O Oxigênio da Terra

por Paulo Gomes de Araújo Pereira. Ocorrência natural e Preparação - O oxigênio é o elemento mais abundante na Terra, constitui cerca da metade do total de substâncias da sua superfície. A maior parte deste oxigênio é combinada sob a forma de silicatos, óxidos e água, cerca de 90% de água, dois terços do corpo humano e de 1/5 em volume do ar. Encontra-se no Sol, e toma parte no ciclo do carbono estelar. O oxigênio é preparado para uso comercial pela liquefação e destilação fracionada do ar e é mais barato por eletrólise da água, que é armazenado e transportado sob alta pressão em cilindros de aço. Também pode ser obtido por aquecimento de alguns dos seus compostos, tais como o peróxido de bário, cloreto de potássio, e o óxido vermelho de mercúrio. Uso - O oxigênio é de grande importância para a indústria química e indústrias do ferro e do aço. O seu uso principal é na produção de aço, por exemplo, no processo de Bessemer, a tocha de oxiacetileno. O oxigênio é utilizado em medicina para o tratamento de doenças respiratórias e é misturado com outros gases para a respiração em submarinos, aviões que voam alto e naves espaciais. O oxigênio líquido é usado como oxidante em sistemas de combustível de foguetes de grande porte.

Descrição. Elemento químico gasoso, de símbolo químico O, número atômico 8. Constitui 21% (em volume) de ar, e mais de 46% (em peso) da crosta terrestre, onde é o elemento mais abundante. Ele é um líquido incolor, inodoro e gás insípido, ocorrendo como molécula diatômica, O_2. Na respiração, que é retomado por animais e algumas bactérias (e pelas plantas no escuro), que libertam dióxido de carbono (CO_2). Na fotossíntese, as plantas verdes assimilam o dióxido de carbono na presença de luz solar e libertam oxigênio. A pequena quantidade de oxigênio que se dissolve em água é essencial para a respiração dos peixes e outra vida aquática. O oxigênio participa na combustão e na corrosão, mas não na queima. Tem valência 2 nos compostos, sendo o mais importante a água . Ele forma óxido e é parte de muitas outras moléculas e grupos funcionais, incluindo os nitratos, sulfatos, fosfatos e carbonatos, álcoois, aldeídos, ácidos carboxílicos, cetonas, e peróxidos. Obtidos para uso industrial por destilação de gás liquefeito de ar, o oxigênio é utilizado no fabrico de aço e noutros processos metalúrgicos e na indústria química. Os usos médicos incluem a terapia respiratória, incubadoras e anestésicos inalados. O oxigênio faz parte de todas as misturas de gases para a nave espacial tripulada, mergulhadores, trabalhadores em ambientes fechados, e câmara hiperbáricas. Também é utilizado em motores de foguete como um oxidante (em forma líquida), e em processos de tratamento de água e de resíduos. O oxigênio, O, é um elemento químico do grupo VI do sistema periódico de Mendeleev. Número atômico, 8; massa atômica, 15,9994. Em condições normais, o oxigênio é um gás incolor, insípido e inodoro. Seria difícil citar outro elemento que desempenha um papel tão importante na Terra, como o oxigênio.

Distribuição na natureza. O oxigênio é o elemento mais difundido na Terra. Oxigênio combinado constitui cerca de seis sétimos da hidrosfera terrestre (85,82% em peso), quase metade da litosfera (47% em peso). Apenas na atmosfera, onde o oxigênio está presente no estado livre, é o segundo elemento mais abundante (23,15% em peso), após o azoto. O oxigênio também está em primeiro lugar no número de minerais formados por ele (1.364). Os minerais mais generalizados que contêm oxigênio são silicatos (feldspatos, micas), quartzo, óxidos de ferro, carbonatos e sulfatos. Os organismos vivos em média contêm cerca de 70% de oxigênio, que é um componente da maioria dos compostos orgânicos importantes (proteínas, gorduras, carboidratos) e um componente dos componentes inorgânicos do esqueleto. O papel do oxigênio livre é especialmente importante em processos bioquímicos e fisiológicos, especialmente na respiração. Com exceção de alguns microrganismos anaeróbios, todos os animais e plantas recebem a energia necessária por meio de bioprocessos a partir da oxidação biológica de várias substâncias com o oxigênio. Toda a massa do oxigênio livre na Terra originou-se e está sendo mantida pelas atividades em vida de plantas verdes, que evoluem de oxigênio no curso da fotossíntese, na terra e nos oceanos. A fotossíntese e a predominância de oxigênio livre na superfície da Terra, dar origem a condições fortemente oxidantes. Por outro lado, os redutores são formados onde o oxigênio está ausente, como no magma, em níveis de profundidade de água subterrânea, no lodo dos oceanos e lagos, e em pântanos. Os processos de redução-oxidação participam para determinar a concentração de oxigênio de muitos elementos e a formação de depósitos minerais, tais como minérios de enxofre, carvão, óleo, ferro e cobre. O ciclo do oxigênio também é alterado pelas atividades econômicas do homem. Em alguns países industriais mais oxigênio é consumido durante a combustão de combustíveis do que a quantidade que evoluiu pela fotossíntese das plantas. O consumo de oxigênio anual para a combustão de combustíveis na Terra é de 9 bilhões de toneladas (9 x 19 ⁹ Ton).

