Ossigeno

L’ossigeno è l’elemento chimico con il simbolo O e il numero atomico 8. È un membro del gruppo del calcogeno nella tavola periodica, un non metallo altamente reattivo, e un agente ossidante che forma facilmente ossidi con la maggior parte degli elementi così come con altri composti. Per massa, l’ossigeno è il terzo elemento più abbondante nell’universo, dopo l’idrogeno e l’elio. A temperatura e pressione standard, due atomi dell’elemento si legano a formare diossigeno, un gas biatomico incolore e inodore con la formula O2. Il gas di ossigeno diatomico costituisce il 20,8% dell’atmosfera terrestre. Come composti, compresi gli ossidi, l’elemento costituisce quasi la metà della crosta terrestre.

Diossigeno fornisce l’energia rilasciata nella combustione e nella respirazione cellulare aerobica, e molte classi principali di molecole organiche negli organismi viventi contengono atomi di ossigeno, come proteine, acidi nucleici, carboidrati e grassi, così come i principali composti inorganici costituenti di gusci di animali, denti e ossa. La maggior parte della massa degli organismi viventi è l’ossigeno come componente dell’acqua, il principale costituente delle forme di vita. L’ossigeno è continuamente rifornito nell’atmosfera terrestre dalla fotosintesi, che utilizza l’energia della luce solare per produrre ossigeno dall’acqua e anidride carbonica. L’ossigeno è troppo reattivo chimicamente per rimanere un elemento libero nell’aria senza essere continuamente reintegrato dall’azione fotosintetica degli organismi viventi. Un’altra forma (allotropio) di ossigeno, l’ozono (O 3), assorbe fortemente le radiazioni ultraviolette UVB e lo strato di ozono ad alta quota aiuta a proteggere la biosfera dalle radiazioni ultraviolette. Tuttavia, l’ozono presente in superficie è un sottoprodotto dello smog e quindi un inquinante.

L’ossigeno è stato isolato da Michael Sendivogius prima del 1604, ma si ritiene comunemente che l’elemento sia stato scoperto indipendentemente da Carl Wilhelm Scheele, a Uppsala, nel 1773 o prima, e Joseph Priestley nel Wiltshire, nel 1774. La priorità viene spesso data a Priestley perché il suo lavoro è stato pubblicato per primo. Priestley, tuttavia, chiamava l’ossigeno “aria sofisticata” e non lo riconosceva come elemento chimico. Il nome ossigeno fu coniato nel 1777 da Antoine Lavoisier, che per primo riconobbe l’ossigeno come elemento chimico e ne caratterizzò correttamente il ruolo nella combustione.

Gli usi comuni dell’ossigeno includono la produzione di acciaio, plastica e tessuti, la brasatura, la saldatura e il taglio di acciai e altri metalli, il propellente per razzi, l’ossigenoterapia e i sistemi di supporto vitale in aerei, sottomarini, voli spaziali e immersioni.

Storia

I primi esperimenti

Uno dei primi esperimenti conosciuti sul rapporto tra combustione e aria fu condotto dallo scrittore greco di meccanica del II secolo a.C., Filone di Bisanzio. Nella sua opera Pneumatica, Filone osservò che invertendo un vaso su una candela accesa e circondando il collo del vaso con l’acqua, si faceva salire un po’ d’acqua nel collo. Philo ha erroneamente ipotizzato che parti dell’aria nel recipiente fossero state convertite nel classico elemento fuoco e quindi fossero in grado di fuoriuscire attraverso i pori del vetro. Molti secoli dopo Leonardo da Vinci costruì l’opera di Filone osservando che una parte dell’aria viene consumata durante la combustione e la respirazione.

Alla fine del XVII secolo, Robert Boyle dimostrò che l’aria è necessaria per la combustione. Il chimico inglese John Mayow (1641-1679) perfezionò quest’opera dimostrando che il fuoco richiede solo una parte di aria che egli chiamò spiritus nitroaereus. In un esperimento, egli scoprì che mettendo un topo o una candela accesa in un contenitore chiuso sopra l’acqua, l’acqua si alza e sostituisce un quattordicesimo del volume dell’aria prima di spegnere i soggetti. Da ciò egli ipotizzò che il nitroaereo viene consumato sia nella respirazione che nella combustione.

Mayow osservò che l’antimonio aumentava di peso quando veniva riscaldato, e dedusse che il nitroaereo doveva combinarsi con esso. Pensava anche che i polmoni separano il nitroaereus dall’aria e lo passano nel sangue e che il calore animale e il movimento muscolare risultano dalla reazione del nitroaereus con alcune sostanze presenti nell’organismo. I resoconti di questi ed altri esperimenti ed idee furono pubblicati nel 1668 nella sua opera Tractatus duo nel tratto “De respiratione”.

