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Ossigeno

Ossigeno elemento

Anche se già noto fin dall'antichità (forse già dagli egizi) come un componente dell'aria in qualche modo in connessione con il fuoco, il gas ossigeno venne preparato puro per la prima volta negli anni tra il 1771 e il 1774, indipendentemente e con diversi metodi, da J. Priestley e C.W. Scheele.

Entrambi però interpretarono i loro risultati secondo la teoria del flogisto e denominarono l'ossigeno aria deflogisticata o aria di fuoco; fu Lavoisier a identificarlo alcuni anni dopo come un elemento e a riconoscerne, rigettando la teoria del flogisto, la funzione nei fenomeni di combustione e respirazione cellulare.

Essendo poi stato identificato come componente di un grande numero di acidi, gli venne dato più tardi il nome di ossigeno, che significa appunto "generatore di acidi".

È l'elemento più abbondante in natura sulla Terra, sia allo stato elementare sia in composti, costituendo il 49,5% in peso della crosta terrestre compresa l'atmosfera.

Mentre nella crosta solida è presente con una percentuale del 46,6%, principalmente sotto forma di ossidi metallici e di silicati, gli oceani ne contengono ca l'85,5% in peso sotto forma del suo più importante composto, l'acqua. L'ossigeno è una molecola biatomica (O2) presente nell'atmosfera (ca il 23,1% in peso nell'aria secca), e disciolto in piccole quantità nelle acque marine.

Il contenuto di O2 nell'atmosfera terrestre è sostanzialmente costante perché, pur essendo sottratto in grandi quantità e trasformato in biossido di carbonio nelle combustioni e nella respirazione, tramite la fotosintesi clorofilliana viene in parte restituito dai vegetali.

Negli strati più elevati dell'atmosfera è presente in piccole quantità, accanto a ossigeno sotto forma di atomi liberi, anche l'ozono (o triossigeno), che costituisce una forma allotropica dell'ossigeno a molecola triatomica. Nell'atmosfera solare costituisce il quarto elemento (dopo l'idrogeno, l'elio e il neon) in ordine di abbondanza (0,9% ca).

Ossigeno è inoltre presente in notevole quantità nella maggior parte dei tessuti animali e vegetali, combinato sia sotto forma di acqua che di sostanze organiche ossigenate.

A temperatura ambiente l'O2 è un gas incolore e inodore, paramagnetico per la presenza di due elettroni spaiati aventi spin uguali; negli stati liquido e solido è colorato in blu pallido e presenta ancora molecola biatomica e paramagnetismo.

Il suo peso atomico, posto uguale a 16, fu usato come base di riferimento per i pesi atomici degli elementi, ma dopo la scoperta che la composizione isotopica di questo elemento non è costante, come riferimento fu scelto l'isotopo 12 del carbonio (1961).

Le sue proprietà chimiche sono legate alla sua elevata elettronegatività, inferiore soltanto a quella del fluoro. In forma molecolare O2 è notevolmente reattivo e può combinarsi direttamente con tutti gli elementi a eccezione dei gas nobili più leggeri (elio, neon e argon), anche se frequentemente è necessario l'impiego di catalizzatori o di temperature elevate.

Le reazioni a cui dà luogo sono chiamate ossidazioni, e ossidi sono detti i composti binari.

Con alcuni elementi e con diversi composti (in particolare i composti organici con elevato contenuto in carbonio e idrogeno) l'ossigeno reagisce in modo violento e con liberazione di energia sotto forma di luce e calore, dando origine alla cosiddette combustioni.

Queste sono generalmente reazioni che non avvengono spontaneamente a temperatura ambiente, ma, una volta iniziate, liberano calore in quantità sufficiente perché la temperatura si mantenga elevata e la reazione possa proseguire.

Per riscaldamento al di sopra di ca 3000 °C la molecola O2 si dissocia parzialmente; ossigeno allo stato atomico (nel quale presenta una reattività esaltata) può essere più facilmente preparato inviando una scarica elettrica su O2 mantenuto a bassa pressione.

La densità dell'ossigeno è 1,429 g/dm3 ovvero 1,429 g/L.

Composti dell'ossigeno

In quasi tutti i suoi composti figura col numero di ossidazione -2 (ma con -1 nei perossidi e con +2 esclusivamente nel fluoruro di ossigeno OF2, molto instabile).

Questo elemento forma composti binari stabili (detti ossidi) con tutti gli elementi a eccezione di elio, neon e argon.

Perossidi: contengono il gruppo perossi —O—O— dove ogni atomo di ossigeno ha numero di ossidazione -1. Il più importante è il perossido di idrogeno H2O2, conosciuto con il nome d'uso di acqua ossigenata. Importanti sono anche i perossidi dei metalli alcalini e alcalino-terrosi (per esempio Na2O2 perossido di sodio; BaO2 perossido di bario ecc.), composti generalmente di tipo ionico, contenenti lo ione perossi O22-; sono tutti agenti ossidanti; reagiscono abbastanza facilmente con acqua o con acidi formando H2O2 e con le sostanze organiche formando i rispettivi carbonati.

Superossidi: contengono lo ione radicale (con un elettrone spaiato) O2•-, dove ogni atomo di O ha mediamente il numero di ossidazione -0,5. Noti e ben caratterizzati sono solo quelli degli elementi più elettropositivi (sodio, potassio, rubidio, cesio): sono solidi cristallini con legame ionico, paramagnetici e colorati dal giallo all'arancio.

Possono essere preparati per azione dell'ossigeno sul metallo o sul perossido corrispondente. Si comportano sempre come energici ossidanti, reagiscono violentemente con l'acqua e con il diossido di carbonio liberando ossigeno:

4 KO2 + 2 H2O → 4 KOH + 3 O2

4 KO2 + 2 CO2 → 2 K2CO3 + 3 O2

Fra i composti non binari dell'ossigeno, i più abbondanti in natura sono i silicati e alcuni carbonati (per esempio carbonato di calcio CaCO3), principali costituenti delle rocce e del terreno, insieme con alcuni ossidi metallici. Innumerevoli sono i composti organici ossigenati naturali: basti citare i glucidi, i lipidi e le proteine, dall'enorme importanza biologica.

Utilizzo dell'ossigeno

Utilizzato in passato come comburente per la fiamma ossidrica e ossiacetilenica (si veda: cannello ossiacetilenico), l'ossigeno trova attualmente impiego nell'industria missilistica come comburente per i motori e nel processo di conversione della ghisa (prodotta nell'altoforno) ad acciaio (si veda: produzione dell'acciaio).

Grandi quantità di ossigeno vengono inoltre utilizzate per produrre l'idrogeno e l'acetilene dai gas naturali.

Metodo di produzione

Piccole quantità di ossigeno si possono ottenere dalla decomposizione di clorato o permanganato di potassio:

2KClO3 → 2KCl+3O2

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2

In passato molto utilizzata è stata la produzione dell'idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. Attualmente il metodo elettrolitico è stato quasi del tutto abbandonato a causa degli elevati costi energetici e l'ossigeno viene prodotto tramite distillazione frazionata dell'aria liquida.

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