Oxígeno | ||||
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← Nitrógeno | flúor → | ||||
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Apariencia de una sustancia simple. | ||||
Oxígeno líquido | ||||
Propiedades del átomo | ||||
Nombre, símbolo, número | Oxígeno / Oxigenio (Oxígeno)(O), 8 | |||
Grupo , período , bloque |
16 (obsoleto 6), 2, elemento p |
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Masa atómica ( masa molar ) |
[15.99903; 15.99977] [comunicación 1] [1] a. m.e. ( g / mol ) | |||
Configuración electrónica |
[Él] 2s 2 2p 4 1s 2 2s 2 2p 4 |
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Radio del átomo | 60 (48) horas | |||
Propiedades químicas | ||||
radio covalente | 73 p. m. | |||
Radio de iones | 132 (-2e) pm | |||
Electronegatividad | 3.44 (escala de Pauling) | |||
Potencial de electrodo | 0 | |||
Estados de oxidación | –2 , −1 , –½ , –⅓ , 0, +½, +1 , +2 | |||
Energía de ionización (primer electrón) |
1313,1 (13,61) kJ / mol ( eV ) | |||
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple. | ||||
Fase termodinámica | Gas | |||
Densidad (en n.a. ) | 0,00142897 g/cm³ | |||
Temperatura de fusión | 54,8 K (-218,35 °C) | |||
Temperatura de ebullición | 90.19K (-182.96°C) | |||
Oud. calor de fusión | 0,444 kJ/mol | |||
Oud. calor de evaporacion | 3,4099 kJ/mol | |||
Capacidad calorífica molar | 29,4 [2] J/(K mol) | |||
Volumen molar | 22,4⋅10 3 cm³ / mol | |||
La red cristalina de una sustancia simple. | ||||
Estructura de celosía | monoclínico | |||
Parámetros de celosía | a=5,403 b=3,429 c=5,086 β=135,53 Å | |||
Debye temperatura | 155K _ | |||
Otras características | ||||
Conductividad térmica | (300 K) 0,027 W/(m·K) | |||
Espectro de emisión | ||||
ocho | Oxígeno |
O15.999 | |
2s 2 2p 4 |
El oxígeno ( símbolo químico - O , del lat. O xygenium ) es un elemento químico del grupo 16 (según la clasificación obsoleta - el sexto grupo del subgrupo principal, VIA), el segundo período del sistema periódico de D. I. Mendeleev , con número atómico 8.
El oxígeno es un no metal reactivo y es el elemento más ligero del grupo de los calcógenos .
Como sustancia simple (en condiciones normales ) , el oxígeno es un gas incoloro , insípido e inodoro , cuya molécula consta de dos átomos (fórmula - O 2 ). Nombre sistemático : dioxígeno [3] . El oxígeno líquido tiene un color azul claro y el oxígeno sólido son cristales de color azul claro.
Hay otras formas alotrópicas de oxígeno, por ejemplo, el ozono , en condiciones normales, un gas azul con un olor específico, cuya molécula consta de tres átomos de oxígeno (fórmula O 3 ). Nombre sistemático : trioxígeno .
Se cree oficialmente [4] [5] que el químico inglés Joseph Priestley descubrió el oxígeno el 1 de agosto de 1774 al descomponer el óxido de mercurio en un recipiente herméticamente cerrado (Priestley dirigió los rayos del sol hacia este compuesto usando una lente grande).
.Sin embargo, Priestley inicialmente no se dio cuenta de que había descubierto una nueva sustancia simple , creía que aisló una de las partes constituyentes del aire (y llamó a este gas "aire desflogistizado"). Priestley informó de su descubrimiento al destacado químico francés Antoine Lavoisier . En 1775, Lavoisier estableció que el oxígeno es parte integral del aire, los ácidos y está contenido en muchas sustancias.
Unos años antes (en 1771 ), el químico sueco Carl Scheele había obtenido el oxígeno . Calcinó salitre con ácido sulfúrico y luego descompuso el óxido nitroso resultante . Scheele llamó a este gas "aire ardiente" y describió su descubrimiento en un libro publicado en 1777 (precisamente porque el libro se publicó más tarde de que Priestley anunciara su descubrimiento, este último es considerado el descubridor del oxígeno). Scheele también informó de su experiencia a Lavoisier.
Una etapa importante que contribuyó al descubrimiento del oxígeno fue el trabajo del químico francés Pierre Bayen , quien publicó trabajos sobre la oxidación del mercurio y la posterior descomposición de su óxido.
