El oxígeno es un elemento ampliamente conocido por el público en general debido al gran papel que desempeña en el mantenimiento de la vida. Sin oxígeno, los animales no podrían respirar y, en consecuencia, morirían. El oxígeno no solo es importante para mantener la vida, sino que también juega un papel importante en muchas otras reacciones químicas. El oxígeno es el elemento más común en la corteza terrestre y constituye aproximadamente el 20% del aire que respiramos. Históricamente, el descubrimiento del oxígeno como elemento esencial para la combustión se encuentra en el centro de la controversia del flogisto (ver más abajo).
El origen y la historia
El oxígeno se encuentra en los elementos del grupo 16 y se considera un calcógeno. Nombrado a partir de los genes griegos oxys +, “formadores de ácido”, Scheele descubrió el oxígeno en 1772 e independientemente por Priestly en 1774. El científico francés Antoine Lavoisier le dio su nombre al oxígeno.
Scheele descubrió oxígeno, a través de un experimento, que involucró la quema de óxido de manganeso. Scheele descubrió que el óxido de manganeso caliente producía un gas al que llamó “aire de fuego”. También descubrió que cuando este gas podía entrar en contacto con el carbón, producía hermosas chispas brillantes. Todos los demás elementos produjeron el mismo gas. Aunque Scheele descubrió oxígeno, no publicó su trabajo hasta tres años después de que otro químico, Joseph Priestly, descubriera oxígeno. Joseph Priestly, un químico inglés, repitió el experimento de Scheele en 1774 usando una configuración ligeramente diferente. Priestly usó un vidrio de 12 pulgadas y dirigió la luz solar directamente hacia el compuesto que estaba probando, el óxido mercúrico. Como resultado, fue capaz de “descubrir un mejor aire” que se demostró que expandió la vida útil de un mouse a cuatro veces más y provocó que una llama ardiera con mayor intensidad. A pesar de estos experimentos, ambos químicos no pudieron determinar exactamente qué era este elemento. No fue hasta 1775 que Antoine Lavoisier, un químico francés, pudo reconocer este gas desconocido como un elemento.
Nuestra atmósfera actualmente contiene alrededor del 21% de oxígeno libre. El oxígeno se produce de varias maneras. El proceso de disociación fotoquímica en el que las moléculas de agua se rompen por los rayos ultravioleta produce aproximadamente el 1-2% de nuestro oxígeno. Otro proceso que produce oxígeno es la fotosíntesis , que es realizada por plantas y bacterias fotosintéticas. La fotosíntesis ocurre a través de la siguiente reacción general:
[ ce {CO2 + H2O + h nu rightarrow} text {compuestos orgánicos} ce {+ O2} ]
Los peligros de Phlogiston
La teoría del flogisto es la creencia obsoleta de que un elemento similar al fuego llamado flogisto está contenido dentro de los cuerpos combustibles y se libera durante la combustión. El nombre proviene del griego antiguo φλογιστόν phlogistón (quemar), de φλόξ phlóx (llama). Fue declarado por primera vez en 1667 por Johann Joachim Becher, y luego más formalmente por Georg Ernst Stahl. La teoría intentó explicar los procesos de combustión como la combustión y la oxidación, que ahora se conocen colectivamente como oxidación.
Propiedades
- Número de elemento: 8
- Peso atómico 15.9994
- Color: forma de gas, incoloro, líquido, azul pálido
- Punto de fusión: 54,36 K
- Punto de ebullición: 90,2 K
- Densidad: .001429
- 21% de la atmósfera terrestre
- Tercer elemento más abundante en el universo
- Elemento más abundante en la corteza terrestre con 45.4%
- 3 isótopos estables
- Energía de ionización: 13.618 eV
- El oxígeno se reduce fácilmente y es un gran agente oxidante que lo hace fácilmente reactivo con otros elementos
Propiedades magnéticas del oxígeno
Como se muestra, hay dos electrones no apareados que hacen que O 2 sea paramagnético. También hay ocho electrones de valencia en los orbitales de enlace y cuatro en los orbitales de antienlace, lo que hace que el enlace sea de orden 2. Esto explica el doble enlace covalente que está presente en O 2 .
