Alótropos
alótropos del oxígeno, entre los cuales el más familiar es el oxígeno molecular (O2), abundantemente presente en laatmósfera terrestre y también conocido como dioxígeno u oxígeno triplete. Otro alótropo es el ozono (O3), altamente reactivo. Entre los demás se encuentran:
- El oxígeno atómico (O1, un radical libre).
- El oxígeno singlete (O2), cualquiera de los dos estados metaestables de oxígeno molecular.
- El tetraoxígeno (O4), otra forma metaestable.
- El oxígeno sólido, que existe en seis fases de variados distintas, de los cuales uno es el O8 y otro es metálico.
Hay varios alótropos conocidos de oxígeno. El más conocido es el oxígeno molecular, presente en niveles significativos en la atmósfera de la Tierra y también conocida como dioxígeno u oxígeno triplete. Otro es el ozono altamente reactivo. Otros incluyen:
- El oxígeno atómico
- El oxígeno singlete, ya sea de dos estados metaestables de oxígeno molecular
- Tetraoxygen, otra forma metaestable
- Sólido oxígeno, existente en seis fases de diversos colores, de los cuales uno es O8 y otro metálico
El oxígeno atómico
El oxígeno atómico es muy reactivo, en la superficie de la Tierra no existe de forma natural por mucho tiempo, aunque en el espacio, la presencia de un montón de resultados de la radiación ultravioleta en una atmósfera de la órbita baja de la Tierra de alrededor de 96% de oxígeno atómico.
Dioxígeno
La forma alotrópica común de oxígeno elemental en la Tierra, O2, se conoce generalmente como el oxígeno, pero puede ser llamado dioxígeno u oxígeno molecular, que lo distingue de el propio elemento. Oxígeno elemental se encuentra más comúnmente en este formulario, ya que aproximadamente el 21% de la atmósfera terrestre. El dioxígeno puede ocurrir en estados metaestables, llamado oxígeno singlete; en contraste, el estado fundamental se conoce como el oxígeno triplete.
O2 tiene una longitud de enlace de 121 pm y una energía de enlace de 498 kJ/mol. Es un gas incoloro con un punto de ebullición de -183 C. Puede ser condensado de aire por enfriamiento con nitrógeno líquido, que tiene un punto de ebullición de -196 C. El oxígeno líquido es de color azul claro, y es muy notable de oxígeno paramagnético-líquido contenido en un recipiente suspendido de una cuerda se siente atraída por un imán.
El oxígeno singlete
El oxígeno singlete es el nombre común que se usa para los dos estados metaestables de oxígeno molecular con mayor energía que el oxígeno triplete estado fundamental. Debido a las diferencias en sus capas de electrones, el oxígeno singlete tiene diferentes propiedades químicas que el oxígeno triplete, incluyendo absorber y emitir luz a diferentes longitudes de onda. Puede ser generado en un proceso de fotosensibilizada por la transferencia de energía a partir de moléculas de colorante tales como rosa de bengala, azul de metileno o porfirinas, o por procesos químicos tales como la descomposición espontánea de trióxido de hidrógeno en agua o en la reacción de peróxido de hidrógeno con hipoclorito.
Ozono
Oxígeno triatómica, es una forma alotrópica muy reactiva del oxígeno que es destructivo para materiales como el caucho y tejidos, y también está dañando al tejido pulmonar. Los rastros de que se pueden detectar como un fuerte olor parecido al cloro, procedentes de los motores eléctricos, impresoras láser y fotocopiadoras. Fue nombrado "ozono" por Christian Friedrich Schnbein, en 1840, de la palabra griega ? el olor.
El ozono es termodinámicamente inestable hacia el dioxígeno forma más común, y se forma por reacción de O2 con el oxígeno atómico producido por la división de O2 por la radiación UV en la atmósfera superior. El ozono absorbe fuertemente en el ultravioleta y funciona como un escudo para la biosfera contra los efectos dañinos mutagénicos y otra de la radiación UV solar. El ozono se forma cerca de la superficie de la Tierra por la desintegración fotoquímica de dióxido de nitrógeno de los gases de escape de los automóviles. El ozono troposférico es un contaminante del aire que es especialmente perjudicial para las personas mayores, niños y personas con enfermedades cardíacas y pulmonares, como el enfisema, la bronquitis y el asma. El sistema inmune produce ozono como agente antimicrobiano. O3 líquidos y sólidos tienen un color más azulado que el oxígeno ordinario y son inestables y explosivos.
El ozono es un gas condensable azul pálido a un líquido de color azul oscuro. Se forma cuando el aire se somete a una descarga eléctrica, y tiene el característico olor acre del heno recién cortado, o para los que viven en entornos urbanos, de metro - el llamado 'olor eléctrica.
Tetraoxygen
Tetraoxygen había sospechado la existencia desde el año 1900, cuando era conocida como oxozone, y fue identificado en 2001 por un equipo dirigido por F. Cacace en la Universidad de Roma. La molécula de O4 se pensaba que era en una de las fases de oxígeno sólido identificado posteriormente como O8. El equipo de Cacace O4 pensar que probablemente se compone de dos mancuernas-como las moléculas de O2 mantenidas débilmente unidas por fuerzas de dispersión de dipolos inducidos.