Teoria del flogisto

Robert Hooke, Ole Borch, Mikhail Lomonosov e Pierre Bayen hanno tutti prodotto ossigeno negli esperimenti del XVII e XVIII secolo, ma nessuno di loro lo ha riconosciuto come elemento chimico. Ciò può essere stato in parte dovuto alla prevalenza della filosofia della combustione e della corrosione chiamata teoria del flogisto, che allora era la spiegazione preferita di quei processi.

Fondata nel 1667 dall’alchimista tedesco J. J. Becher, e modificata dal chimico Georg Ernst Stahl nel 1731, la teoria del flogisto affermava che tutti i materiali combustibili erano composti da due parti. Una parte, chiamata flogisto, veniva emessa quando la sostanza che la conteneva veniva bruciata, mentre la parte deplorevole era considerata la sua vera forma, o calice.

I materiali altamente combustibili che lasciano pochi residui, come il legno o il carbone, si pensava fossero fatti per lo più di flogisto; le sostanze non combustibili che si corrodono, come il ferro, contenevano pochissimo. L’aria non ha avuto un ruolo nella teoria del flogisto, né sono stati condotti esperimenti quantitativi iniziali per testare l’idea; essa si basava invece sull’osservazione di ciò che accade quando qualcosa brucia, che gli oggetti più comuni sembrano diventare più leggeri e sembrano perdere qualcosa nel processo.

Scoperta

L’alchimista, filosofo e medico polacco Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) nella sua opera De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fontee fonte et manuali experientia depromti (1604) descrive una sostanza contenuta nell’aria, riferendosi ad essa come “cibus vitae” (cibo della vita), e questa sostanza è identica all’ossigeno. Sendivogius, durante i suoi esperimenti condotti tra il 1598 e il 1604, riconobbe correttamente che la sostanza è equivalente al sottoprodotto gassoso rilasciato dalla decomposizione termica del nitrato di potassio. Secondo Bugaj, l’isolamento dell’ossigeno e la corretta associazione della sostanza a quella parte d’aria che è necessaria per la vita, dà un peso sufficiente alla scoperta dell’ossigeno da parte di Sendivogius. Questa scoperta di Sendivogius è stata però spesso negata dalle generazioni di scienziati e chimici che gli sono succeduti.

È anche comunemente sostenuto che l’ossigeno è stato scoperto per la prima volta dal farmacista svedese Carl Wilhelm Scheele. Egli aveva prodotto ossigeno gassoso riscaldando ossido mercurico e vari nitrati nel 1771-2. Scheele chiamava il gas “aria di fuoco” perché allora era l’unico agente conosciuto a sostenere la combustione. Scrisse un resoconto di questa scoperta in un manoscritto intitolato Treatise on Air and Fire, che inviò al suo editore nel 1775. Quel documento fu pubblicato nel 1777.

Nel frattempo, il 1° agosto 1774, un esperimento condotto dal sacerdote britannico Joseph Priestley concentrò la luce del sole sull’ossido di mercurio (HgO) contenuto in un tubo di vetro, che liberò un gas da lui chiamato “aria sofisticata”. Egli notò che le candele bruciavano più luminose nel gas e che un topo era più attivo e viveva più a lungo respirandolo. Dopo aver respirato lui stesso il gas, Priestley scrisse: “La sensazione che ne provavo per i miei polmoni non era sensibilmente diversa da quella dell’aria comune, ma immaginavo che il mio seno si sentisse particolarmente leggero e facile per qualche tempo dopo”. Priestley pubblicò le sue scoperte nel 1775 in un articolo intitolato “An Account of Further Discoveries in Air”, che fu incluso nel secondo volume del suo libro intitolato Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Poiché ha pubblicato per primo le sue scoperte, Priestley ha di solito la priorità nella scoperta.

Il chimico francese Antoine Laurent Lavoisier affermò in seguito di aver scoperto la nuova sostanza in modo indipendente. Priestley visitò Lavoisier nell’ottobre del 1774 e gli raccontò del suo esperimento e di come liberò il nuovo gas. Scheele aveva anche inviato una lettera a Lavoisier il 30 settembre 1774, in cui descriveva la sua scoperta della sostanza precedentemente sconosciuta, ma Lavoisier non riconobbe mai di averla ricevuta. (Una copia della lettera fu trovata tra gli effetti personali di Scheele dopo la sua morte).

Il contributo di Lavoisier

Lavoisier ha condotto i primi adeguati esperimenti quantitativi sull’ossidazione e ha dato la prima corretta spiegazione di come funziona la combustione. Utilizzò questi e altri esperimenti simili, tutti iniziati nel 1774, per screditare la teoria del flogisto e per dimostrare che la sostanza scoperta da Priestley e Scheele era un elemento chimico.