Isótopos, átomos e moléculas. O oxigênio tem três isótopos estáveis: ¹⁶O, ¹⁷O e ¹⁸O - o teor médio que o constitui, respectivamente, 99,759%, 0,037%, e 0,204 % do número total de átomos de oxigênio na Terra. A predominância do isótopo leve ¹⁶O na mistura de isótopos é devido ao núcleo ¹⁶O composto de oito prótons e oito nêutrons. A teoria do núcleo atômico indica que tais núcleos são particularmente estáveis. De acordo com a posição do oxigênio no sistema periódico dos elementos de Mendeleiev, os elétrons do átomo de oxigênio são dispostos em duas camadas: dois na interior e 6 na camada externa (a configuração é²2s ²2p⁴). Uma vez que a camada externa não está preenchida e o potencial de ionização e a afinidade de elétrons são 12,61 e 1,46 eV respectivamente, o átomo de oxigênio normalmente adquire elétrons no decurso da formação de compostos químicos e tem uma carga negativa efetiva. Por outro lado, raros são os compostos em que os elétrons são arrancados (ou, mais precisamente, foram afastados) a partir do átomo de oxigênio (como em F₂ O e F₂O_2). No passado, procedendo unicamente a partir da posição do oxigênio no sistema periódico, uma carga negativa (- 2) foi atribuída ao átomo de oxigênio. No entanto, os dados experimentais indicam que o íon^2-  não existe no seu estado livre ou em compostos, e que a carga efetiva negativa do átomo de oxigênio praticamente nunca excede a unidade. Sob condições normais, a molécula de oxigênio é diatômica (O_2). Uma molécula triatômica, o ozônio (O₃), é formada em uma descarga elétrica silenciosa; pequenas quantidades de moléculas tetratômicas (O _4), foram detectadas em altas pressões. A estrutura eletrônica do O₂ é de grande interesse teórico. A molécula tem dois elétrons desemparelhados no estado fundamental. A energia de ionização da molécula de oxigênio (O₂ - e → O₂⁺) constitui 12,2 eV, e a afinidade eletrônica (O₂ + e → O₂^-) 0,94 eV. A dissociação do oxigênio molecular em átomos é insignificante em temperaturas comuns, tornando-se visível apenas a 1.500 ° C; a 5.000°C, as moléculas de oxigênio são quase completamente dissociadas em átomos.

Propriedades físicas. O oxigênio é um gás incolor que se liquefaz a -182,9°C e pressão normal de um líquido azul pálido, o que, por sua vez, se solidifica a -218,7°C formando cristais azuis. A densidade do oxigênio gasoso (a 0°C e pressão normal) é 1, 42897 g/l. A temperatura crítica do oxigênio é muito baixa (t_Crit = -118,84°C), isto é, mais baixa do que a do Cl_2, CO_2, SO_2, e em alguns outros gases; a pressão crítica, P_crit = 4,97 meganewtons por metro quadrado (49,71 atm). A condutividade térmica (a 0°C) é de 23,86 X 10 ^-3 W / (m•K), ou 57 X 10^-6 cal/(seg•cm•°C). As capacidades caloríficas molares (a 0°C) são C _p = 28,9 e C_v = 20,5 em joules (mol · K) e C_p = 6,99 e C_v = 4,98 em cal/(mol •°C), respectivamente; C_P /C_V = 1,403. A permeabilidade dielétrica do oxigênio gasoso é 1.000547 (a 0°C), e do oxigênio líquido 1,491. A viscosidade é de 189 millipoises (a 0°C). O oxigênio é pouco solúvel em água: a 20°C e 1atm, 0,031 m³ dissolve-se em 1 m³ de água; 0,049 m³ dissolve-se a 0°C. O carvão ativado preto e a platina são eficientes absorventes sólidos de oxigênio.