Video ( PageIndex {1} ): Una demostración química del paramagnetismo del oxígeno molecular, como lo demuestra la atracción del oxígeno líquido a los imanes.
Como se muestra en el Video ( PageIndex {1} ), dado que el oxígeno molecular ( (O_2 ) tiene electrones no apareados, es paramagnético y atraído por el imán. En contraste, el nitrógeno molecular ( (N_2 )) no tiene electrones desapareados y no es atraído por el imán.
Química general del oxígeno
El oxígeno normalmente tiene un estado de oxidación de -2 pero es capaz de tener estados de oxidación de -2, -1, -1/2, 0, +1 y +2. Los estados de oxidación de los óxidos, peróxidos y superóxidos son los siguientes:
- Óxidos: O -2 ,
- peróxidos: O 2 -2 ,
- superóxido: O 2 -1 .
El oxígeno no reacciona consigo mismo, el nitrógeno o el agua en condiciones normales. Sin embargo, el oxígeno se disuelve en agua a 20 grados Celsius y 1 atmósfera. El oxígeno tampoco reacciona normalmente con bases o ácidos. Los metales del grupo 1 (metales alcalinos) son muy reactivos con el oxígeno y deben almacenarse lejos del oxígeno para evitar que se oxiden. Los metales en la parte inferior del grupo son más reactivos que los de la parte superior. Las reacciones de algunos de estos metales se exploran con más detalle a continuación.
Litio: Reacciona con oxígeno para formar óxido de litio blanco en la reacción a continuación.
[ ce {4Li + O_2 rightarrow 2Li_2O} label {1} ]
Sodio: Reacciona con oxígeno para formar una mezcla blanca de óxido de sodio y peróxido de sodio. Las reacciones se muestran a continuación.
- oxígeno con óxido de sodio: [ ce {4Na + O_2 rightarrow 2Na_2O} label {2} ]
- oxígeno con peróxido de sodio: [ ce {2Na + O_2 rightarrow Na_2O_2} label {3} ]
Potasio: Reacciona con oxígeno para formar una mezcla de peróxido de potasio y superóxido de potasio. Las reacciones se muestran a continuación.
- Peróxido de potasio: [ ce {2K + O_2 rightarrow 2K_2O_2} label {4} ]
- superóxido de potasio: [ ce {K + O_2 rightarrow KO_2} label {5} ]
Rubidio y cesio: Ambos metales reaccionan para producir superóxidos a través del mismo proceso que el de la reacción de superóxido de potasio.
Los óxidos de estos metales forman hidróxidos metálicos cuando reaccionan con el agua. Estos hidróxidos metálicos hacen que la solución sea básica o alcalina, de ahí el nombre de metales alcalinos.
Los metales del grupo 2 (metales alcalinotérreos) reaccionan con el oxígeno mediante el proceso de combustión para formar óxidos metálicos, pero hay algunas excepciones.
El berilio es muy difícil de quemar porque tiene una capa de óxido de berilio en su superficie que impide una mayor interacción con el oxígeno. El estroncio y el bario reaccionan con el oxígeno para formar peróxidos. La reacción de bario y oxígeno se muestra a continuación y la reacción con estroncio sería la misma.
[ ce {Ba (s) + O2 (g) rightarrow BaO2 (s)} label {6} ]
El grupo 13 reacciona con oxígeno para formar óxidos e hidróxidos que son de la forma (X_2O_3 ) y (X (OH) _3 ). La variable X representa los diversos elementos del grupo 13. A medida que avanzas en el grupo, los óxidos e hidróxidos se vuelven cada vez más básicos.
Los elementos del Grupo 14 reaccionan con el oxígeno para formar óxidos. Los óxidos formados en la parte superior del grupo son más ácidos que los de la parte inferior del grupo. El oxígeno reacciona con el silicio y el carbono para formar dióxido de silicio y dióxido de carbono. El carbono también puede reaccionar con el oxígeno para formar monóxido de carbono que es ligeramente ácido. El germanio, el estaño y el plomo reaccionan con el oxígeno para formar monóxidos y dióxidos que son anfóteros, lo que significa que reaccionan tanto con ácidos como con bases.