In un esperimento, Lavoisier osservò che non c’era un aumento generale di peso quando lo stagno e l’aria venivano riscaldati in un contenitore chiuso. Egli notò che l’aria si precipitava all’interno quando apriva il contenitore, il che indicava che una parte dell’aria intrappolata era stata consumata. Egli osservò anche che lo stagno era aumentato di peso e che l’aumento era uguale al peso dell’aria che si precipitava all’interno. Questo e altri esperimenti sulla combustione sono stati documentati nel suo libro Sur la combustion en général, pubblicato nel 1777. In quell’opera, egli dimostrò che l’aria è una miscela di due gas; l’“aria vitale”, che è essenziale per la combustione e la respirazione, e l’azote (Gk. ἄζωτον “senza vita”), che non supportava nessuno dei due. L’azote è poi diventato azoto in inglese, anche se ha mantenuto il nome precedente in francese e in diverse altre lingue europee.

Lavoisier ribattezzato ‘aria vitale’ a oxygène nel 1777 dalle radici greche ὀξύς (oxys) (acido, letteralmente “tagliente”, dal sapore degli acidi) e -γενής (-genēs) (produttore, letteralmente generatore), perché erroneamente credeva che l’ossigeno fosse un costituente di tutti gli acidi. I chimici (come Sir Humphry Davy nel 1812) alla fine stabilirono che Lavoisier si sbagliava a questo proposito (l’idrogeno è la base della chimica degli acidi), ma ormai il nome era troppo consolidato.

L’ossigeno entrò nella lingua inglese nonostante l’opposizione degli scienziati inglesi e il fatto che l’inglese Priestley avesse prima isolato il gas e scritto su di esso. Ciò è in parte dovuto ad una poesia che elogia il gas dal titolo “Oxygen” nel popolare libro The Botanic Garden (1791) di Erasmus Darwin, nonno di Charles Darwin.

Storia successiva

L’ipotesi atomica originale di John Dalton presupponeva che tutti gli elementi fossero monatomici e che gli atomi nei composti avessero normalmente i rapporti atomici più semplici l’uno rispetto all’altro. Per esempio, Dalton ipotizzò che la formula dell’acqua fosse l’HO, portando alla conclusione che la massa atomica dell’ossigeno fosse 8 volte quella dell’idrogeno, invece del valore moderno di circa 16. Nel 1805, Joseph Louis Gay-Lussac e Alexander von Humboldt dimostrarono che l’acqua è formata da due volumi di idrogeno e un volume di ossigeno; e nel 1811 Amedeo Avogadro era arrivato alla corretta interpretazione della composizione dell’acqua, basata su quella che oggi viene chiamata legge di Avogadro e sulle molecole elementari diatomiche presenti in quei gas.

Alla fine del XIX secolo gli scienziati si resero conto che l’aria poteva essere liquefatta e che i suoi componenti potevano essere isolati comprimendo e raffreddando l’aria. Usando un metodo a cascata, il chimico e fisico svizzero Raoul Pierre Pictet fece evaporare l’anidride solforosa liquida per liquefare l’anidride carbonica, che a sua volta fu evaporata per raffreddare l’ossigeno gassoso abbastanza da liquefarla. Il 22 dicembre 1877 inviò un telegramma all’Accademia delle Scienze di Parigi annunciando la sua scoperta dell’ossigeno liquido. Appena due giorni dopo, il fisico francese Louis Paul Cailletet annunciò il suo metodo di liquefazione dell’ossigeno molecolare. In ogni caso furono prodotte solo poche gocce di liquido e non fu possibile condurre alcuna analisi significativa. L’ossigeno fu liquefatto per la prima volta in uno stato stabile il 29 marzo 1883 dagli scienziati polacchi dell’Università Jagellonica, Zygmunt Wróblewski e Karol Olszewski.

Nel 1891 il chimico scozzese James Dewar fu in grado di produrre ossigeno liquido sufficiente per lo studio. Il primo processo commercialmente valido per la produzione di ossigeno liquido fu sviluppato in modo indipendente nel 1895 dall’ingegnere tedesco Carl von Linde e dall’ingegnere britannico William Hampson. Entrambi abbassarono la temperatura dell’aria fino a quando non si liquefece e poi distillarono i gas componenti facendoli bollire uno alla volta e catturandoli separatamente. Più tardi, nel 1901, la saldatura ossiacetilenica fu dimostrata per la prima volta bruciando una miscela di acetilene e O2 compresso. Questo metodo di saldatura e di taglio del metallo divenne in seguito comune.

Nel 1923, lo scienziato americano Robert H. Goddard divenne la prima persona a sviluppare un motore a razzo che bruciava combustibile liquido; il motore usava benzina per il combustibile e ossigeno liquido come ossidante. Goddard pilotò con successo un piccolo razzo alimentato a liquido a 56 m a 97 km/h il 16 marzo 1926 ad Auburn, Massachusetts, USA.

Nei laboratori accademici, l’ossigeno può essere preparato riscaldando insieme il clorato di potassio miscelato con una piccola proporzione di biossido di manganese.

I livelli di ossigeno nell’atmosfera tendono a diminuire leggermente a livello globale, forse a causa della combustione di combustibili fossili.

