Oxígeno

Oxígeno
n., plural: oxígenos

Definición: el elemento gaseoso incoloro e inodoro representado por el símbolo «O», con un número atómico de 8

Definición de oxígeno

En bioquímica, el oxígeno es el elemento incoloro, inodoro, elemento gaseoso representado por el símbolo «O», con un número atómico de 8, y constituye alrededor del 21% en volumen de la atmósfera, y biológicamente importante por su papel en varios procesos bioquímicos y fisiológicos, especialmente de los organismos aeróbicos. Etimología: Griego antiguo ὀξύς (oxús, que significa «agudo») + γενής (-genēs, que significa «productor»). Símbolo: O.

El oxígeno es uno de los elementos químicos que se encuentran en la naturaleza. Un elemento químico se refiere a la sustancia pura de un tipo de átomo. En la actualidad, 94 son elementos naturales mientras que 24 son sintéticos. El oxígeno es uno de los elementos más comunes en los seres vivos, junto con el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno. También es el tercer elemento más abundante en el universo, junto al hidrógeno y el helio.

Propiedades del oxígeno

El oxígeno es un elemento natural gaseoso con un número atómico de 8 y un peso atómico de 15,96. En la tabla periódica, pertenece a los calcógenos. Es un no metal reactivo con una configuración electrónica de He 2s2 2p4. Es capaz de combinarse con todos los elementos, a excepción del flúor, para formar óxidos, bases, anhídridos oxidados, etc. A temperatura ambiente, el oxígeno sólo es moderadamente activo con la mayoría de las sustancias. Sin embargo, a temperaturas más altas, se vuelve muy activo, por lo que se le considera uno de los agentes químicos más potentes. El punto de fusión del oxígeno es de -218,79 °C. Su densidad a STP es de 1,49 g/L a 0 °C y 760 mm de presión.

En los siglos XVIII y XIX, los científicos aprendieron que los componentes del aire podían licuarse comprimiendo y enfriando el aire. En 1883, se licuó por primera vez el oxígeno en un estado estable.1 El oxígeno líquido tiene un color azul pálido, una densidad de 1,141 g/cm3, un punto de ebullición de -182,96 °C a 101,325 kPa (760 mmHg) y un punto de congelación de -218,79 °C. Actualmente, se utiliza en la aviación militar y en la industria del gas.

El oxígeno sólido es otro estado físico del oxígeno que se forma a presión atmosférica normal a una temperatura inferior a -218,79 °C. También tiene un color azul pálido. Tiene una densidad de 21 cm3/mol en la fase α a 23,5 cm3/mol en la fase γ.2

Isótopos del oxígeno

Los isótopos naturales del oxígeno son el oxígeno-16, el oxígeno-17 y el oxígeno-18. Los tres isótopos son estables. El oxígeno-16 (16O) tiene 8 neutrones y 8 protones en su núcleo. Es el isótopo de oxígeno más abundante y representa el 99,762% de la abundancia natural (NA, es decir, la abundancia del isótopo en la naturaleza). El oxígeno-17 (17O) tiene 9 neutrones y 8 protones en su núcleo. Su NA es del 0,0373% en el agua de mar y del 0,0377421% en el agua de mar. El oxígeno-18 (18O) tiene 10 neutrones y 8 protones en su núcleo. Su NA es del 0,2%.

Alótropos del oxígeno

Un alótropo de un elemento pertenece a cualquiera de las múltiples sustancias formadas por un solo tipo de elemento. Ejemplos de alótropos del oxígeno son el oxígeno atómico, el dioxígeno, el ozono y el tetraoxígeno. El oxígeno atómico (O1) es un alótropo del oxígeno muy reactivo. Tiende a unirse rápidamente a las moléculas cercanas. El dioxígeno (O2) (oxígeno libre) se presenta en dos formas principales: triplete y singlete. El oxígeno triplete 3O2 es el estado básico triplete del dioxígeno. Es más conocido como oxígeno molecular.

Sus dos átomos de oxígeno están unidos por un enlace σ completo más dos medios enlaces π. Es el alótropo más común y más estable del oxígeno en la Tierra. Es la forma que utilizan los organismos, por ejemplo, en la respiración celular. También se libera como subproducto de la fotosíntesis por parte de los fotoautótrofos.

El oxígeno de los siluros 1O2 es un dioxígeno con una fórmula de O=O. Es más reactivo a los compuestos orgánicos que el oxígeno triplete. Puede distinguirse del oxígeno triplete en función del número de espines de los electrones. El oxígeno singlete sólo tiene una disposición posible de los espines de los electrones, mientras que el oxígeno triplete tiene tres. El oxígeno singlete es una de las especies reactivas de oxígeno (ROS).

En los fotoautótrofos, el oxígeno singlete es producido por las moléculas de clorofila durante la fotosíntesis. Las plantas contrarrestan el efecto oxidativo perjudicial mediante la acción de los carotenoides. Los herbívoros que ingieren partes de plantas ricas en pigmentos de clorofila que producen oxígeno singlete son propensos a la fotosensibilidad.