Fases del oxígeno sólido
Hay seis fases conocidas de oxígeno sólido. Uno de ellos es un grupo O8 de color rojo oscuro. Cuando el oxígeno se somete a una presión de 96 GPa, que se convierte en metal, de una manera similar como el hidrógeno, y se vuelve más similar a los calcógenos más pesados, tales como el telurio y polonio, ambos de los cuales muestran un carácter metálico significativa. A temperaturas muy bajas, esta fase también se convierte en superconductor.
El oxígeno presenta dos formas alotrópicas: O2 (dioxígeno) y O3 (ozono); dada su relevancia vamos a dedicarles sendas secciones a cada una de ellas.
El dioxígeno, O2
El dioxígeno es un gas incoloro, inodoro y difícil de licuar. Presenta una escasa solubilidad en agua. La solubilidad del O2en agua es un factor muy relevante ya que tiene que ser suficiente como para permitir que los seres vivos puedan respirar:
0 ºC
|
25 ºC
|
100 ºC
| |
| S (g/100 g H2O) |
0.007
|
0.004
|
0.001
|
Solubilidad de O2 en agua a distintas temperaturas
Conforme aumentamos la temperatura la solubilidad del oxígeno (y en general la de los gases) disminuye. Esto tiene un indudable impacto en la vida de los organismos acuáticos que utilizan el O2 disuelto en ella para respirar.
Obtención del O2
El oxígeno se produce industrialmente por destilación fraccionada del aire líquido El proceso tiene lugar en una doble columna de destilación. Se enfría el aire hasta licuarlo y se introduce en la columna. La columna inferior se mantiene a una presión de 5 atmósferas, a la cuál los puntos de ebullición de nitrógeno y oxígeno son mucho más altos que en condiciones normales. En la columna empieza a evaporar el nitrógeno mientras que el oxígeno, menos volátil, queda en el fondo. Controlando cuidadosamente las condiciones de temperatura y presión, se pueden separar ambos gases
Escala de laboratorio: hay dos métodos habituales
a) Descomposición del peróxido de hidrógeno en presencia de dióxido de manganeso MnO2 que actúa como catalizador de la descomposición:
2 H2O2 (l) (Cat. MnO2) → 2 H2O (l) + O2 (g)
b) Descomposición térmica del clorato potásico:
2 KClO3 (s) → 2 KCl (s) + 3 O2 (g)
Dicha descomposición necesita de una temperatura de unos 400-500 ºC. La adición de MnO2 logra que la temperatura de descomposición baje hasta los 150 ºC. También se puede obtener dioxígeno por electrolisis del agua. El inconveniente es gasto de electricidad que supone. El interés por obtener hidrógeno (ver economía del hidrógeno en el tema 5) partiendo del agua como materia prima quizás provoque que en el futuro haya otros métodos de obtención industrial alternativos a la destilación fraccionada del aire líquido.
Aplicaciones
El dioxígeno tiene un buen número de aplicaciones en el mundo moderno. Se utiliza por ejemplo en medicina en la respiración asistida de los pacientes; en todos los hospitales encontraremos grandes depósitos de oxígeno líquido. Además, es esencial en el proceso de combustión de azúcares mediante el cual la mayor parte de los seres vivos obtienen energía:
6CO2 + 6H2O + energía → C6H12O6 + 6 O2
La mayor parte del oxígeno (80% de la producción mundial) se destina a la industria del hierro y del acero (proceso Bessemer). Cada tonelada de acero necesita para su obtención de 3/4 tn de oxígeno.
Otros usos:
- preparación de TiO2 a partir de TiCl4
- oxidación del NH3 en la fabricación de HNO3
- combustible (oxidante) en cohetes espaciales
- producción gas de síntesis (CO+ H2O)
- oxidación directa de etileno a óxido de etileno
Estructura electrónica del O2
La molécula de dioxígeno es paramagnética. El momento magnético es el correspondiente a dos electrones desapareados, de acuerdo con lo previsto por la TOM.
La molécula de dioxígeno dispone de 12 electrones; cuatro de ellos permanecen en orbitales de tipo s muy bajos en energía y que no tenemos en consideración en el diagrama de OM que se presenta. Los 8 electrones restantes se disponen en el esquema adjunto.
A pesar de su elevada reactividad, la mayor parte de los procesos oxidativos transcurren lentamente debido a la energía necesaria para excitar la molécula de dioxígeno. Si dichos procesos oxidativos en los que está implicado el O2 estuvieran gobernados por la termodinámica en vez de por la cinética toda la materia orgánica se oxidaría rápidamente, los hidrocarburos se incendiarían espontáneamente, etc.
Un agente oxidante poderoso puede arrancar uno de los electrones p* del dioxígeno para dar el catión O2+ que puede formar redes estables con polifluoroaniones grandes como BF4- o PF6-. Asimismo puede captar un electrón adicionándolo a uno de esos orbitales p* semiocupados para dar el anión superóxido O2- que puede formar redes estables con cationes alcalinos y alcalino-térreos (CsO2). Se puede captar un segundo electrón originando el anión peróxido -O–O- como por ejemplo en el Na2O2.
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