Occorrenza naturale

L’ossigeno è l’elemento chimico più abbondante per massa nella biosfera terrestre, nell’aria, nel mare e nella terra. L’ossigeno è il terzo elemento chimico più abbondante nell’universo, dopo l’idrogeno e l’elio. Circa lo 0,9% della massa del Sole è ossigeno. L’ossigeno costituisce il 49,2% della crosta terrestre per massa come parte dei composti di ossido come il biossido di silicio ed è l’elemento più abbondante per massa nella crosta terrestre. È anche il componente principale degli oceani del mondo (88,8% in massa). Il gas ossigeno è il secondo componente più comune dell’atmosfera terrestre, occupando il 20,8% del suo volume e il 23,1% della sua massa (circa 1015 tonnellate). La Terra è insolita tra i pianeti del Sistema Solare per avere una così alta concentrazione di ossigeno gassoso nella sua atmosfera: Marte (con lo 0,1% di O2 in volume) e Venere hanno molto meno. L’O2 che circonda questi pianeti è prodotto esclusivamente dall’azione delle radiazioni ultraviolette su molecole contenenti ossigeno come l’anidride carbonica. Mappa del mondo che mostra che l’ossigeno della superficie del mare si esaurisce intorno all’equatore e aumenta verso i poli.

La concentrazione insolitamente alta di ossigeno gassoso sulla Terra è il risultato del ciclo dell’ossigeno. Questo ciclo biogeochimico descrive il movimento dell’ossigeno all’interno e tra i suoi tre serbatoi principali sulla Terra: l’atmosfera, la biosfera e la litosfera. Il principale fattore trainante del ciclo dell’ossigeno è la fotosintesi, responsabile della moderna atmosfera terrestre. La fotosintesi rilascia ossigeno nell’atmosfera, mentre la respirazione, il decadimento e la combustione lo rimuovono dall’atmosfera. Nell’attuale equilibrio, la produzione e il consumo avvengono alla stessa velocità.

L’ossigeno libero si verifica anche in soluzione nei corpi idrici del mondo. La maggiore solubilità dell’O2 a temperature più basse (vedi Proprietà fisiche) ha importanti implicazioni per la vita oceanica, in quanto gli oceani polari sostengono una densità di vita molto più elevata grazie al loro maggiore contenuto di ossigeno. L’acqua inquinata con nutrienti vegetali come i nitrati o i fosfati può stimolare la crescita delle alghe attraverso un processo chiamato eutrofizzazione e il decadimento di questi organismi e di altri biomateriali può ridurre il contenuto di O2 nei corpi idrici eutrofici. Gli scienziati valutano questo aspetto della qualità dell’acqua misurando la domanda biochimica di ossigeno dell’acqua, o la quantità di O2 necessaria per riportarla ad una concentrazione normale.

Analisi

Evoluzione temporale della concentrazione di ossigeno-18 su una scala di 500 milioni di anni che mostra molti picchi locali.

I paleoclimatologi misurano il rapporto tra ossigeno-18 e ossigeno-16 nei gusci e negli scheletri degli organismi marini per determinare il clima di milioni di anni fa (vedi il ciclo del rapporto isotopico dell’ossigeno). Le molecole di acqua di mare che contengono l’isotopo più leggero, l’ossigeno-16, evaporano ad un tasso leggermente più veloce rispetto alle molecole di acqua che contengono il 12% di ossigeno-18 più pesante, e questa disparità aumenta a temperature più basse. Durante i periodi di temperature globali più basse, la neve e la pioggia da quell’acqua evaporata tende ad essere più alta in ossigeno-16, e l’acqua di mare lasciata indietro tende ad essere più alta in ossigeno-18. Gli organismi marini incorporano quindi più ossigeno-18 nei loro scheletri e nei loro gusci di quanto farebbero in un clima più caldo. I paleoclimatologi misurano anche direttamente questo rapporto nelle molecole d’acqua di campioni di carote di ghiaccio vecchi di centinaia di migliaia di anni.

I geologi planetari hanno misurato le quantità relative di isotopi di ossigeno in campioni provenienti dalla Terra, dalla Luna, da Marte e da meteoriti, ma non sono stati in grado per molto tempo di ottenere valori di riferimento per i rapporti isotopici nel Sole, che si ritiene siano gli stessi di quelli della nebulosa solare primordiale. L’analisi di un wafer di silicio esposto al vento solare nello spazio e restituito dalla navicella spaziale Genesis precipitata ha dimostrato che il Sole ha una proporzione di ossigeno 16 superiore a quella della Terra. La misura implica che un processo sconosciuto ha impoverito l’ossigeno 16 dal disco del Sole di materiale protoplanetario prima della coalescenza dei granelli di polvere che formavano la Terra.

L’ossigeno presenta due bande di assorbimento spettrofotometrico che raggiungono il picco alle lunghezze d’onda 687 e 760 nm. Alcuni scienziati di telerilevamento hanno proposto di utilizzare la misura della radianza proveniente dalle chiome della vegetazione in quelle bande per caratterizzare lo stato di salute delle piante da una piattaforma satellitare. Questo approccio sfrutta il fatto che in quelle bande è possibile discriminare la riflettanza della vegetazione dalla sua fluorescenza, che è molto più debole. La misurazione è tecnicamente difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore e della struttura fisica della vegetazione; ma è stato proposto come possibile metodo per monitorare il ciclo del carbonio dai satelliti su scala globale.