Los elementos del grupo 15 reaccionan con el oxígeno para formar óxidos. Los más importantes se enumeran a continuación.
- Nitrógeno: N 2 O, NO, N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5
- Fósforo: P 4 O 6 , P 4 O 8 , [19459024 ] P 2 O 5
- Arsénico: como 2 O 3 , como 2 O 5
- Antimonio: Sb 2 O 3 , Sb 2 O 5
- Bismuto: Bi 2 O 3 , Bi 2 O 5
Los elementos del grupo 16 reaccionan con el oxígeno para formar diversos óxidos. Algunos de los óxidos se enumeran a continuación.
- Azufre: SO, SO 2 , SO 3 , S 2 O 7
- Selenio: SeO 2 , SeO 3
- Telurio: TeO, TeO 2 , TeO 3
- Polonio: PoO, PoO 2 , PoO 3
Los elementos del grupo 17 (halógenos) flúor, cloro, bromo y yodo reaccionan con el oxígeno para formar óxidos. El flúor forma dos óxidos con oxígeno que son F 2 O y F 2 O 2 . Ambos óxidos de flúor se llaman fluoruros de oxígeno porque el flúor es el elemento más electronegativo. Una de las reacciones de flúor se muestra a continuación.
[ ce {O2 (g) + F2 (g) rightarrow F2O2 (g)} label {7} ]
Grupo 18 Algunos supondrían que los gases nobles no reaccionarían con el oxígeno. Sin embargo, el xenón reacciona con el oxígeno para formar ( ce {XeO_3} ) y ( ce {XeO_4} ). La energía de ionización del xenón es lo suficientemente baja como para que el átomo de oxígeno electronegativo “robe” electrones. Desafortunadamente, ( ce {XeO_3} ) es ALTAMENTE inestable, y se sabe que detonó espontáneamente en un ambiente limpio y seco.
Los metales de transición reaccionan con el oxígeno para formar óxidos metálicos. Sin embargo, el oro, la plata y el platino no reaccionan con el oxígeno. Algunas reacciones que involucran metales de transición se muestran a continuación.
[2Sn _ {(s)} + O_ {2 (g)} rightarrow 2SnO _ {(s)} label {8} ]
[4Fe _ {(s)} + 3O_ {2 (g)} rightarrow 2Fe_2O_ {3 (s)} label {9A} ]
[4Al _ {(s)} + 3O_ {2 (g)} rightarrow 2Al_2O_ {3 (s)} label {9B} ]
Reacción de óxidos
Discutiremos los óxidos metálicos de la forma (X_2O ). La variable (X ) representa cualquier metal que pueda unirse al oxígeno para formar un óxido.
- Reacción con agua: Los óxidos reaccionan con agua para formar un hidróxido metálico.
[X_2O + H_2O rightarrow 2XOH ]
- Reacción con ácidos diluidos: Los óxidos reaccionan con ácidos diluidos para formar una sal y agua.
[X_2O + 2HCl rightarrow 2XCl + H_2O ]
Reacciones de peróxidos
Los peróxidos que discutiremos son de la forma (X_2O_2 ). La variable (X ) representa cualquier metal que pueda formar un peróxido con oxígeno.
Reacción con agua: Si la temperatura de la reacción se mantiene constante a pesar del hecho de que la reacción es exotérmica, la reacción se desarrolla de la siguiente manera.
[X_2O_2 + 2H_2O rightarrow 2XOH + H_2O_2 ]
Si la reacción no se realiza a una temperatura constante, entonces la reacción del peróxido y el agua dará como resultado que el peróxido de hidrógeno que se produce se descomponga en agua y oxígeno.
Reacción con ácido diluido: Esta reacción es más exotérmica que con agua. El calor producido hace que el peróxido de hidrógeno se descomponga en agua y oxígeno. La reacción se muestra a continuación.
