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Carlos del Porto Blanco

El oxígeno es el tercer elemento más abundante del universo y constituye alrededor del 21 % de la atmósfera terrestre; su descubrimiento en el siglo XVIII revolucionó la química y la medicina, y hoy es esencial tanto para la vida como para múltiples industrias. A este elemento químico dedicare la columna de hoy.

Vi en un sueño una mesa donde todos los elementos encajaban según lo requerido. Al despertar, inmediatamente lo escribí en una hoja de papel. Dmitri Mendeléyev.

Imagine por un momento el siguiente escenario, hace unos 300 millones de años en los pantanos de la era Carbonífera. Libélulas con una envergadura alar similar a la de una gaviota surcaban los cielos de un planeta muy diferente al actual. La causa de que esos insectos alcanzaran esos tamaños gigantescos no fue una cuestión de magia ni de mutación azarosa, sino de física y de química. En esa época, la concentración de oxígeno en la atmósfera era significativamente mayor que la actual, alcanzando aproximadamente el 35 % en lugar del 21 % actual. Ese experimento natural de la historia de la Tierra demuestra una verdad fundamental: la cantidad de ese elemento invisible en el aire que nos rodea es el factor que dicta los límites de la vida misma.

El oxígeno es un elemento químico de número atómico 8, número de masa (peso atómico) 15.9994 gramos por mol, se representa por el símbolo O, Punto de fusión: -218.8 grados Celsius; Punto de ebullición: -183 gados Celsius; Estado natural: gas diatómico (O?), incoloro, inodoro e insípido. En condiciones normales de presión y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para formar el dioxígeno. Esa sustancia constituye una importante parte de la atmósfera y resulta necesaria para sostener la vida terrestre.

El oxígeno forma parte del grupo de los anfígenos en la tabla periódica y es un elemento no metálico altamente reactivo que forma fácilmente compuestos (especialmente óxidos) con la mayoría de elementos, excepto con los gases nobles y el helio. Es un fuerte agente oxidante y tiene la segunda electronegatividad más alta de todos los elementos, solo superada por el flúor. Medido por su masa, el oxígeno es el tercer elemento más abundante del universo, tras el hidrógeno y el helio, y el más copioso en la corteza terrestre, ya que forma, prácticamente, la mitad de su masa.

Debido a su reactividad química, el oxígeno no puede permanecer en la atmósfera terrestre como elemento libre sin ser reabastecido constantemente por la acción fotosintética de los organismos que utilizan la energía solar para producir oxígeno elemental a partir del agua. El oxígeno elemental O2 solamente empezó a acumularse en la atmósfera después de la aparición de esos organismos, aproximadamente hace 2500 millones de años. Cuando ocurrió el «Gran Evento de Oxigenación».

Un ancestro de las cianobacterias comenzó a llenar la atmósfera de oxígeno, lo que resultó tóxico para la mayoría de los organismos anaeróbicos de la época (provocando la primera gran extinción masiva), pero que permitió la evolución de formas de vida más complejas y energéticamente eficientes.

Un ser humano adulto inhala unos 2300 litros de oxígeno al día y exhala en forma de dióxido de carbono alrededor de 1700. La respiración es precisamente el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono en los pulmones. Y el oxígeno es esencial para la respiración celular, el proceso mediante el cual las células producen energía, imprescindible para mantener las funciones corporales y la salud en general.

Entre el 50 % y el 85 % del oxígeno que respiramos proviene del fitoplancton marino. Entre ellos destaca una criatura microscópica llamada Prochlorococcus. Descubierto en 1986, esa diminuta cianobacteria es, con diferencia, el organismo fotosintético más abundante del planeta. Se estima que una de cada cinco bocanadas de aire que toma un ser humano proviene del Prochlorococcus. La ecuación es simple: esas bacterias usan la energía del sol para transformar dióxido de carbono (CO?) y agua (H?O) en azúcares y oxígeno (O?).

Productor de Oxígeno Porcentaje Estimado Característica Clave
Fitoplancton Marino 50 % – 85 % Incluye al Prochlorococcus; base de la cadena alimenticia oceánica.
Bosques y Selvas 20 % – 30 % Incluye al Amazonas; cruciales como sumideros de carbono.
Otras Plantas Terrestres Variable Praderas, cultivos, etc.