Finalmente, A. Lavoisier finalmente descubrió la naturaleza del gas resultante, utilizando información de Priestley y Scheele. Su obra fue de gran importancia, pues gracias a ella se derrocó la teoría del flogisto que dominaba en esa época y obstaculizaba el desarrollo de la química . Lavoisier realizó un experimento sobre la combustión de varias sustancias y refutó la teoría del flogisto al publicar los resultados sobre el cambio en el peso de los elementos quemados. El peso de la ceniza superó el peso inicial del elemento, lo que le dio a Lavoisier el derecho de afirmar que durante la combustión se produce una reacción química (oxidación) de la sustancia, en relación con esto, aumenta la masa de la sustancia original, lo que refuta la afirmación. teoría del flogisto.
Por lo tanto, Priestley, Scheele y Lavoisier comparten el mérito del descubrimiento del oxígeno.
La palabra oxígeno (todavía se llamaba "ácido" a principios del siglo XIX) debe su aparición en el idioma ruso en cierta medida a M.V. Lomonosov , quien introdujo, junto con otros neologismos , la palabra "ácido"; así la palabra "oxígeno", a su vez, era un calco del término " oxígeno " ( fr. oxygène ), propuesto por A. Lavoisier (del otro griego. ὀξύς - "agrio" y γεννάω - "doy a luz" ), que se traduce como " generar ácido ", lo que se asocia con su significado original - " ácido ", que anteriormente significaba sustancias llamadas óxidos según la nomenclatura internacional moderna .
El oxígeno es el elemento más común en la corteza terrestre; su parte (en la composición de varios compuestos, principalmente silicatos ) representa alrededor del 47% de la masa de la corteza terrestre sólida . Las aguas marinas y dulces contienen una gran cantidad de oxígeno ligado: 85,82 % (en masa). Más de 1500 compuestos de la corteza terrestre contienen oxígeno en su composición [6] .
En la atmósfera , el contenido de oxígeno libre es del 20,95 % en volumen y del 23,10 % en masa (alrededor de 10 15 toneladas [7] ). Sin embargo, antes de la aparición de los primeros microbios fotosintéticos en el Arcaico hace 3.500 millones de años, estaba prácticamente ausente en la atmósfera. El oxígeno libre comenzó a aparecer en grandes cantidades en el Paleoproterozoico (hace 3-2.300 millones de años) como resultado de un cambio global en la composición de la atmósfera ( catástrofe del oxígeno ). Durante los primeros mil millones de años, casi todo el oxígeno fue absorbido por el hierro disuelto en los océanos y formó depósitos de jaspilita . El oxígeno comenzó a liberarse a la atmósfera hace entre 3 y 2 700 millones de años y alcanzó el 10 % del nivel actual hace 1 700 millones de años [8] [9] .
La presencia de grandes cantidades de oxígeno libre y disuelto en los océanos y la atmósfera llevó a la extinción de la mayoría de los organismos anaeróbicos. Sin embargo, la respiración celular con oxígeno ha permitido que los organismos aerobios produzcan mucho más ATP que los organismos anaerobios, haciéndolos dominantes [10] .
Desde el comienzo del Cámbrico hace 540 millones de años, el contenido de oxígeno ha fluctuado del 15 % al 30 % en volumen [11] . Al final del período Carbonífero (hace unos 300 millones de años), su nivel alcanzó un máximo del 35 % en volumen, lo que puede haber contribuido al gran tamaño de insectos y anfibios en ese momento [12] .
La mayor parte del oxígeno de la Tierra es liberado por el fitoplancton de los océanos. Alrededor del 60% del oxígeno que utilizan los seres vivos se gasta en los procesos de descomposición y descomposición, el 80% del oxígeno que producen los bosques se gasta en la descomposición y descomposición de la vegetación forestal [13] .
Las actividades humanas tienen muy poco efecto sobre la cantidad de oxígeno libre en la atmósfera [14] . Al ritmo actual de fotosíntesis, tomará cerca de 2000 años restaurar todo el oxígeno en la atmósfera [15] .
El oxígeno es un componente de muchas sustancias orgánicas y está presente en todas las células vivas. En términos de la cantidad de átomos en las células vivas, es alrededor del 25 %, en términos de fracción de masa, alrededor del 65 % [6] .
En 2016, científicos daneses demostraron que el oxígeno libre formaba parte de la atmósfera desde hace 3800 millones de años [16] .
En condiciones normales, el oxígeno es un gas incoloro, insípido e inodoro .
1 litro de ella en condiciones normales tiene una masa de 1,429 g , es decir, un poco más pesado que el aire . Ligeramente soluble en agua ( 4,9 ml/100 g a 0°C, 2,09 ml/100 g a +50°C) y alcohol (2,78 ml/100 g a +25°C). Se disuelve bien en plata fundida (22 volúmenes de O 2 en 1 volumen de Ag a +961 °C). Se disuelve bien en hidrocarburos perfluorados (20-40 vol %) .
Distancia interatómica - 0,12074 nm. Es un paramagneto . En forma líquida, es atraído por un imán.