[X_2O_2 + 2HCl rightarrow 2XCl + H_2O_2 ]
Reacción de superóxidos
Los superóxidos de los que hablaremos son de la forma (XO_2 ). con (X ) representando cualquier metal que forme un superóxido al reaccionar con oxígeno.
Reacción con agua: El superóxido y el agua reaccionan en una reacción muy exotérmica que se muestra a continuación. El calor que se produce al formar el peróxido de hidrógeno hará que el peróxido de hidrógeno se descomponga en agua y oxígeno.
[2XO_2 + 2H_2O rightarrow 2XOH + H_2O_2 + O_2 ]
Reacción con ácidos diluidos: El superóxido y el ácido diluido reaccionan en una reacción muy exotérmica que se muestra a continuación. El calor producido hará que el peróxido de hidrógeno se descomponga en agua y oxígeno.
[2XO_2 + 2HCl rightarrow 2XCl + H_2O_2 + O_2 ]
Alótropos de oxígeno
Hay dos alótropos de oxígeno; dioxígeno (O 2 ) y trioxígeno (O 3 ) que se llama ozono . La reacción de convertir dioxígeno en ozono es muy endotérmica, lo que hace que ocurra raramente y solo en la atmósfera baja. La reacción se muestra a continuación:
[3O_ {2 (g)} rightarrow 2O_ {3 (g)} ; ; ; ΔH ^ o = +285 ; kJ ]
El ozono es inestable y se descompone rápidamente en oxígeno, pero es un gran agente oxidante.
Reacciones diversas
Reacción con alcanos: Las reacciones más comunes que involucran alcanos ocurren con oxígeno. Los alcanos pueden arder y es el proceso de oxidación de los hidrocarburos lo que los hace importantes como combustibles. Un ejemplo de reacción de alcano es la reacción de octano con oxígeno como se muestra a continuación.
C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) → 8CO 2 (g) + 9H 2 O (l) ∆H o = -5,48 X 10 3 kJ
Reacción con amoníaco: El oxígeno puede reaccionar con el amoníaco para producir dinitrógeno (N 2 ) y agua (H 2 O) a través de la reacción mostrada abajo.
[4NH_3 + 3O_2 rightarrow 2N_2 + 6H_2O ]
Reacción con óxido de nitrógeno: El oxígeno puede reaccionar con óxido de nitrógeno para producir dióxido de nitrógeno a través de la reacción que se muestra a continuación.
[NO + O_2 rightarrow NO_2 ]
Problemas
- ¿El oxígeno es reactivo con gases nobel?
- ¿Con qué metales de transición no reacciona el oxígeno?
- ¿Qué se produce cuando un óxido reacciona con agua?
- ¿Es reactivo el oxígeno con metales alcalinos? ¿Por qué se llaman así los metales alcalinos?
- Si el oxígeno es reactivo con metales alcalinos, ¿se producen óxidos, peróxidos o superóxidos?
Soluciones
- No, los gases nobles no reaccionan con el oxígeno.
- El oxígeno no reacciona principalmente con el oro y el platino.
- Cuando un óxido reacciona con agua, se produce un hidróxido metálico.
- El oxígeno es muy reactivo con los metales alcalinos. Los metales alcalinos reciben el nombre de álcali porque los óxidos de estos metales reaccionan con el agua para formar un hidróxido metálico que es básico o alcalino.
- El litio produce un óxido, el sodio produce un peróxido y el potasio, el cesio y el rubidio producen superóxidos.
Referencias
- Braathen, por Christian. “Determinación del contenido de oxígeno del aire”. J. Chem. Educ. 2000 77 1410.
- Najdoski, Metodija; Petrusevski, Vladimir M. “ Un nuevo experimento para la determinación rápida y simple del contenido de oxígeno en el aire ” J. Chem. Educ. 2000 77 1447.
- Petrucci, Ralph H. Química general . Novena ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2007. Imprimir
- McNaught, Ian J. “Una demostración modificada de globo de hidrógeno / oxígeno”. J. Chem. Educ. 1998 75 52.
Colaboradores
- Phillip Ball (UCD), Katharine Williams (UCD)