Produzione

Cento milioni di tonnellate di O2 vengono estratte ogni anno dall’aria per usi industriali con due metodi primari. Il metodo più comune è la distillazione frazionata dell’aria liquefatta, con N2 che distilla come vapore mentre l’O2 viene lasciato come liquido.

L’altro metodo primario per produrre O2 è il passaggio di un flusso d’aria pulita e secca attraverso un letto di una coppia di setacci molecolari identici di zeolite, che assorbe l’azoto e fornisce un flusso di gas che è dal 90% al 93% di O2. Contemporaneamente, l’azoto gassoso viene rilasciato dall’altro letto di zeolite saturo di azoto, riducendo la pressione di esercizio della camera e deviando parte dell’ossigeno gassoso dal letto del produttore attraverso di esso, nella direzione inversa del flusso. Dopo un tempo di ciclo prestabilito, il funzionamento dei due letti viene scambiato, consentendo così un’alimentazione continua di ossigeno gassoso da pompare attraverso una tubazione. Questo è noto come adsorbimento di oscillazione di pressione. L’ossigeno gassoso è sempre più spesso ottenuto da queste tecnologie non criogeniche (vedi anche il relativo adsorbimento ad oscillazione sotto vuoto).

L’ossigeno gassoso può essere prodotto anche attraverso l’elettrolisi dell’acqua in ossigeno molecolare e idrogeno. Si deve usare elettricità in corrente continua: se si usa la corrente alternata, i gas in ogni arto sono costituiti da idrogeno e ossigeno nel rapporto esplosivo 2:1. Un metodo simile è l’evoluzione elettrocatalitica dell’O2 da ossidi e ossiacidi. Si possono usare anche catalizzatori chimici, come nei generatori chimici di ossigeno o nelle candele di ossigeno che sono usati come parte dell’equipaggiamento di supporto vitale sui sottomarini, e fanno ancora parte dell’equipaggiamento standard sugli aerei di linea commerciali in caso di emergenze di depressurizzazione. Un altro metodo di separazione dell’aria è quello di costringere l’aria a dissolversi attraverso membrane ceramiche a base di biossido di zirconio ad alta pressione o a corrente elettrica, per produrre gas O2 quasi puro.

Stoccaggio

I metodi di stoccaggio dell’ossigeno includono serbatoi di ossigeno ad alta pressione, criogenia e composti chimici. Per ragioni di economia, l’ossigeno viene spesso trasportato alla rinfusa come liquido in cisterne appositamente isolate, poiché un litro di ossigeno liquefatto equivale a 840 litri di ossigeno gassoso a pressione atmosferica e a 20 °C (68 °F). Tali autocisterne sono utilizzate per riempire i contenitori di stoccaggio dell’ossigeno liquido alla rinfusa, che si trovano all’esterno degli ospedali e di altre istituzioni che necessitano di grandi volumi di ossigeno puro gassoso. L’ossigeno liquido viene fatto passare attraverso scambiatori di calore, che convertono il liquido criogenico in gas prima che entri nell’edificio. L’ossigeno viene anche immagazzinato e spedito in bombole più piccole contenenti il gas compresso; una forma utile in alcune applicazioni mediche portatili e nella saldatura e nel taglio di ossicombustibili.

Uso economico

Medizin

L’assorbimento di O2 dall’aria è lo scopo essenziale della respirazione, per cui l’integrazione di ossigeno viene utilizzata in medicina. Il trattamento non solo aumenta i livelli di ossigeno nel sangue del paziente, ma ha l’effetto secondario di diminuire la resistenza al flusso sanguigno in molti tipi di polmoni malati, alleviando il carico di lavoro sul cuore. L’ossigenoterapia è usata per trattare l’enfisema, la polmonite, alcuni disturbi cardiaci (insufficienza cardiaca congestizia), alcuni disturbi che causano l’aumento della pressione arteriosa polmonare, e qualsiasi malattia che compromette la capacità del corpo di assorbire e utilizzare l’ossigeno gassoso.

I trattamenti sono abbastanza flessibili da poter essere utilizzati negli ospedali, a casa del paziente o sempre più spesso con dispositivi portatili. Le tende di ossigeno erano una volta comunemente usate per l’integrazione di ossigeno, ma da allora sono state sostituite per lo più dall’uso di maschere di ossigeno o cannule nasali.

