médicas portátiles y en la soldadura y el corte con oxígeno.

Uso económico

Medizin

La captación de O2 del aire es el propósito esencial de la respiración, por lo que la suplementación de oxígeno se utiliza en la medicina. El tratamiento no sólo aumenta los niveles de oxígeno en la sangre del paciente, sino que tiene el efecto secundario de disminuir la resistencia al flujo sanguíneo en muchos tipos de pulmones enfermos, aliviando la carga de trabajo del corazón. La terapia de oxígeno se utiliza para tratar el enfisema, la neumonía, algunos trastornos cardíacos (insuficiencia cardíaca congestiva), algunos trastornos que causan un aumento de la presión arterial pulmonar y cualquier enfermedad que perjudique la capacidad del cuerpo para absorber y utilizar el oxígeno gaseoso.

Los tratamientos son lo suficientemente flexibles como para ser utilizados en hospitales, en el hogar del paciente o, cada vez más, mediante dispositivos portátiles. Las tiendas de oxígeno se utilizaban antiguamente de forma habitual en la suplementación de oxígeno, pero desde entonces han sido sustituidas en su mayoría por el uso de máscaras de oxígeno o cánulas nasales.

La medicina hiperbárica (de alta presión) utiliza cámaras de oxígeno especiales para aumentar la presión parcial de O2 alrededor del paciente y, cuando es necesario, del personal médico. El envenenamiento por monóxido de carbono, la gangrena gaseosa y la enfermedad de la descompresión (los “codos”) se abordan a veces con esta terapia. El aumento de la concentración de O2 en los pulmones ayuda a desplazar el monóxido de carbono del grupo heme de la hemoglobina. El gas oxígeno es venenoso para las bacterias anaeróbicas que causan la gangrena gaseosa, por lo que el aumento de su presión parcial ayuda a matarlas. La enfermedad de descompresión se produce en los buceadores que se descomprimen demasiado rápido después de una inmersión, lo que da lugar a la formación de burbujas de gas inerte, principalmente nitrógeno y helio, en la sangre. Aumentar la presión de O2 lo antes posible ayuda a que las burbujas vuelvan a disolverse en la sangre para que estos gases en exceso puedan ser exhalados de forma natural a través de los pulmones. La administración de oxígeno normobárico en la concentración más alta disponible se utiliza frecuentemente como primeros auxilios para cualquier lesión de buceo que pueda implicar la formación de burbujas de gas inerte en los tejidos. Su uso cuenta con el apoyo epidemiológico de un estudio estadístico de casos registrados en una base de datos a largo plazo.

Life support and recreational use

Una aplicación del O2 como gas de respiración de baja presión se encuentra en los modernos trajes espaciales, que rodean el cuerpo de sus ocupantes con el gas de respiración. Estos dispositivos utilizan oxígeno casi puro a una presión normal de aproximadamente un tercio, lo que resulta en una presión parcial normal de O2 en la sangre. Este equilibrio entre una mayor concentración de oxígeno y una menor presión es necesario para mantener la flexibilidad del traje.

Los buzos y submarinistas de superficie y los submarinistas también dependen del O2 suministrado artificialmente. Los submarinos, los sumergibles y los trajes de buceo atmosférico suelen funcionar a presión atmosférica normal. El aire respirable se limpia de dióxido de carbono mediante extracción química y el oxígeno se reemplaza para mantener una presión parcial constante. Los buzos a presión atmosférica respiran aire o mezclas de gases con una fracción de oxígeno adecuada a la profundidad de trabajo. El uso de O2 puro o casi puro en el buceo a presiones más altas que las atmosféricas se limita generalmente a los reinspiradores, o a la descompresión a profundidades relativamente poco profundas (~6 metros de profundidad, o menos), o al tratamiento médico en cámaras de recompresión a presiones de hasta 2,8 bares, donde se puede manejar la toxicidad aguda del oxígeno sin riesgo de ahogarse. El buceo profundo requiere una dilución significativa de O2 con otros gases, como el nitrógeno o el helio, para evitar la toxicidad del oxígeno.

Las personas que escalan montañas o vuelan en aeronaves de ala fija no presurizadas a veces tienen suministros suplementarios de O2. Los aviones comerciales presurizados tienen un suministro de emergencia de O2 que se suministra automáticamente a los pasajeros en caso de despresurización de la cabina. La pérdida repentina de presión en la cabina activa los generadores químicos de oxígeno encima de cada asiento, lo que provoca la caída de las máscaras de oxígeno. Al tirar de las máscaras “para iniciar el flujo de oxígeno”, tal y como dictan las instrucciones de seguridad de la cabina, se obliga a que las limaduras de hierro entren en el clorato de sodio del interior del recipiente. La reacción exotérmica produce un flujo constante de gas de oxígeno.

