iso:isotopo NA: abbondanza in natura TD:tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento
Atemperatura e pressione standard dueatomi dell'elemento silegano per formare l'ossigeno molecolare, o diossigeno (formula chimica O2), ungas incolore e inodore che costituisce il 20,8% dell'atmosfera terrestre (l'ossigeno è chimicamente troppo reattivo per rimanere un elemento libero nell'aria[8]); legato ad altri elementi, è l'elemento chimico più comune dellacrosta terrestre, rappresentandone circa il 47% della massa,[9] ed entra inoltre nella molecola dell'acqua (H2O).
L'ossigeno è essenziale per la vita della maggior parte degli esseri viventi in quanto necessario allarespirazione; inoltre, le principali classi dimolecole organiche presenti negli organismi viventi, come leproteine, gliacidi nucleici, icarboidrati e ilipidi, contengono ossigeno.
L'ossigeno fu scoperto dal farmacista svedeseCarl Wilhelm Scheele nel 1771, ma la scoperta non venne immediatamente riconosciuta; invece quella fatta nel 1774 daJoseph Priestley ricevette subito riconoscimento pubblico.[1] Nel 1777Antoine-Laurent de Lavoisier diede il nome all'elemento[10], che deriva dalgrecoὀξύς, oxýs, "acido" (letteralmente: "appuntito") e la radiceγεν-, ghen-, che significa "generare".[1][11] Questo perché al momento della denominazione si riteneva erroneamente che entrasse nella composizione di tutti gliacidi. Nello stesso anno Scheele lo riconobbe come un componente dell'aria. Nel 1781 Lavoisier ne accertò la funzione per i fenomeni direspirazione ecombustione.
L'ossigeno (8O) è il terzoelemento per abbondanza nell'Universo (dopoidrogeno eelio)[12] e l'elemento più abbondante sulla crosta terrestre,[13] dove è presente nella misura del 46,1%, seguíto dalsilicio (28,2%) e dall'alluminio (8,23%)[14] ed è anche il più abbondante sulla Luna.[13]
Dell'elemento ossigeno si conoscono almeno 17isotopi, connumeri di massa che vanno daA = 12, adA = 28. Tra questi, quelli presenti in natura, e che sono stabili, sono i tre isotopi che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi:16O (99,762%, il piùabbondante, conN =Z,neutroni pari aiprotoni), e17O (0,038%, 1 neutrone in più) e18O (0,200%, 2 neutroni in più).[15]
La quasi totalità dell'ossigeno è rappresentata da16O (spin 0), unnuclide molto stabile, che ha un'energia di legame per nucleone molto alta, pari a 7,9762 MeV/A, superiore a quella di tutti gli isotopi degli elementi precedenti. La maggior parte di esso viene prodotta nelle fasi finali dellafusione dell'elio nelle stelle massive.[16]
L'isotopo17O (spin 5/2) è l'unico ad avere un momento angolare nucleare, cosa che rende possibile larisonanza magnetica nucleare dell'ossigeno (17O-RMN); tuttavia, il valore maggiore di 1/2 del suo spin comporta anche avere unmomento di quadrupolo nucleare, che fa sì che i picchi negli spettri siano larghi e questo penalizza la tecnica limitandone la risoluzione; inoltre la scarsissima abbondanza dell'isotopo e la sua bassa recettività impongono la necessità di avere alte concentrazioni dei campioni da analizzare.[17]
L'isotopo18O (spin 0) è impiegato nella produzione del fluoro-18 che serve, ad esempio, per latomografia ad emissione di positrone (PET). A tale scopo, l'acqua arricchita in questo isotopo viene irradiata con protoni energetici (≈ 18 MeV), in tal modo18O incorpora un protone ed espelle un neutrone:
18O + p → 18F + n.