La medicina iperbarica (ad alta pressione) utilizza speciali camere ad ossigeno per aumentare la pressione parziale dell’O2 intorno al paziente e, quando necessario, al personale medico. Avvelenamento da monossido di carbonio, cancrena gassosa e malattia da decompressione (le “pieghe”) sono a volte affrontati con questa terapia. L’aumento della concentrazione di O2 nei polmoni aiuta a spostare il monossido di carbonio dal gruppo eme dell’emoglobina. L’ossigeno gassoso è velenoso per i batteri anaerobici che causano la cancrena gassosa, quindi l’aumento della sua pressione parziale aiuta ad ucciderli. La malattia da decompressione si verifica nei subacquei che si decompongono troppo rapidamente dopo un’immersione, provocando la formazione di bolle di gas inerte, soprattutto azoto ed elio, che si formano nel sangue. Aumentare la pressione dell’O2 il più presto possibile aiuta a ridissolvere le bolle nel sangue in modo che questi gas in eccesso possano essere espulsi naturalmente attraverso i polmoni. La somministrazione di ossigeno normobarico alla massima concentrazione disponibile è spesso utilizzata come primo soccorso per qualsiasi lesione da immersione che può comportare la formazione di bolle di gas inerte nei tessuti. C'è un supporto epidemiologico per il suo utilizzo da uno studio statistico dei casi registrati in un database a lungo termine.

Supporto vitale e uso ricreativo

Un’applicazione dell’O2 come gas respirabile a bassa pressione è nelle moderne tute spaziali, che circondano il corpo dell’occupante con il gas respirabile. Questi dispositivi utilizzano ossigeno quasi puro a circa un terzo della pressione normale, con il risultato di una normale pressione parziale di O2 nel sangue. Questo compromesso tra una maggiore concentrazione di ossigeno e una pressione più bassa è necessario per mantenere la flessibilità della tuta.

Anche i subacquei e i sommergibilisti alimentati in superficie e i sommergibilisti si affidano all’O2 fornito artificialmente. Sottomarini, sommergibili e tute subacquee atmosferiche di solito operano alla normale pressione atmosferica. L’aria respirabile viene ripulita dall’anidride carbonica mediante estrazione chimica e l’ossigeno viene sostituito per mantenere una pressione parziale costante. I subacquei a pressione ambiente respirano aria o miscele di gas con una frazione di ossigeno adatta alla profondità operativa. L’uso di O2 puro o quasi puro in immersione a pressioni superiori a quelle atmosferiche è solitamente limitato ai rebreathers, o alla decompressione a profondità relativamente basse (~6 metri di profondità, o meno), o al trattamento medico in camere di ricompressione a pressioni fino a 2,8 bar, dove la tossicità acuta dell’ossigeno può essere gestita senza il rischio di annegamento. Immersioni più profonde richiedono una significativa diluizione di O2 con altri gas, come l’azoto o l’elio, per prevenire la tossicità dell’ossigeno.

Le persone che si arrampicano sulle montagne o che volano su aerei ad ala fissa non pressurizzati a volte hanno scorte supplementari di O2. Gli aerei commerciali pressurizzati hanno un’alimentazione di emergenza di O2 fornita automaticamente ai passeggeri in caso di depressurizzazione della cabina. L’improvvisa perdita di pressione in cabina attiva generatori chimici di ossigeno sopra ogni sedile, causando la caduta delle maschere di ossigeno. Tirando le maschere “per avviare il flusso di ossigeno” come dettato dalle istruzioni di sicurezza della cabina, si forza la limatura di ferro nel clorato di sodio all’interno del contenitore. Un flusso costante di ossigeno gassoso viene poi prodotto dalla reazione esotermica.

L’ossigeno, in quanto lievemente euforico, ha una storia di uso ricreativo nei bar di ossigeno e nello sport. Le barrette di ossigeno sono stabilimenti che si trovano negli Stati Uniti dalla fine degli anni ‘90 e che offrono un’esposizione all’O2 superiore alla norma con un costo minimo. Gli atleti professionisti, soprattutto nel football americano, a volte vanno fuori campo tra una partita e l’altra per indossare maschere di ossigeno per aumentare le prestazioni. L’effetto farmacologico è dubbio; un effetto placebo è una spiegazione più probabile. Gli studi disponibili supportano un aumento delle prestazioni da miscele arricchite di ossigeno solo se viene respirato durante l’esercizio aerobico.

Altri usi ricreativi che non prevedono la respirazione includono applicazioni pirotecniche, come l’accensione di cinque secondi di griglie per barbecue di George Goble.

Industria

La fusione del minerale di ferro in acciaio consuma il 55% dell’ossigeno prodotto commercialmente. In questo processo, l’O2 viene iniettato attraverso una lancia ad alta pressione nel ferro fuso, che rimuove le impurità di zolfo e il carbonio in eccesso come i rispettivi ossidi, SO2 e CO2. Le reazioni sono esotermiche, quindi la temperatura aumenta a 1.700 °C.

Un altro 25% dell’ossigeno prodotto commercialmente viene utilizzato dall’industria chimica. L’etilene viene fatto reagire con O2 per creare ossido di etilene, che, a sua volta, viene convertito in glicole etilenico; il materiale di alimentazione primario utilizzato per la fabbricazione di una serie di prodotti, tra cui antigelo e polimeri di poliestere (i precursori di molte materie plastiche e tessuti).