 

¿Dónde se guarda todo ese oxígeno? Paradójicamente, aunque el 21 % del aire es oxígeno, la mayor reserva de ese elemento no está en la atmósfera. Está atrapada en las rocas. Aproximadamente el 99.5 % del oxígeno de la Tierra está contenido en los minerales del manto y la corteza terrestre (silicatos, óxidos, etc.). Si se pudiera extraerlo todo, la atmósfera sería miles de veces más densa en oxígeno, pero también literalmente nos caería el cielo encima.

Dado que constituye la mayor parte de la masa del agua, es también el componente mayoritario de la masa de los seres vivos. Muchas de las moléculas más importantes que forman parte de los seres vivos, como las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos y los lípidos, contienen oxígeno, así como los principales compuestos inorgánicos que forman los caparazones, dientes y huesos animales.

Este gas se produce industrialmente mediante la destilación fraccionada de aire licuado, el uso de zeolita con ciclos de presión para concentrar el oxígeno del aire, la electrólisis del agua y otros medios. El oxígeno se utiliza en la producción de acero, plásticos y textiles; los propulsores de cohetes; la oxigenoterapia; y la asistencia para la respiración en aeronaves, submarinos, vuelos espaciales y submarinismo.

A diferencia de los recursos minerales, el oxígeno no se extrae de yacimientos estáticos, sino que se separa del aire atmosférico. El método predominante es la destilación criogénica, creada industrialmente por Carl von Linde en 1902, se enfría el aire hasta aproximadamente -196 grados Celsius para licuarlo y luego fracciona sus componentes según sus puntos de ebullición.

En la actualidad, la producción global supera los 120 millones de toneladas anuales, liderada por empresas especializadas en gases industriales como Linde plc, Air Liquide y Air Products and Chemicals. Las reservas de oxígeno son, en realidad, reservorios dinámicos: la atmósfera contiene aproximadamente 1.2×10¹? toneladas, mientras que el agua de mar alberga oxígeno disuelto en concentraciones que oscilan entre 5 y 10 miligramo por litro, dependiendo de la temperatura, la salinidad y la circulación oceánica.

El trioxígeno (O3) se conoce habitualmente como ozono y es un alótropo muy reactivo, dañino para el tejido pulmonar. El ozono se produce en la atmósfera superior cuando el O2 se combina con el oxígeno atómico a causa de la división del O2 por la radiación ultravioleta. Ya que el ozono es un poderoso absorbente en la región ultravioleta del espectro electromagnético, la capa de ozono de la atmósfera superior funciona como un escudo protector de la radiación que recibe el planeta. Cerca de la superficie terrestre, no obstante, es un contaminante formado como subproducto de las emisiones de automóviles.

La molécula metaestable del tetraoxígeno (O4) no fue descubierta hasta 2001, y se dio por descontado que existía en una de las seis fases del oxígeno sólido. En 2006 se demostró que esa fase, creada mediante la presurización del O2 a 20 GigaPascal, es, de hecho, un clúster. O8 de sistema trigonal. Ese clúster tiene potencial para ser un oxidante mucho más potente que el O2 y el O3 y podría, por tanto, ser usado como propulsor de cohetes. En 1990 se descubrió una fase metálica cuando el oxígeno sólido se somete a una presión superior a 96 GigaPascal y se demostró en 1998 que a temperaturas muy bajas se convierte en superconductor.

El oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno; esta contiene aproximadamente una molécula de O2 por cada dos moléculas de N2, comparado con la proporción en la atmósfera, que viene a ser de 1:4. La solubilidad del oxígeno en el agua depende de la temperatura, disolviéndose alrededor del doble a 0 grados Celsius que a 20 grados Celsius. A 25 grados Celsius y una atmósfera de presión, el agua dulce contiene alrededor de 6.04 mililitros) de oxígeno por litro, mientras que el agua marina contiene alrededor de 4.95 mililitros por litro. A 5 grados Celsius la solubilidad se incrementa hasta 9 mililitros (un 50 % más que a 25 grados Celsius) por litro en el agua y 7.2 mililitros (45 % más) en el agua de mar.

El oxígeno se condensa a 90.20 Kelvin (?182.95 grados Celsius) y se congela a 54.36 Kelvin (?218.79 grados Celsius). Tanto el O2 líquido como el sólido son sustancias con un suave color azul cielo causado por la absorción en el rojo, en contraste con el color azul del cielo, que se debe a la dispersión de Rayleigh de la luz azul. El oxígeno líquido de gran pureza se suele obtener a través de la destilación fraccionada de aire licuado. El oxígeno líquido también puede producirse por condensación del aire, usando nitrógeno líquido como refrigerante. Es una sustancia altamente reactiva y debe separarse de materiales inflamables.

