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, O2. Na respiração,
que é retomado por animais e algumas bactérias (e pelas plantas no escuro), que
libertam dióxido de carbono (CO2).
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 F2O2). 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 íon2- 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 (O2).
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 (tCrit = -118,84°C), isto é, mais baixa do que
a do Cl2, CO2, SO2, e em alguns outros gases;
a pressão crítica, Pcrit = 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 Cv = 20,5
em joules (mol · K) e Cp = 6,99 e Cv = 4,98
em cal/(mol •°C), respectivamente; CP /CV = 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 O22- ou (-O-O-), os superóxidos
NaO2 e KO2 contêm o íon O2-, e os ozonídeos
NaO3, KO3, e RBO3,
contêm o íon O3-. 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 + 6H2. 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, KClO3,
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 BaO2, que se
decompõe no aquecimento adicional a 870°C com a evolução do oxigênio puro.
Também pode ser obtido a partir de KMnO4, Ca2PbO4, 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 N2, 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).
