Oxígeno

Nitrógeno ← OxígenoFlúor
 Simple cubic.svgCapa electrónica 008 Oxígeno.svg
 
8
O
 
        
        
                  
                  
                                
                                
Tabla completaTabla ampliada
O,8.jpg
Incoloro
Información general
Nombre, símbolo, númeroOxígeno, O, 8
Serie químicaNo metales
Grupo, período, bloque16, 2, p
Masa atómica15,9994 u
Configuración electrónica[He]2s22p4
Electrones por nivel2, 6 (imagen)
Propiedades atómicas
Electronegatividad3,44 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc)60 (48) pm (radio de Bohr)
Radio covalente73 pm
Radio de van der Waals152 pm
Estado(s) de oxidación-2, -1 (neutro)
1.ª Energía de ionización1313,9 kJ/mol
2.ª Energía de ionización3388,3 kJ/mol
3.ª Energía de ionización5300,5 kJ/mol
4.ª Energía de ionización7469,2 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinarioGas (paramagnético)
Densidad1,429 kg/m3
Punto de fusión50,35 K (-223 °C)
Punto de ebullición90,18 K (-183 °C)
Entalpía de vaporización6,8061 kJ/mol
Entalpía de fusión0,4384 kJ/mol
Volumen molar17,36×10-3 m3/mol
Varios
Estructura cristalinacúbica
N° CAS7782-44-7
N° EINECS231-956-9
Calor específico920 J/(K·kg)
Conductividad térmica0,026 74 W/(K·m)
Velocidad del sonido317,5 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del oxígeno
isoANPeriodoMDEdPD
MeV
16O99,762 %Estable con 8 neutrones
17O0,038 %Estable con 9 neutrones
18O0,2 %Estable con 10 neutrones
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

El oxígeno es un elemento químico de número atómico 8 y representado por el símbolo O. Su nombre proviene de las raíces griegas ὀξύς (oxys) («ácido», literalmente «punzante», en referencia al sabor de los ácidos) y –γόνος (-gonos) («productor», literalmente «engendrador»; es decir, "productor de ácidos"[1]​), porque en la época en que se le dio esta denominación se creía, incorrectamente, que todos los ácidos requerían oxígeno para su composición. En condiciones normales de presión y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para formar el dioxígeno, un gas diatómico incoloro, inodoro e insípido con fórmula O2. Esta sustancia constituye una importante parte de la atmósfera y resulta necesaria para sostener la vida terrestre.

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 helio y neón. Asimismo, es un fuerte agente oxidante y tiene la segunda electronegatividad más alta de todos los elementos, solo superada por el flúor.[6]

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. El oxígeno elemental se produce por cianobacterias, algas y plantas y todas las formas complejas de vida lo usan para su respiración celular. Resulta tóxico para los organismos de tipo anaerobio obligado, las formas tempranas de vida que predominaban en la Tierra hasta que el O2 comenzó a acumularse en la atmósfera. Otra forma (alótropa) del oxígeno, el ozono (O3), ayuda a proteger la biosfera de la radiación ultravioleta a gran altitud, en la llamada capa de ozono, pero es contaminante cerca de la superficie, donde es un subproducto del esmog. A altitudes aún mayores de la órbita baja terrestre, el oxígeno atómico tiene una presencia significativa y causa erosión en las naves espaciales.[7]

Carl Wilhelm Scheele descubrió el oxígeno de forma independiente en Upsala en 1773, o incluso antes, y Joseph Priestley, en Wiltshire en 1774, pero el honor suele adjudicársele a Priestley debido a que publicó su trabajo antes. Antoine Lavoisier, cuyas investigaciones ayudaron a desacreditar la entonces popular teoría del flogisto de combustión y corrosión, acuñó el nombre «oxígeno» en 1777.[8]​ Este 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.

Características

Estructura

Tubo de descarga lleno de oxígeno puro.
Un hilo de oxígeno líquido se desvía por un campo magnético, ilustrando su propiedad paramagnética.

En condiciones normales de presión y temperatura, el oxígeno es un gas incoloro e inodoro con fórmula molecular O2, en el que dos átomos de oxígeno se enlazan con una configuración electrónica en estado triplete. Este enlace tiene un orden de enlace de dos y se suele simplificar en las descripciones como un enlace doble[10]

El oxígeno triplete —no debe confundirse con el ozono, O3— es el estado fundamental de la molécula O2,[11]

En su forma normal de triplete, las moléculas de O2 son paramagnéticas; es decir, que en presencia de un campo magnético forman un imán, debido al momento magnético del espín de los electrones desparejados en la molécula y la interacción de canje negativa entre moléculas de O2 contiguas.[nota 2]

El oxígeno molecular singlete es un nombre dado a varias especies de O2 de mayor energía, en las que todos los espínes de los electrones se emparejan. Es mucho más reactivo con moléculas orgánicas habituales que el oxígeno molecular en sí mismo. En la naturaleza, el oxígeno singlete se suele formar con el agua en la fotosíntesis, usando la energía solar.[18]