El oxígeno que se encuentra en la naturaleza se compone de tres isótopos estables: 16O, 17O y 18O, de los que el 16O es el más abundante (99.762 % de abundancia natural). La mayor parte del 16O se sintetiza al final del proceso de combustión del helio en una estrella masiva, pero otra parte se produce en el proceso de combustión del neón. El 17O surge fundamentalmente por la combustión del hidrógeno en helio durante el ciclo CNO, convirtiéndolo en un isótopo común en las zonas de combustión de hidrógeno en las estrellas. Por su parte, la mayoría del 18O se produce cuando el 14N —que abunda debido a la combustión CNO— captura un núcleo de 4He, lo que origina una gran abundancia de 18O en las zonas ricas en helio de las estrellas masivas.

Se han caracterizado catorce radioisótopos, de los que los más estables son el 15O con un periodo de semidesintegración de 70.606 segundos. Todos los restantes isótopos radiactivos tienen periodos de semidesintegración inferiores a 27 segundos y la mayor parte de estos, inferiores a 83 milisegundos.

Alrededor del 0.9 % de la masa del Sol es oxígeno, que constituye también el 49.2 % de la masa de la corteza terrestre y es el principal componente de los océanos de la Tierra (88.8 % de su masa total). La Tierra es una excepción entre los planetas del sistema solar por la alta concentración de oxígeno gaseoso en su atmósfera; por ejemplo, Marte (con un 0.1 % de O2 del total de su volumen) y Venus tienen concentraciones mucho menores. Sin embargo, el O2 que rodea a esos planetas proviene exclusivamente de la reacción que sufren moléculas que contienen oxígeno, como el dióxido de carbono, por efecto de la radiación ultravioleta.

La inusualmente alta concentración de oxígeno gaseoso en la Tierra es el resultado del ciclo de circulación. Ese ciclo biogeoquímico describe el movimiento del oxígeno en el interior de sus tres principales reservas en el planeta: la atmósfera, la biosfera y la litosfera. El factor de conducción más importante en ese ciclo es la fotosíntesis, que libera oxígeno en la atmósfera, mientras que los procesos de respiración y descomposición lo eliminan. En el equilibrio actual, la producción y el consumo tienen lugar con un ratio aproximado de 1/2000 de la totalidad del oxígeno atmosférico por año.

El oxígeno no combinado también se halla en soluciones en las masas de agua del planeta. La mayor solubilidad del O2 a baja temperatura tiene implicaciones importantes para la vida marina, ya que los océanos polares sostienen una densidad de vida mucho mayor debido a su superior contenido de oxígeno. La cantidad de O2 en el agua puede haberse visto reducida por la contaminación hídrica, debido a la acción de la descomposición de las algas y otros biomateriales por la eutrofización.

Historia del oxígeno. Primeros experimentos

Uno de los primeros experimentos conocidos sobre la relación entre la combustión y el aire lo desarrolló el escritor sobre mecánica de la Antigua Grecia Filón de Bizancio, en el siglo II a. n. e. En su obra Pneumática, Filón observó que al invertir un recipiente sobre una vela prendida y rodear el cuello de éste con agua, una parte del líquido subía por el cuello. Supuso, de forma incorrecta, que algunas partes del aire en el recipiente se convertían en el elemento clásico del fuego y, entonces, era capaz de escapar a través de poros en el cristal. Siglos después, Leonardo da Vinci observó que una porción del aire se consume durante la combustión y la respiración.

En 1604, el alquimista y médico polaco Michael Sendivogius publicó un tratado donde mencionaba la existencia de un «alimento secreto de la vida» presente en el aire. Lo identificó como el gas que se desprendía al calentar el salitre (nitrato de potasio) y lo llamó «el salnitre de la tierra». Sin embargo, la ciencia de la época no estaba preparada para comprender sus hallazgos y quedaron sepultados bajo el oscurantismo de la alquimia. Casi al mismo tiempo, el médico inglés John Mayow describió un «espíritu nitro-aéreo» necesario para la combustión, anticipándose a los trabajos del siglo siguiente.

A finales del siglo XVII, Robert Boyle probó que el aire es necesario para la combustión. El químico inglés John Mayow perfeccionó su trabajo mostrando que solo requería de una parte del aire, que llamó spiritus nitroaereus o simplemente nitroaereus. En un experimento descubrió que al colocar un ratón o una vela encendida en un contenedor cerrado sobre agua, hacía que esta subiera y reemplazará un catorceavo del volumen del aire antes de que se apagara la vela o muriera el ratón. Debido a eso supuso que el nitroaereus se consume tanto por la respiración como por la combustión.