Propriedades químicas. O oxigênio forma compostos químicos com todos os outros elementos, exceto os gases leves inertes. Sendo o mais ativo não-metal (depois do flúor), o oxigênio interage diretamente com a maioria dos elementos. As únicas exceções são os gases inertes pesados, os halogênios, ouro e platina; seus compostos com oxigênio são obtidos por métodos laboriosos e complicados. Quase todas as reações que envolvem oxigênio são reações de oxidação exotérmicas, que é acompanhada pela libertação de calor. O oxigênio reage com o hidrogênio a temperaturas normais muito lentamente, enquanto que esta reação procede explosiva acima de 550°C: 2H₂+O₂ = 2H₂O. O oxigênio reage com o carbono, enxofre, azoto e fósforo, muito lentamente, sob condições normais. A velocidade de reação aumenta com o aumento da temperatura até uma temperatura de inflamação característica. A reação do oxigênio com o azoto é endotérmica devido à estabilidade particular da molécula de N₂ e torna-se visível apenas acima de 1200°C, ou em uma descarga elétrica: N₂+O₂ = 2NO. O oxigênio ativo oxida praticamente todos os metais e com facilidade, em particular, os metais alcalinos e alcalino-terrosos. A reatividade de um metal com o oxigênio depende de muitos fatores, tais como a condição da superfície do metal, o grau de subdivisão, e a presença de impurezas. O papel da água é de particular importância na interação de substâncias com o oxigênio. Por exemplo, tal como um metal ativo de potássio não reage de todo com o oxigênio que é completamente desprovido de umidade, mas se inflama de oxigênio à temperatura ambiente na presença de quantidades diminutas de vapor de água. Calculou-se a proporção na perda anual de quantidades de corrosão a tanto quanto 10% da produção de todos os metais. Óxidos de alguns metais formam peróxidos por adição de oxigênio. Os compostos resultantes contêm dois ou mais átomos de oxigênio ligados um ao outro. Assim, os peróxidos de Na₂O₂ e BaO₂ contêm o peróxido de íons O₂^2- ou (-O-O-), os superóxidos NaO₂ e KO₂ contêm o íon O_2-, e os ozonídeos NaO_3, KO_3, e  RBO_3, contêm o íon O_3-. O oxigênio reage exotermicamente com numerosas substâncias complexas. Assim, as queimaduras de amoníaco em oxigênio, na ausência de catalisadores, o processo da reação de acordo com a equação 4NH₃X₂ = 2N₃O₂•6H₂O. Não há oxidação do amoníaco, com o oxigênio na presença de catalisadores (este processo é usado na produção de ácido nítrico). De particular importância é a combustão de hidrocarbonetos (gás natural, gasolina, querosene), que constitui a fonte de calor mais importante para os consumidores e da indústria, por exemplo, CH ₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O. A reação de hidrocarbonetos com oxigênio constitui a base de muitos processos industriais importantes, tais como a reformação de metano, o qual é usado para a produção de hidrogênio: 2CH₄ + O₂ + 2H₂O = 2CO₂ + 6H_2. Muitos compostos orgânicos (hidrocarbonetos com ligações duplas e triplas, aldeídos, fenóis, aguarrás, óleos de secagem) adicionam vigorosamente oxigênio. A oxidação de nutrientes com o oxigênio nas células serve como uma fonte de energia para os organismos vivos.