El oxígeno, como una euforia leve, tiene un historial de uso recreativo en bares de oxígeno y en deportes. Los bares de oxígeno son establecimientos que se encuentran en los Estados Unidos desde finales de la década de 1990 que ofrecen una exposición al O2 superior a la normal por una tarifa mínima. Los atletas profesionales, especialmente en el fútbol americano, a veces se salen del campo de juego entre jugadas para ponerse máscaras de oxígeno para aumentar el rendimiento. Se duda del efecto farmacológico; un efecto placebo es una explicación más probable. Los estudios disponibles apoyan un aumento del rendimiento con mezclas enriquecidas con oxígeno sólo si se respira durante el ejercicio aeróbico.

Otros usos recreativos que no implican la respiración incluyen aplicaciones pirotécnicas, como el encendido de cinco segundos de las parrillas de la barbacoa de George Goble.

Industria

La fundición de mineral de hierro en acero consume el 55% del oxígeno producido comercialmente. En este proceso, el O2 se inyecta a través de una lanza de alta presión en el hierro fundido, que elimina las impurezas de azufre y el exceso de carbono como los respectivos óxidos, SO2 y CO2. Las reacciones son exotérmicas, por lo que la temperatura aumenta hasta los 1.700 °C.

Otro 25% del oxígeno producido comercialmente es utilizado por la industria química. El etileno se hace reaccionar con el O2 para crear óxido de etileno, que a su vez se convierte en etilenglicol; el principal material de alimentación utilizado para fabricar una gran cantidad de productos, incluidos el anticongelante y los polímeros de poliéster (los precursores de muchos plásticos y tejidos).

La mayor parte del 20% restante del oxígeno producido comercialmente se utiliza en aplicaciones médicas, en el corte y la soldadura de metales, como oxidante en el combustible para cohetes y en el tratamiento del agua. El oxígeno se utiliza en la soldadura de oxiacetileno quemando acetileno con O2 para producir una llama muy caliente. En este proceso, el metal de hasta 60 cm (24 pulgadas) de espesor se calienta primero con una pequeña llama de oxiacetileno y luego se corta rápidamente con un gran chorro de O2.

Biología

Photosynthesis and respiration

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

La evolución del oxígeno fotolítico se produce en las membranas tiroides de los organismos fotosintéticos y requiere la energía de cuatro fotones. Hay muchos pasos involucrados, pero el resultado es la formación de un gradiente de protones a través de la membrana del tiroides, que se utiliza para sintetizar el trifosfato de adenosina (ATP) a través de la fotofosforilación. El O2 restante (después de la producción de la molécula de agua) se libera a la atmósfera.

La energía química del oxígeno se libera en las mitocondrias para generar ATP durante la fosforilación oxidativa. En los vertebrados, el O2 se difunde a través de las membranas de los pulmones y en los glóbulos rojos. La hemoglobina se une al O2, cambiando de color de rojo azulado a rojo brillante (el CO2 se libera de otra parte de la hemoglobina a través del efecto Bohr). Otros animales utilizan la hemocianina (moluscos y algunos artrópodos) o la hemeritrina (arañas y langostas). Un litro de sangre puede disolver 200 cm3 de O2.

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

Partes del sistema inmunológico de los organismos superiores crean peróxido, superóxido y oxígeno singlete para destruir los microbios invasores. Las especies reactivas de oxígeno también desempeñan un papel importante en la respuesta hipersensible de las plantas contra el ataque de los patógenos. El oxígeno es perjudicial para los organismos obligatoriamente anaerobios, que fueron la forma dominante de la vida temprana en la Tierra hasta que el O2 comenzó a acumularse en la atmósfera hace unos 2.500 millones de años durante el Gran Acontecimiento de la Oxigenación, unos mil millones de años después de la primera aparición de estos organismos.

Un humano adulto en reposo inhala de 1,8 a 2,4 gramos de oxígeno por minuto. Esto equivale a más de 6.000 millones de toneladas de oxígeno inhalado por la humanidad por año.

Organismos vivos

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

Atmósfera

El gas de oxígeno libre era casi inexistente en la atmósfera de la Tierra antes de que las archaea fotosintéticas y las bacterias evolucionaran, probablemente hace unos 3.500 millones de años. El oxígeno libre apareció por primera vez en cantidades significativas durante el eón paleoproterozoico (entre 3.000 y 2.300 millones de años atrás). Aunque había mucho hierro disuelto en los océanos cuando la fotosíntesis oxigenada era cada vez más común, parece que las formaciones de hierro en bandas fueron creadas por bacterias anoxiénicas o microaerófilas que oxidaban el hierro y que dominaban las zonas más profundas de la zona fótica, mientras que las cianobacterias productoras de oxígeno cubrían las zonas poco profundas. El oxígeno libre comenzó a salir de los océanos hace 3-2.700 millones de años, alcanzando el 10% de su nivel actual hace unos 1.700 millones de años.