Mayow observó que el antimonio incrementan su peso al calentarse e infirió que el nitroaereus debía haberse combinado con él. Pensó también que los pulmones separaban el nitroaereus del aire y lo pasaban a la sangre y que el calor animal y el movimiento muscular eran producto de la reacción del nitroaereus con ciertas sustancias en el cuerpo. Publicó informes sobre esos experimentos y otras ideas en 1668, en su obra Tractatus duo, en el tratado “De respiratione”.

Robert Hooke, Ole Borch, Mijaíl Lomonósov y Pierre Bayen produjeron oxígeno durante experimentos entre los siglos XVII y XVIII, pero ninguno de ellos lo reconoció como un elemento. Eso pudo deberse en parte a la prevalencia de la filosofía de la combustión y la corrosión, denominada teoría del flogisto, que por aquel entonces era la explicación predilecta para esos procesos.

Esa teoría, establecida en 1667 por el químico alemán Johann Joachim Becher y modificada por el también químico Georg Stahl en 1731, postulaba que todos los materiales combustibles constaban de dos partes; una, llamada flogisto, que era emitida al quemar la sustancia en cuestión, y otra, denominada desflogisticada, que se tenía por su verdadera forma o calx (ceniza; creta en latín).

Los materiales altamente combustibles que dejan poco residuo, como la madera o el carbón, se creían hechos en su mayor parte por flogisto, mientras las sustancias no combustibles que se corroen, como el hierro, contienen muy poco. El aire no tenía ningún papel en la teoría del flogisto, no se realizaron experimentos cuantitativos para poner a prueba la idea; por el contrario, se basaba en observaciones de lo que sucedía cuando algo se quemaba: los objetos más comunes parecían volverse más ligeros y perder algo en el proceso. El hecho de que una sustancia como la madera realmente ganara peso en su conjunto durante el quemado se ocultaba por la flotabilidad de los productos gaseosos de la combustión. Una de las primeras pistas sobre la falsedad de la teoría del flogisto fue que los metales también ganaban peso en la oxidación (cuando supuestamente perdían flogisto).

Descubrimiento del oxígeno

El oxígeno fue descubierto por el farmacéutico sueco Carl Wilhelm Scheele, que produjo oxígeno gaseoso al calentar óxido de mercurio y varios nitratos alrededor de 1772. Scheele llamó al gas “aire del fuego”, porque era el único apoyo conocido para la combustión, y escribió un informe de su descubrimiento en un manuscrito que tituló “Tratado químico del aire y del fuego” y envió a su editor en 1775, si bien no se publicó hasta 1777.

Casi en paralelo, el 1 de agosto de 1774, el clérigo británico Joseph Priestley realizó un experimento en el que enfocó la luz solar sobre óxido de mercurio (HgO) en el interior de un tubo de cristal, lo que liberó un gas que él llamó “aire desflogisticado”. Notó que las velas prendían más vivamente en el gas y que un ratón estaba más activo y vivía más tiempo mientras lo respiraba. Tras inhalar él mismo el gas, escribió: “La sensación del gas en mis pulmones no era perceptiblemente diferente al del aire normal, pero sentí mi pecho particularmente ligero y desahogado durante un rato después”.

Priestley publicó sus hallazgos en 1775 en un artículo titulado “Informe de más descubrimientos en el aire”, que incluyó en el segundo volumen de su libro titulado Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Debido a que publicó sus hallazgos primero, Priestley suele ser considerado el autor del descubrimiento.

El renombrado químico francés Antoine Lavoisier reclamó posteriormente haber descubierto la sustancia de forma independiente. No obstante, Priestley visitó a Lavoisier en octubre de 1774 y le habló sobre su experimento y cómo había liberado el nuevo gas. Scheele también escribió una carta a Lavoisier, el 30 de septiembre de ese mismo año, en la que describe su propio descubrimiento de la sustancia antes desconocida, pero el francés nunca reconoció haberla recibido. Después de la muerte de Scheele se encontró una copia de la carta entre sus pertenencias.

Aunque fue cuestionado en su época, Lavoisier condujo los primeros experimentos cuantitativos adecuados sobre la oxidación y dio la primera explicación correcta acerca de la combustión. Usó esos y otros experimentos similares, que comenzaron en 1774, para desacreditar la teoría del flogisto y demostrar que la sustancia descubierta por Priestley y Scheele era un elemento químico.