Preparação. Existem três métodos básicos para a preparação de oxigênio: (a)químico, (b) eletrolítico (eletrolise da água), (c) físico (separação de ar) e (d) outros. (a )Químico - O primeiro método químico descoberto. O oxigênio pode ser preparado, por exemplo, a partir de clorato de potássio, KClO_3, que se decompõe no aquecimento com evolução de O₂ em quantidades de 0,27 m³ por 1 kg de sal. Óxido de bário, BaO, absorve oxigênio no início, quando aquecido até 540°C, para dar o peróxido de BaO_2, que se decompõe no aquecimento adicional a 870°C com a evolução do oxigênio puro. Também pode ser obtido a partir de KMnO_4, Ca₂PbO_4, 2KCr₂O₇, e outras substâncias, por aquecimento em presença de catalisadores. O método químico de oxigênio preparando é ineficiente e caro e é usado apenas em práticas de laboratório. (b) - O Método Eletrolítico consiste em fazer passar uma corrente elétrica direta através da água contendo uma solução de hidróxido de sódio, NaOH, para aumentar a sua condutividade. Neste caso, a água é decomposta em oxigênio e hidrogênio. O oxigênio é coletado no eletrodo positivo da unidade de eletrólise, e o hidrogênio no eletrodo negativo. O oxigênio é obtido por este método como um subproduto do fabrico de hidrogênio. O fornecimento de 12-15 kWh de energia elétrica é necessário para a produção de 2 m³ de hidrogênio e um m³ de oxigênio. (c) - Separação do Ar  é o método principal para a produção de oxigênio na tecnologia moderna. Para separar o ar ao seu estado normal de gás é muito difícil e, portanto, ele é antes liquefeito e, em seguida, separado em componentes. Este método para a produção de oxigênio é conhecido como o método de baixa temperatura de separação de ar. O ar é primeiro comprimido com um compressor e, em seguida, depois de passar através de permutadores de calor, expandido numa turbina de expansão ou por meio de um bocal, o que leva ao seu arrefecimento a 93 K (-180°C) e a conversão para  ar líquido. Maior separação de ar líquido, consistindo principalmente de azoto líquido e oxigênio líquido, baseia-se nas diferenças de ponto de ebulição dos seus componentes (o ponto de ebulição do O₂ é 90,18 K (-182,9°C), e o do N_2, 77,36 K (-195,8°C). A evaporação progressiva do ar líquido conduz, em primeiro lugar, para a evaporação principalmente de azoto e o restante líquido torna-se cada vez mais enriquecido em oxigênio. A repetição contínua deste processo sobre as placas de retificação das colunas separadoras de ar-líquido produz oxigênio de pureza requerida (concentração). (d) Outros - Também é possível preparar o oxigênio através da separação do ar utilizando o método de permeação seletiva (difusão) através de barreiras de membrana. Ar sob pressão é passado através de barreiras feitas de fluorocarbonetos, vidro ou plástico, as sebes estruturais através das quais são capazes de permitir que alguns componentes passem enquanto mantendo outros. Este método de produção de oxigênio tem sido utilizado até 1973 apenas em laboratórios.

 Transporte. O oxigênio gasoso é armazenado e transportado em cilindros de aço e receptores, sob pressões de 15 e 42 meganewtons/m² (correspondente a 150 e 420 barras, ou 150 e 420 atm, respectivamente). O oxigênio líquido é armazenado e transportado em recipientes de metal ou de Dewar em tanques especiais. Dutos especiais também são utilizados para o transporte de oxigênio líquido e gasoso. Cilindros de oxigênio são pintados de azul claro e são rotulados como "oxigênio" em preto. Uso.  Grau técnico de oxigênio é utilizado na chama gasosa nos trabalhos de metais, de soldadura, de corte de oxigênio, no caso de endurecimento, de metalização, e em outros processos, bem como na aviação, na navegação submarina, e em outros lugares. O oxigênio industrial é utilizado na indústria química para a produção de produtos tais como os combustíveis líquidos sintéticos, óleos lubrificantes, ácido nítrico e sulfúrico, amoníaco, metanol, fertilizantes de amoníaco, e os peróxidos de metais. O oxigênio líquido é utilizado no trabalho com explosivos, em motores de foguete, e em aplicações laboratoriais, tal como um agente de arrefecimento. O cilindro de oxigênio puro é utilizado para a respiração em altitudes elevadas, durante vôos espaciais, e na navegação subaquática. Em medicina, o oxigênio é administrado por via intramuscular e para auxiliar a respiração do gravemente doente, é também usado em banhos de água, ar e oxigênio (em tendas de oxigênio).