La presencia de grandes cantidades de oxígeno disuelto y libre en los océanos y la atmósfera puede haber llevado a la mayoría de los organismos anaeróbicos existentes a la extinción durante el Gran Acontecimiento de Oxigenación (catástrofe de oxígeno) hace unos 2.400 millones de años. La respiración celular con O2 permite a los organismos aeróbicos producir mucho más ATP que los organismos anaeróbicos. La respiración celular de O2 ocurre en todos los eucariotas, incluyendo todos los organismos multicelulares complejos como plantas y animales.

Desde el comienzo del período cámbrico, hace 540 millones de años, los niveles atmosféricos de O2 han fluctuado entre el 15% y el 30% en volumen. Hacia el final del período carbonífero (hace unos 300 millones de años) los niveles atmosféricos de O2 alcanzaron un máximo de 35% en volumen, lo que puede haber contribuido al gran tamaño de los insectos y anfibios en esta época.

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

Al ritmo actual de la fotosíntesis, se necesitarían unos 2.000 años para regenerar todo el O2 de la atmósfera actual.

Seguridad

La norma NFPA 704 clasifica el gas de oxígeno comprimido como no peligroso para la salud, no inflamable y no reactivo, pero sí como oxidante. El oxígeno líquido refrigerado (LOX) tiene una clasificación de riesgo para la salud de 3 (por el aumento del riesgo de hiperoxia por vapores condensados y por los peligros comunes a los líquidos criogénicos como la congelación), y todas las demás clasificaciones son iguales a la del gas comprimido.

El gas oxígeno (O2) puede ser tóxico a presiones parciales elevadas, lo que provoca convulsiones y otros problemas de salud. La toxicidad del oxígeno suele comenzar a producirse a presiones parciales superiores a 50 kilopascales (kPa), lo que equivale a aproximadamente el 50% de la composición del oxígeno a presión estándar o a 2,5 veces la presión parcial del O2 a nivel del mar, que es de aproximadamente 21 kPa. Esto no constituye un problema, salvo para los pacientes que utilizan ventiladores mecánicos, ya que el gas suministrado a través de las máscaras de oxígeno en las aplicaciones médicas suele estar compuesto sólo por un 30%-50% de O2 en volumen (unos 30 kPa a presión estándar).

En un momento dado, los bebés prematuros fueron colocados en incubadoras que contenían aire rico en O2, pero esta práctica se interrumpió después de que algunos bebés quedaron cegados por el hecho de que el contenido de oxígeno era demasiado alto.

Respirar O2 puro en aplicaciones espaciales, como en algunos trajes espaciales modernos, o en las primeras naves espaciales como la Apolo, no causa ningún daño debido a las bajas presiones totales utilizadas. En el caso de los trajes espaciales, la presión parcial de O2 en el gas de respiración es, en general, de unos 30 kPa (1,4 veces la normal), y la presión parcial de O2 resultante en la sangre arterial del astronauta es sólo ligeramente superior a la presión parcial de O2 a nivel del mar normal.

La toxicidad del oxígeno para los pulmones y el sistema nervioso central también puede producirse en el buceo profundo y en el buceo con suministro de superficie. La respiración prolongada de una mezcla de aire con una presión parcial de O2 de más de 60 kPa puede llevar eventualmente a una fibrosis pulmonar permanente. La exposición a una presión parcial de O2 superior a 160 kPa (alrededor de 1,6 atm) puede provocar convulsiones (normalmente mortales para los buceadores). La toxicidad aguda del oxígeno (que causa convulsiones, su efecto más temido para los buceadores) puede producirse al respirar una mezcla de aire con 21% de O2 a 66 m (217 pies) o más de profundidad; lo mismo puede ocurrir al respirar 100% de O2 a sólo 6 m (20 pies).

La combustión y otros peligros

Las fuentes de oxígeno altamente concentradas promueven una rápida combustión. Los peligros de incendio y explosión existen cuando los oxidantes y combustibles concentrados se acercan mucho; se necesita un evento de ignición, como el calor o una chispa, para desencadenar la combustión. El oxígeno es el oxidante, no el combustible, pero no obstante es la fuente de la mayor parte de la energía química liberada en la combustión.

El O2 concentrado permitirá que la combustión proceda de forma rápida y enérgica. Las tuberías de acero y los recipientes de almacenamiento utilizados para almacenar y transmitir el oxígeno tanto gaseoso como líquido actuarán como combustible; por lo tanto, el diseño y la fabricación de los sistemas de O2 requieren una capacitación especial para garantizar que las fuentes de ignición se reduzcan al mínimo. El fuego que mató a la tripulación del Apolo 1 en una prueba de plataforma de lanzamiento se extendió tan rápidamente porque la cápsula fue presurizada con O2 puro pero a una presión ligeramente superior a la atmosférica, en lugar de la presión normal ⁄3 que se usaría en una misión.

Los derrames de oxígeno líquido, si se permite que se empapen en materia orgánica, como la madera, los productos petroquímicos y el asfalto pueden hacer que estos materiales detonen de forma impredecible en un impacto mecánico posterior.