Il fluoro così prodotto in forma difluoruro viene usato per la sintesi delfluorodesossiglucosio da iniettare nel paziente per l'esame PET.[18]
Il14O (spin 0) per il 99,9% dei casi decade per emissione dipositrone (β+,decadimento beta positivo) e per il restante percattura elettronica (ε),[19] in entrambi i casi con emissione di unneutrino e trasformandosi inazoto-14, stabile; l'energia rilasciata èQ = 4.122 keV e l'emivita è T1/2 = 1,177 minuti.[20]
Il15O (spin 1/2-), l'isotopo più longevo, è presente in tracce nell'atmosfera.[21] Per il 99,9% dei casi decade per emissione di positrone (β+, decadimento beta positivo) e per il restante per cattura elettronica (ε),[22] in entrambi i casi con emissione di un neutrino e trasformandosi in azoto-15, stabile; (Q = 1.732 keV; T1/2 = 2,037 minuti).[23] Anche questo isotopo può essere usato per la PET per lo studio del metabolismo dell'ossigeno e del flusso sanguigno; viene prodotto per bombardamento dell'azoto-14 condeuteroni, secondo la reazione:
Questo isotopo, insieme a13N, si forma nell'atmosfera dall'ossigeno per interazione con iraggi gamma prodotti daifulmini durante i temporali:[21][25]
16O +γ → 15O + n
Il19O (spin 5/2) decade emettendo un elettrone con emissione di un antineutrino (β−,decadimento beta negativo), trasformandosi in fluoro-19, stabile; (Q = 4.822 keV; T1/2 = 26,88 secondi).[26]
Il20O (spin 0) decade emettendo un elettrone con emissione di un antineutrino (β−, decadimento beta negativo), trasformandosi in fluoro-20; (Q = 3.815 keV; T1/2 = 13,51 secondi); il fluoro-20 così prodotto è instabile e decade a sua voltaβ−, dandoneon-20, stabile.[27] Questo isotopo venne prodotto nel 1959 irradiando con nuclei di trizio l'ossigeno-18 presente in campioni arricchiti:[28]
L'ossigeno atomico, indicato come O(3P) oppure O(3P)[29], è molto reattivo, siccome i singoli atomi di ossigeno tendono a legarsi velocemente alle molecole vicine. Sulla superficie terrestre non può esistere a lungo, ma nell'orbita terrestre bassa, la presenza diradiazione ultravioletta risulta in un'atmosfera in cui il 96% dell'ossigeno è in forma atomica.[29][30]
L'ossigeno biatomico O2, allo statoliquido e a quellosolido, ha colore azzurro ed è altamenteparamagnetico.[1] Lateoria degli orbitali molecolari ha spiegato il fenomeno del paramagnetismo e ha confermato che il legame è da considerarsi doppio: i due elettroni meno legati in O2 occupano orbitali degeneri di simmetria π ed hannospin paralleli. Ciò porta ad uno stato fondamentale ditripletto che ha come conseguenza una straordinaria inerzia cinetica nelle reazioni diossidazione di molecole organichediamagnetiche perché queste reazioni avvengono senza la conservazione del numero quantico totale di spin.
Un altroallotropo dell'ossigeno è l'ozono (O3), un gas in grado di assorbire notevolmente leradiazioni ultraviolette. Per questa sua proprietà lostrato di ozono presente ad alta quota aiuta a proteggere labiosfera da queste radiazioni. Tuttavia vicino alla superficie terrestre l'ozono, che è un sottoprodotto dellosmog, è considerato un inquinante essendo ungas serra.
Il tetraossigeno è una delle forme allotropiche nelle quali può essere trovato l'ossigeno.
La molecola del tetraossigeno (O4) era stata teorizzata nel 1924 da Gilbert Lewis, che la propose come una spiegazione al fatto che l'ossigeno liquido non obbedisce allaLegge di Curie. Oggi si è scoperto che Lewis si sbagliava, sebbene non si fosse allontanato molto dalla realtà: le simulazioni al computer mostrano che benché non vi siano molecole stabili di O4 nell'ossigeno liquido, le molecole di O2 tendono ad associarsi in coppie con spin antiparallelo, formando molecole temporaneamente stabili di O4.
Nel 1999 i ricercatori pensarono che l'ossigeno solido esistesse alla fase-ε come O4, scoprendo solo nel 2006 che in realtà è una forma di ossigeno octamolecolare.
La struttura del tetraossigeno non è ancora del tutto chiarita. Anche un gruppo di studio della Sapienza Università di Roma ha condotto nel 2001 studi per investigare la struttura dell'O4.
L'ossigeno è l'elemento più abbondante dellacrosta terrestre[35]. L'ossigeno forma l'87% deglioceani in quanto componente dell'acqua (H2O) e il 21% dell'atmosfera terrestre come ossigeno molecolare O2 o comeozono O3. I composti di ossigeno, in particolare ossidi metallici, silicati (SiO4−4) e carbonati (CO2−3), si trovano comunemente nelle rocce e nel terreno. L'acqua ghiacciata è unsolido comune suipianeti e lecomete. I composti di ossigeno si trovano in tutto l'universo e lospettro dell'ossigeno è spesso rintracciabile nelle stelle. Di solito l'ossigeno è molto scarso neipianeti gassosi.