La maggior parte del restante 20% dell’ossigeno prodotto commercialmente viene utilizzato nelle applicazioni mediche, nel taglio e nella saldatura dei metalli, come ossidante nel combustibile per razzi e nel trattamento delle acque. L’ossigeno è usato nella saldatura ossiacetilenica bruciando acetilene con O2 per produrre una fiamma molto calda. In questo processo, il metallo fino a 60 cm di spessore viene prima riscaldato con una piccola fiamma di ossi-acetilene e poi tagliato rapidamente da un grande flusso di O2.

Biologia

Fotosintesi e respirazione

In natura, l’ossigeno libero è prodotto dalla scissione dell’acqua indotta dalla luce durante la fotosintesi ossigenica. Secondo alcune stime, le alghe verdi e i cianobatteri in ambienti marini forniscono circa il 70% dell’ossigeno libero prodotto sulla Terra, mentre il resto è prodotto da piante terrestri. Altre stime del contributo oceanico all’ossigeno atmosferico sono più alte, mentre alcune stime sono più basse, suggerendo che gli oceani producono circa il 45% dell’ossigeno atmosferico della Terra ogni anno.

L’evoluzione fotolitica dell’ossigeno si verifica nelle membrane tilakoidi degli organismi fotosintetici e richiede l’energia di quattro fotoni. Molti passaggi sono coinvolti, ma il risultato è la formazione di un gradiente di protoni attraverso la membrana tilakoide, che viene utilizzato per sintetizzare l’adenosina trifosfato (ATP) attraverso la fotofosforilazione. L’O2 rimanente (dopo la produzione della molecola di acqua) viene rilasciato nell’atmosfera.

L’energia chimica dell’ossigeno viene rilasciata nei mitocondri per generare ATP durante la fosforilazione ossidativa. Nei vertebrati, l’O2 si diffonde attraverso le membrane nei polmoni e nei globuli rossi. L’emoglobina lega l’O2, cambiando colore da rosso bluastro a rosso vivo (la CO2 viene rilasciata da un’altra parte dell’emoglobina attraverso l’effetto Bohr). Altri animali usano l’emocianina (molluschi e alcuni artropodi) o l’emoglobina (ragni e aragoste). Un litro di sangue può sciogliere 200 cm3 di O2.

Fino alla scoperta dei metazoi anaerobici, si pensava che l’ossigeno fosse un requisito per tutte le forme di vita complesse.

Parti del sistema immunitario di organismi superiori creano perossido, superossido e ossigeno singoletto per distruggere i microbi invasori. Le specie reattive dell’ossigeno svolgono anche un ruolo importante nella risposta ipersensibile delle piante contro l’attacco degli agenti patogeni. L’ossigeno è dannoso per gli organismi obbligatoriamente anaerobici, che erano la forma dominante della prima vita sulla Terra fino a quando l’O2 ha cominciato ad accumularsi nell’atmosfera circa 2,5 miliardi di anni fa durante il Grande Evento di Ossigenazione, circa un miliardo di anni dopo la prima comparsa di questi organismi.

Un essere umano adulto a riposo inala da 1,8 a 2,4 grammi di ossigeno al minuto. Ciò equivale a più di 6 miliardi di tonnellate di ossigeno inalate dall’umanità all’anno.

Organismi viventi

La pressione parziale di ossigeno libero nel corpo di un organismo vertebrato vivente è più alta nel sistema respiratorio, e diminuisce lungo tutto il sistema arterioso, i tessuti periferici e il sistema venoso, rispettivamente. La pressione parziale è la pressione che l’ossigeno avrebbe se solo occupasse il volume.

Atmosfera

Il gas di ossigeno libero era quasi inesistente nell’atmosfera terrestre prima dell’evoluzione dell’arcaismo fotosintetico e dei batteri, probabilmente circa 3,5 miliardi di anni fa. L’ossigeno libero è apparso per la prima volta in quantità significative durante l’eone paleoproterozoico (tra 3,0 e 2,3 miliardi di anni fa). Anche se c’era molto ferro disciolto negli oceani quando la fotosintesi ossigenica stava diventando sempre più comune, sembra che le formazioni di ferro a bande siano state create da batteri ossidanti del ferro anossinici o microaerofili che dominavano le zone più profonde della zona fotica, mentre i cianobatteri produttori di ossigeno coprivano le secche. L’ossigeno libero ha cominciato ad uscire dagli oceani 3-2,7 miliardi di anni fa, raggiungendo il 10% del suo livello attuale circa 1,7 miliardi di anni fa.

La presenza di grandi quantità di ossigeno disciolto e libero negli oceani e nell’atmosfera può aver spinto la maggior parte degli organismi anaerobici esistenti all’estinzione durante il Grande Evento di Ossigenazione (catastrofe dell’ossigeno) circa 2,4 miliardi di anni fa. La respirazione cellulare che utilizza l’O2 permette agli organismi aerobici di produrre molto più ATP rispetto agli organismi anaerobici. La respirazione cellulare di O2 avviene in tutti gli eucarioti, compresi tutti gli organismi multicellulari complessi come piante e animali.