Energía de disociación

Energía de disociación de las moléculas diatómicas O-X a 25°C en kJ/mol (en condiciones de laboratorio):[19]

H
429,91
He
Li
340,5
Be
437
B
809
C
1076,38
N
631,62
O
498,36
F
220
Ne
Na
270
Mg
358,2
Al
501,9
Si
799,6
P
589
S
517,9
Cl
267,47
Ar
K
271,5
Ca
383,3
Sc
671,4
Ti
666,5
V
637
Cr
461
Mn
362
Fe
407
Co
397,4
Ni
366
Cu
287,4
Zn
250
Ga
374
Ge
657,5
As
484
Se
429,7
Br
237,6
Kr
8
Rb
276
Sr
426,3
Y
714,1
Zr
766,1
Nb
726,5
Mo
502
Tc
548
Ru
528
Rh
405
Pd
238,1
Ag
221
Cd
236
In
346
Sn
528
Sb
434
Te
377
I
233,4
Xe
36,4
Cs
293
Ba
562
*
Hf
801
Ta
839
W
720
Re
627
Os
575
Ir
414
Pt
418,6
Au
223
Hg
269
Tl
213
Pb
382,4
Bi
337,2
Po At Rn
Fr Ra **
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
*
La
798
Ce
790
Pr
740
Nd
703
Pm Sm
573
Eu
473
Gd
715
Tb
694
Dy
615
Ho
606
Er
606
Tm
514
Yb
387,7
Lu
669
**
Ac
794
Th
877
Pa
792
U
755
Np
731
Pu
656,1
Am
553
Cm
732
Bk
598
Cf
498
Es
460
Fm
443
Md
418
No
268
Lr
665


Alótropos

El átomo central está cargado positivamente y los átomos exteriores.
El ozono es un gas poco común en la Tierra y se encuentra en su mayor parte en la estratosfera.

El alótropo más normal del oxígeno elemental es el llamado dioxígeno (O2), que tiene una longitud de enlace de 121 pm y una energía de enlace de 498 kJ•mol−1.[20]​ Esta es la forma que usan las formas de vida complejas, como los animales, en su respiración celular (véase rol biológico) y es la forma que tiene una gran importancia en la composición de la atmósfera terrestre (véase Abundancia).

El trioxígeno (O3) se conoce habitualmente como ozono y es un alótropo muy reactivo, dañino para el tejido pulmonar.[26]

Propiedades físicas

Un diagrama de una esfera concéntrica mostrando, desde el núcleo hasta la corteza exterior, estratos de hierro, silicio, oxígeno, neón, carbón, helio e hidrógeno.
En la fase tardía de la vida de una estrella masiva, el 16O se concentra en la capa O, el 17O lo hace en la capa H y el 18O en la capa He.
El mapamundi señala que el oxígeno de la superficie marina se reduce en torno al ecuador y se incrementa cerca de los polos.
El agua fría contiene más O2 disuelto.

El oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno; esta contiene aproximadamente una molécula de O2 por cada dos moléculas de N2,[29]​ A 5 °C la solubilidad se incrementa hasta 9,0 ml (un 50 % más que a 25 °C) por litro en el agua y 7,2 ml (45 % más) en el agua de mar.

El oxígeno se condensa a 90,20 K (−182,95 °C, −297,31 °F) y se congela a 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F).[32]

Isótopos y origen estelar

El oxígeno que encontramos en la naturaleza se compone de tres isótopos estables: 16O, O y 18O, de los que el 16O es el más abundante (99,762 % de abundancia natural).[33]

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.[34]

Se han caracterizado catorce radioisótopos, de los que los más estables son el 15O con un periodo de semidesintegración de 70,606 segundos.[33]

Abundancia

La nebulosa Ojo de Gato tiene regiones ricas en oxígeno ionizado, mostrado de color verde en la imagen.

El oxígeno es el elemento químico más abundante, por masa, en la biosfera, el aire, el mar y el suelo terrestres. Es, asimismo, el tercero más abundante en el universo, tras el hidrógeno y el helio.[nota 4]​ 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 estos 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. Este 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 este ciclo es la fotosíntesis, responsable de la atmósfera moderna de la Tierra, 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.

Los diez elementos más comunes en la Vía Láctea estimados estereoscópicamente[39]
Z Elemento Fracción másica en partes por millón
1 hidrógeno 739 000
2 helio 240 000
8 Oxígeno 10 400
6 Carbono 4600
10 neón 1340
26 Hierro 1090
7 nitrógeno 960
14 Silicio 650
12 Magnesio 580
16 Azufre 440

El oxígeno no combinado también se da en soluciones en las masas de agua del planeta. La mayor solubilidad del O2 a baja temperatura (véase Propiedades físicas) 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.[40]

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