O2 disciolto in corrispondenza della superficie delle acque (dati del 2005). Si nota che nelle regioni polari, dove l'acqua è più fredda, il contenuto di O2 disciolto è maggiore (in termini tecnici, il sistema acqua-ossigeno hasolubilità inversa).
Oltre che nella molecola O2, l'ossigeno si può trovare in natura sotto forma diozono (O3): esso viene formato dascariche elettrostatiche in presenza di ossigeno molecolare.[36] Un dimero della molecola di ossigeno (O2)2 si trova come componente minore nell'O2 liquido.
L'ossigeno non si trova solo sulla Terra: è infatti il terzo elemento più abbondante nelSole,[1] ed è presente anche su Marte (dove la sua abbondanza nell'atmosfera marziana è dello 0,15%[1]).
Il processo di separazione criogenica dell'aria, messa a punto tra il1901 e il1910 dall'ingegnere tedescoCarl von Linde,[38] prevede ladistillazione frazionata dell'aria liquida che è costituita principalmente daazoto molecolare N2 e ossigeno molecolare O2. Questaoperazione unitaria viene svolta intorno a 77,35 K (−195,80 °C), in quanto a questa temperatura l'ossigeno biatomico è liquido mentre l'azoto molecolare è gassoso per cui è possibile separarli.[41]
Apparecchiature per la produzione di ossigeno biatomico per separazione criogenica dell'aria.
A causa della suaelettronegatività l'ossigeno forma legami chimici con quasi tutti gli elementi e questa è l'origine della definizione di "ossidazione". Gli unici elementi chimici che sfuggono l'ossidazione sonoelio,neon eargon.[35]
I minerali più abbondanti presenti sulla crosta terrestre sono formati dasilicio e ossigeno nella forma di vari composti solidi (come ilquarzo), mentre negli strati interni del nucleo e del mantello lo stato fisico cambia a causa della pressione e delle elevate temperature.
L'ossigeno entra nella composizione di molte sostanze organiche e inorganiche. In natura può formare al massimo 2 legamicovalenti.
Gli ossidi, come laruggine, si formano quando l'ossigeno reagisce con altri elementi.
Anioni ossigenati, quali iclorati (ClO−3), iperclorati (ClO−4), icromati (CrO2−4), idicromati (Cr2O2−7), ipermanganati (MnO−4) e initrati (NO−3), sono forti agenti ossidanti. Molti metalli si legano ad atomi di ossigeno generando vari composti, per esempio ilferro dà luogo all'ossido di ferro(3+) (Fe2O3), comunemente chiamatoruggine.
L'ossigeno trova un impiego considerevole comeossidante ecomburente;[35] solo ilfluoro possiede un'elettronegatività superiore.[11] L'ossigeno biatomico O2 è utilizzato in forma liquida come ossidante nellapropulsione dei razzi; è essenziale per larespirazione e quindi viene utilizzato inmedicina; viene utilizzato come riserva d'aria negliaeroplani o per leascensioni alpinistiche ad alta quota; è usato nellasaldatura e nella produzione diacciaio emetanolo. L'ossigeno o l'aria vengono utilizzati per la produzione di acido acrilico[42], acrilonitrile[43], acido benzoico[44] e perossido di idrogeno[45]. L'ossigeno è l'ossidante utilizzato nellapila a combustibile. Viene anche utilizzato per rimuovere selettivamente il CO dall'H2 preparato mediante steam reforming[46][47]. Anche i processi di ossidazione sono di importanza cruciale nella rimozione degli inquinanti[48][49].
Per la sua proprietà di rimanere allo stato liquido se mantenuto a una pressione blanda (4 bar), può venire stoccato in grandi quantità in bombole opportunamente predisposte; attraverso un corpo vaporizzante (o riscaldatore), viene poi gassificato per essere immesso in linee di distribuzione in forma gassosa.