Cuando se calienta el oxígeno gaseoso se produce su __ _;átomos enreversibledisociación
El oxígeno líquido hierve a una presión de 101,325 kPa a -182,98 °C y es un líquido azul pálido . La temperatura crítica del oxígeno es de 154,58 K (-118,57 °C), la presión crítica es de 4,882 MPa [17] .
Oxígeno sólido (punto de fusión -218,35 °C) - cristales azules .
Se conocen 6 fases cristalinas , de las cuales tres existen a una presión de 1 atm :
Existen tres fases más a altas presiones:
Un agente oxidante fuerte, el no metal más activo después del flúor, forma compuestos binarios ( óxidos ) con todos los elementos excepto helio , neón , argón , flúor (el oxígeno forma fluoruro de oxígeno con flúor , ya que el flúor es más electronegativo que el oxígeno). El estado de oxidación más común es −2. Por regla general, la reacción de oxidación procede con la liberación de calor y se acelera al aumentar la temperatura (ver Combustión ). Un ejemplo de reacciones que ocurren a temperatura ambiente:
Oxida compuestos que contienen elementos con un estado de oxidación no máximo:
Oxida la mayoría de los compuestos orgánicos en las reacciones de combustión :
Bajo ciertas condiciones, es posible llevar a cabo una oxidación suave de un compuesto orgánico:
El oxígeno reacciona directamente (en condiciones normales , cuando se calienta y/o en presencia de catalizadores ) con todas las sustancias simples excepto el Au y los gases inertes ( He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn ); Las reacciones con halógenos ocurren bajo la influencia de una descarga eléctrica o luz ultravioleta . Se obtenían indirectamente óxidos de oro y gases inertes pesados (Xe, Rn) . En todos los compuestos de dos elementos de oxígeno con otros elementos, el oxígeno desempeña el papel de un agente oxidante, a excepción de los compuestos con flúor (ver a continuación # Fluoruros de oxígeno ).
El oxígeno forma peróxidos con el estado de oxidación del átomo de oxígeno formalmente igual a -1.
En esta reacción, el oxígeno exhibe propiedades reductoras .
El oxígeno apoya los procesos de respiración , combustión , descomposición .
En su forma libre, el elemento existe en dos modificaciones alotrópicas: O 2 y O 3 ( ozono ). Según lo establecido en 1899 por Pierre Curie y Maria Skłodowska-Curie , bajo la influencia de la radiación ionizante, el O 2 se transforma en O 3 [23] [24] .
En la actualidad, en la industria, el oxígeno se obtiene del aire. El principal método industrial para la obtención de oxígeno es la destilación criogénica . También son bien conocidas y utilizadas con éxito en la industria las plantas de oxígeno que funcionan sobre la base de la tecnología de membranas, además de utilizar el principio de adsorción.
Los laboratorios utilizan oxígeno industrial suministrado en cilindros de acero a una presión de unos 15 MPa .
Se pueden obtener pequeñas cantidades de oxígeno calentando permanganato de potasio KMnO 4 :
También se utiliza la reacción de descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno H 2 O 2 en presencia de óxido de manganeso (IV) :
El oxígeno se puede obtener por descomposición catalítica del clorato de potasio ( sal de bertolet ) KClO 3 :
La descomposición del óxido de mercurio (II) (a t = 100 °C) fue el primer método para la síntesis de oxígeno:
Los métodos de laboratorio para producir oxígeno incluyen el método de electrólisis de soluciones acuosas diluidas de álcalis, ácidos y algunas sales (sulfatos, nitratos de metales alcalinos):
En submarinos y estaciones orbitales, suele obtenerse por la reacción del peróxido de sodio y el dióxido de carbono exhalado por una persona:
Para equilibrar los volúmenes de dióxido de carbono absorbido y oxígeno liberado, se le agrega superóxido de potasio . Las naves espaciales a veces usan peróxido de litio para reducir el peso .
El uso industrial generalizado del oxígeno comenzó a mediados del siglo XX , después de la invención de los turboexpansores , dispositivos para licuar y separar el aire líquido.
El método convertidor de producción de acero o procesamiento de mata está asociado con el uso de oxígeno. En muchas unidades metalúrgicas, para una combustión más eficiente del combustible , se utiliza una mezcla de aire y oxígeno en los quemadores en lugar de aire.
El oxígeno en cilindros azules se usa ampliamente para cortar con llama y soldar metales.
El oxígeno líquido , el peróxido de hidrógeno , el ácido nítrico y otros compuestos ricos en oxígeno se utilizan como agente oxidante para el combustible de cohetes . Una mezcla de oxígeno líquido y ozono líquido es uno de los agentes oxidantes más potentes del combustible para cohetes (el impulso específico de una mezcla de hidrógeno y ozono excede el impulso específico de un par hidrógeno - flúor e hidrógeno - oxígeno fluoruro ).