En un experimento Lavoisier observó que no se producía un incremento global en el peso cuando el estaño y el aire se calentaban en un contenedor cerrado. Notó que, cuando abrió el contenedor, el aire entró súbitamente en él, lo que indicaba que parte del aire atrapado se había consumido. También se percató de que el estaño había aumentado su peso y que éste era igual al del peso del aire que ingresó al contenedor cuando lo abrió. Ese y otros experimentos sobre la combustión se documentaron en su libro Sur la combustion en général, publicado en 1777. En esa obra probó que el aire es una mezcla de dos gases: el “aire esencial”, fundamental para la combustión y la respiración, y el azote (del griego ??????, sin vida), que no servía para ninguna de las dos y se denominaría posteriormente nitrógeno.

Lavoisier renombró al “aire esencial” como oxígeno en 1777, desde las raíces griegas ???? (oxys) (ácido, literalmente “punzante”, por el sabor de los ácidos) y -????? (-gen?s) (productor, literalmente “engendrador”), porque pensaba, erróneamente, que el oxígeno era un constituyente de todos los ácidos. Los químicos —en particular sir Humphry Davy en 1812— al cabo de un tiempo determinaron que Lavoisier se equivocó en su apreciación, es el hidrógeno el que forma la base de los ácidos, pero el nombre ya se había popularizado. En palabras del filósofo alemán Federico Engels, mientras que Priestley y Scheele «habían visto la verdad sin reconocerla», Lavoisier fue quien «realmente la descubrió».

La hipótesis atómica original de John Dalton asumía que todos los elementos eran monoatómicos y que los átomos de los compuestos tendrían normalmente las relaciones atómicas más simples. Por ejemplo, Dalton pensaba que la fórmula del agua era HO, y presentaba la masa atómica del oxígeno como ocho veces la del hidrógeno, en vez de 16, su valor real. En 1805, Louis Joseph Gay-Lussac y Alexander von Humboldt mostraron que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno, y en 1811 Amedeo Avogadro dio con la correcta interpretación de la composición del líquido, basado en la que hoy se denomina Ley de Avogadro y en la suposición de moléculas diatómicas elementales.

A finales del siglo XIX los investigadores se percataron de que el aire podía licuarse y sus componentes aislarse mediante compresión y enfriamiento. Utilizando un método de cascada, el químico y físico suizo Raoul Pictet evaporó dióxido de azufre para licuar dióxido de carbono, que después era evaporado para enfriar el oxígeno gaseoso lo suficiente como para pasarlo a líquido. Envió un telegrama a la Academia de Ciencias de Francia el 22 de diciembre de 1877 en el que anunciaba su descubrimiento del oxígeno líquido.

Solo dos días después, el físico francés Louis Paul Cailletet anunció su propio método para licuar oxígeno molecular. En ambos casos solo se produjeron unas pocas gotas del líquido, por lo que no se pudo llevar a cabo un análisis concluyente. El oxígeno fue licuado de forma estable por primera vez el 29 de marzo de 1883 por los científicos polacos de la Universidad Jagellónica Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski.

En 1891 el químico escocés James Dewar produjo la suficiente cantidad de oxígeno líquido para estudiarlo. El primer proceso viable comercialmente para producir oxígeno líquido se desarrolló en 1895 de forma independiente por los ingenieros Carl von Linde, alemán, y William Hampson, británico. Éstos redujeron la temperatura del aire hasta licuarlo y, entonces, destilaron los componentes gaseosos haciéndolos ebullir uno a uno y capturándolos. En 1901, se demostró por primera vez la soldadura de oxiacetileno al quemar una mezcla de acetileno y oxígeno comprimido.

La próxima vez que sienta el viento en su cara o respire profundamente, recuerde que está participando en un proceso planetario de miles de millones de años. El oxígeno que llena sus pulmones en este preciso instante pudo haber sido liberado por una bacteria en el Océano Pacífico, por un abedul en Siberia o haber estado atrapado en una roca ígnea antes de que los dinosaurios caminaron sobre la Tierra. No es solo un elemento en la tabla periódica; es el hilo invisible que conecta la química de las estrellas con la biología de la existencia.

Referencias

  • Genética por más vida

    En la Isla de la Juventud se hacen estudios en la atención primaria de salud…

  • Por una vida más saludable

    La jornada es una iniciativa regional que se desarrolla anualmente desde 2011 y es promovida…

  • Vida saludable

    El Máster en Ciencias, Alberto Quirantes, Jefe del Servicio de Endocrinología del Hospital Docente Doctor…

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