Le applicazioni più importanti dell'O2 in ambito terapeutico sono l'ossigenoterapia e l'ossigenoterapia iperbarica; attraverso quest'ultima è possibile guarire e/o accelerare i processi curativi di una lunga serie di patologie di vario genere oltre a quelle dadecompressione. Per pazienti con difficoltà respiratorie si usano maschere speciali a O2 che ne aumentano la concentrazione nell'aria inspirata. Alla base di queste applicazioni sta il principio secondo cui la trasportabilità dell'O2 nel sangue aumenta con la sua pressione parziale.
Essendo unfarmaco a tutti gli effetti (Dlgs 219/06), da maggio 2010 l'O2 utilizzato in ambito ospedaliero dopo essere stato prodotto perdistillazione frazionata viene trattato ulteriormente ed analizzato. Una volta verificate le sue caratteristiche, che devono essere come quelle riportate nellaFarmacopea Ufficiale, viene "etichettato" con un numero di lotto come avviene per i farmaci, viene indicata la data di scadenza (nel caso dell'O2 medicinale è 5 anni) e consegnato alle strutture sanitarie attraverso un'operazione di "rilascio del lotto" sotto la completa responsabilità del farmacista dell'azienda che l'ha prodotto. Come farmaco a tutti gli effetti quindi, oltre che a possedere un AIC (Autorizzazione Immissione in Commercio) legata al tipo di confezionamento (bombola,cisterna, ecc.), deve essere somministrato dietro ricetta medica che ne indichi le modalità di somministrazione, la posologia e la durata della terapia.
Altri utilizzi dell'O2 sono in miscele chiamate "stimolanti respiratori"; queste miscele sono composte principalmente da O2 in fase gassosa (95%) e anidride carbonica (5%), e vengono utilizzate in ambito ospedaliero. Queste miscele hanno la peculiarità di permettere un'espulsione più rapida di molecole dannose dall'organismo, ad esempio nel caso di intossicazioni damonossido di carbonio (CO).
Fino al 1961 l'ossigeno è stato utilizzato come elemento standard di riferimento per quantificare la massa degli altri elementi chimici, per poi essere sostituito dalcarbonio 12.[1]
Le batterie agli ioni di ossigeno trovano impiego comeaccumulatori degli impianti stazionari che ricevonoenergia da fonti rinnovabili, che operano a temperature comprese fra i 200 e 400 gradi centigradi.[50] La durata è pari a migliaia di cicli di ricarica e si rigenera facilmente sostituendo l'ossigeno con altro presente nell'area circostante. Tuttavia, al 2023 non è ancora stato brevettato un tipo di batteria privo di materiali nobili.
Una fortepressione parziale di O2 può provocare combustioni spontanee, può accelerare le combustioni già in atto e produrre esplosioni se sono presenti buoni combustibili. Questo è vero anche per composti molto ricchi di ossigeno come clorati, perclorati, dicromati, ecc.
Quando si maneggia O2 puro compresso, per evitare il rischio di combustioni o esplosioni, è necessario utilizzare attrezzature cosiddetteossigeno compatibili opulite per ossigeno[52], cioè pulite accuratamente da ogni traccia di grassi e olii e in cui l'O2 compresso non entra mai in contatto con materiali combustibili, ad esempio guarnizioni o metalli non compatibili.
L'ossigeno è un elemento molto instabile e quindi reagisce anche violentemente con gli altri elementi per aumentare la sua stabilità. La compatibilità con la vita in sua presenza è legata alla possibilità di adoperarlo come prezioso e potente reagente senza esserne danneggiati.
I viventiaerobi hanno strutture metaboliche che ne neutralizzino gli effetti dannosi. Gli effetti dannosi sono chiaramente evidenti invece nei viventianaerobi che non hanno strutture di protezione fisiologiche e che sono distrutti dall'O2 e che possono sopravvivere solo se dotati di barriere fisiche che ne impediscano il contatto.
Un'esposizione prolungata all'O2 ad altepressioni parziali è tossica, dato che supera i livelli di neutralizzazione, e può avere gravi conseguenze a livello polmonare eneurologico a seconda della pressione e del tempo di esposizione. Gli effettipolmonari includono perdita di capacità e danni aitessuti. Gli effetti neurologici possono comprendere convulsioni, cecità e coma.
^La dizione "ossigeno molecolare" per la specie O2, seppure diffusa, è da evitare in quanto può comprendere la specie O3, l'ozono, molecola termodinamicamente stabile in sé e presente naturalmente nell'alta atmosfera terrestre.