El oxígeno médico se almacena en cilindros de gas metálico azul de alta presión de varias capacidades, desde 1,2 hasta 10,0 litros , bajo una presión de hasta 15 MPa (150 atm ) y se utiliza para enriquecer las mezclas de gases respiratorios en los equipos de anestesia , en caso de insuficiencia respiratoria , para detener un ataque bronquial, asma , eliminación de hipoxia de cualquier origen, con enfermedad de descompresión , para el tratamiento de patología del tracto gastrointestinal en forma de cócteles de oxígeno . Las grandes instituciones médicas no pueden usar oxígeno comprimido en cilindros, sino oxígeno licuado en un gran recipiente Dewar . Para uso individual, el oxígeno médico de los cilindros se llena con recipientes de goma especiales: almohadas de oxígeno . Para suministrar oxígeno o una mezcla de oxígeno y aire simultáneamente a una o dos víctimas en el campo o en un hospital, se utilizan inhaladores de oxígeno de varios modelos y modificaciones. La ventaja de un inhalador de oxígeno es la presencia de un condensador-humidificador de la mezcla de gases, que utiliza la humedad del aire exhalado. Para calcular la cantidad de oxígeno que queda en el cilindro en litros, se suele multiplicar la presión en el cilindro en atmósferas (según el manómetro del reductor ) por la capacidad del cilindro en litros. Por ejemplo, en un cilindro con una capacidad de 2 litros, el manómetro muestra una presión de oxígeno de 100 atm. El volumen de oxígeno en este caso es 100 × 2 = 200 litros [25] .
En la industria alimentaria, el oxígeno está registrado como aditivo alimentario E948 [26] , como gas propulsor y de envasado.
En la industria química, el oxígeno se utiliza como agente oxidante en numerosas síntesis , por ejemplo, la oxidación de hidrocarburos a compuestos que contienen oxígeno ( alcoholes , aldehídos , ácidos ), dióxido de azufre a trióxido de azufre , amoníaco a óxidos de nitrógeno en la producción de ácido nítrico Debido a las altas temperaturas que se desarrollan durante la oxidación , las últimas reacciones descritas a menudo se llevan a cabo en el modo de combustión .
En invernadero para la fabricación de cócteles de oxígeno , para la ganancia de peso en animales, para enriquecer el medio acuático con oxígeno en la piscicultura .
La mayoría de los seres vivos ( aerobios ) respiran oxígeno. El oxígeno es ampliamente utilizado en medicina. En las enfermedades cardiovasculares, para mejorar los procesos metabólicos, se introduce en el estómago espuma de oxígeno (“cóctel de oxígeno”) . La administración subcutánea de oxígeno se usa para úlceras tróficas, elefantiasis , gangrena y otras enfermedades graves. El enriquecimiento con ozono artificial se utiliza para desinfectar y desodorizar el aire y purificar el agua potable . El isótopo radiactivo de oxígeno 15 O se utiliza para estudiar la tasa de flujo sanguíneo, la ventilación pulmonar .
Algunos derivados del oxígeno (las llamadas especies reactivas del oxígeno ), como el oxígeno singlete , el peróxido de hidrógeno , el superóxido , el ozono y el radical hidroxilo , son productos altamente tóxicos. Se forman en el proceso de activación o reducción parcial de oxígeno. El superóxido (radical superóxido), el peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo se pueden formar en las células y tejidos del cuerpo humano y animal y causar estrés oxidativo .
La inhalación prolongada de oxígeno puro puede tener consecuencias peligrosas para el cuerpo. Es seguro respirar durante mucho tiempo a presión normal con mezclas que contienen hasta un 60 % de oxígeno. Respirar oxígeno al 90% durante 3 días provoca taquicardia, vómitos, neumonía, convulsiones. Con el aumento de la presión, el efecto tóxico del oxígeno se acelera y se intensifica. Los jóvenes son más sensibles a los efectos tóxicos del oxígeno que los ancianos [27] .
El oxígeno tiene tres isótopos estables: 16 O, 17 O y 18 O, cuyo contenido medio es respectivamente del 99,759 %, 0,037 % y 0,204 % del número total de átomos de oxígeno en la Tierra. El marcado predominio del más ligero de ellos, el 16 O, en la mezcla de isótopos se debe al hecho de que el núcleo del átomo de 16 O consta de 8 protones y 8 neutrones ( núcleo mágico doble con capas llenas de neutrones y protones). Y tales núcleos, como se desprende de la teoría de la estructura del núcleo atómico, tienen una estabilidad especial.
También se conocen isótopos de oxígeno radiactivo con números de masa de 12 O a 28 O. Todos los isótopos de oxígeno radiactivo tienen una vida media corta , el más largo de ellos es 15 O con una vida media de ~ 120 segundos. El isótopo 12 O de vida más corta tiene una vida media de 5,8⋅10 −22 segundos.
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