Dall’inizio del periodo cambriano, 540 milioni di anni fa, i livelli di O2 nell’atmosfera hanno fluttuato tra il 15% e il 30% in volume. Verso la fine del periodo carbonifero (circa 300 milioni di anni fa) i livelli di O2 atmosferici hanno raggiunto un massimo del 35% in volume, il che può aver contribuito alle grandi dimensioni degli insetti e degli anfibi in questo periodo.

Le variazioni della concentrazione di ossigeno nell’atmosfera hanno modellato i climi del passato. Quando l’ossigeno è diminuito, la densità atmosferica è scesa, che a sua volta ha aumentato l’evaporazione superficiale, causando un aumento delle precipitazioni e temperature più calde.

Al ritmo attuale della fotosintesi ci vorrebbero circa 2.000 anni per rigenerare l’intero O2 nell’atmosfera attuale.

Sicurezza

Lo standard NFPA 704 valuta il gas ossigeno compresso come non pericoloso per la salute, non infiammabile e non reattivo, ma è un ossidante. L’ossigeno liquido refrigerato (LOX) ha una classificazione di pericolo per la salute di 3 (per l’aumento del rischio di iperossia da vapori condensati e per i pericoli comuni ai liquidi criogenici come il congelamento), e tutte le altre classificazioni sono le stesse della forma di gas compresso.

Il gas ossigeno (O2) può essere tossico a pressioni parziali elevate, causando convulsioni e altri problemi di salute. La tossicità dell’ossigeno di solito inizia a verificarsi a pressioni parziali superiori a 50 kilopascal (kPa), pari a circa il 50% della composizione dell’ossigeno a pressione standard o 2,5 volte la normale pressione parziale di O2 a livello del mare di circa 21 kPa. Questo non è un problema, tranne che per i pazienti su ventilatori meccanici, poiché il gas fornito attraverso le maschere di ossigeno nelle applicazioni mediche è tipicamente composto solo dal 30%-50% di O2 in volume (circa 30 kPa a pressione standard).

Un tempo, i bambini prematuri venivano messi in incubatrici contenenti aria ricca di O2, ma questa pratica è stata interrotta dopo che alcuni bambini sono stati accecati dal contenuto di ossigeno troppo elevato.

La respirazione di O2 puro in applicazioni spaziali, come in alcune tute spaziali moderne, o nei primi veicoli spaziali come Apollo, non provoca danni a causa delle basse pressioni totali utilizzate. Nel caso delle tute spaziali, la pressione parziale di O2 nel gas respirabile è, in generale, circa 30 kPa (1,4 volte il normale), e la pressione parziale di O2 risultante nel sangue arterioso dell’astronauta è solo marginalmente superiore alla normale pressione parziale di O2 a livello del mare.

La tossicità dell’ossigeno per i polmoni e per il sistema nervoso centrale può verificarsi anche nelle immersioni in profondità e nelle immersioni in superficie. La respirazione prolungata di una miscela d’aria con una pressione parziale di O2 superiore a 60 kPa può portare alla fibrosi polmonare permanente. L’esposizione ad una pressione parziale di O2 superiore a 160 kPa (circa 1,6 atm) può portare a convulsioni (normalmente fatali per i subacquei). La tossicità acuta dell’ossigeno (che causa convulsioni, il suo effetto più temuto dai subacquei) può verificarsi respirando una miscela d’aria con il 21% di O2 a 66 m o più di profondità; la stessa cosa può verificarsi respirando il 100% di O2 a soli 6 m.

Combustione e altri pericoli

Fonti di ossigeno altamente concentrate favoriscono la combustione rapida. I rischi di incendio e di esplosione esistono quando gli ossidanti e i combustibili concentrati vengono portati nelle immediate vicinanze; un evento di accensione, come il calore o una scintilla, è necessario per innescare la combustione. L’ossigeno è l’ossidante, non il combustibile, ma comunque la fonte della maggior parte dell’energia chimica rilasciata nella combustione.

L’O2 concentrato permetterà alla combustione di procedere rapidamente ed energicamente. I tubi di acciaio e i recipienti di stoccaggio utilizzati per immagazzinare e trasmettere l’ossigeno sia gassoso che liquido agiranno come combustibile; e quindi la progettazione e la produzione di sistemi di O2 richiede una formazione speciale per garantire che le fonti di ignizione siano ridotte al minimo. L’incendio che ha ucciso l’equipaggio dell’Apollo 1 in un test in rampa di lancio si è diffuso così rapidamente perché la capsula è stata pressurizzata con O2 puro ma a poco più della pressione atmosferica, invece della pressione normale di 1⁄3 che sarebbe stata usata in una missione.

Le fuoriuscite di ossigeno liquido, se lasciate a mollo nella materia organica, come il legno, i prodotti petrolchimici e l’asfalto, possono far detonare questi materiali in modo imprevedibile al successivo impatto meccanico.