Los humanos, por ejemplo, que siguen una dieta vegana pueden volverse más sensibles a la luz y estar predispuestos a la fotodermatitis. En los mamíferos, las ERO están asociadas a la oxidación del colesterol LDL, que a su vez, es responsable de los efectos deletéreos sobre el sistema cardiovascular. En medicina, es la especie de oxígeno activa en la terapia fotodinámica.

El ozono (O3) es una molécula presente en la capa de ozono de la estratosfera. Es capaz de absorber la mayor parte de la radiación ultravioleta del Sol. El tetraoxígeno (O4) también fue llamado oxozono.

Compuestos oxigénicos

El agua (H2O) es uno de los óxidos de hidrógeno y el óxido más común. Los átomos de hidrógeno están unidos al oxígeno por enlaces covalentes. El agua es una molécula polar debido a que su oxígeno tiene una ligera carga negativa mientras que sus hidrógenos tienen una ligera carga positiva. La polaridad del agua la convierte en un excelente disolvente. El oxígeno ligeramente negativo atrae a los cationes mientras que el hidrógeno ligeramente positivo atrae a los aniones. Así, el agua tiene la capacidad de disociar e ionizar moléculas. El agua, el CO2, el MgO, el Al2O3, el Na2O, el CaO, el BaO y el ZnO son ejemplos de óxidos, que también son ejemplos de compuestos inorgánicos que contienen oxígeno.

Los compuestos orgánicos se definen fundamentalmente como aquellas sustancias que contienen átomos de carbono y enlaces carbono-carbono (C-C) y carbono-hidrógeno (C-H). Ejemplos de compuestos orgánicos comunes que contienen oxígeno y R (el grupo funcional orgánico) son los alcoholes (R-OH), los aldehídos (R-CO-H), las amidas R-C(O)-NR2, los ésteres (R-COO-R), los éteres (R-O-R) y las cetonas (R-CO-R). Otros compuestos orgánicos importantes que tienen oxígeno son el ácido cítrico, el formaldehído, el glicerol, la acetamida, el formaldehído y el glutaraldehído.

Descubrimiento del oxígeno

En los siglos XVII y XVIII, los primeros experimentos de científicos como Robert Hooke, Ole Borch y Pierre Bayen llevaron a la producción de oxígeno. Sin embargo, en aquella época no se reconocía como un elemento químico. Más bien, el pensamiento predominante durante muchos siglos fue que los cuatro elementos principales eran el aire, el fuego, el agua y la tierra. Todavía no se sabía que cada uno de ellos estaba formado por constituyentes más simples, que más tarde se llamaron elementos químicos.
Joseph Priestley 1733 – 1804, el clérigo británico, refutó esta creencia y afirmó que el aire estaba formado por sustancias como el gas que observó que se liberaba del óxido mercúrico (HgO) en sus experimentos. Se refirió a este gas como aire desflogisticado. Posteriormente, el gas recibió el nombre de oxygène en 1777 por Antoine Lavoisier 1743 – 1794, químico francés.3 Priestley fue el primero en publicar sobre el oxígeno y, como tal, se le suele atribuir el papel de descubridor del oxígeno.

El nombre inglés oxygen se adoptó de oxygène de Lavoisier, que a su vez derivaba del griego ὀξύς (oxús, que significa «agudo») y -γενής (-genēs, que significa «productor»). Sin embargo, era un nombre erróneo, ya que se pensaba que el elemento era un constituyente en la formación de todos los ácidos. El nombre quedó bien establecido que se mantuvo hasta ahora incluso después de que se descubriera que no era cierto.

Importancia biológica

En la biología, el oxígeno juega un papel crucial en varios procesos bioquímicos y fisiológicos. Es el elemento más abundante (65% en masa) en el cuerpo humano, seguido de: carbono (18,5%), hidrógeno (9,5%), nitrógeno (3,2%), calcio (1,5%) y fósforo (1%).

Respiración

En los seres humanos y otros vertebrados terrestres, el dioxígeno (O2) entra en el cuerpo a través de los pulmones, y luego se une a la hemoglobina de los glóbulos rojos para ser entregado a varias partes del cuerpo. El dioxígeno se desprende de la hemoglobina y entra en los tejidos por difusión. A su vez, el dióxido de carbono es recogido para ser llevado a los pulmones y ser liberado al exterior.

El oxígeno entra en la célula para ser utilizado por las mitocondrias para generar ATP mediante la respiración celular. Actúa como aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones durante la fosforilación oxidativa. La reacción global de la respiración celular es: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Puesto que utiliza oxígeno, el proceso se describe como aeróbico. La presencia de oxígeno hace que la respiración celular sea unas diez veces más eficiente en la producción de ATP.

Función inmunitaria

En los seres humanos, el peróxido de hidrógeno (H2O2), el oxígeno singlete y los iones superóxido son algunas de las ERO que se producen de forma natural como subproductos del uso del oxígeno. Se utilizan para destruir patógenos y, por tanto, tienen una función inmunitaria.

Fotosíntesis

Los fotoautótrofos, como las cianobacterias, las algas verdes y las plantas, producen oxígeno mediante la fotosíntesis. La fórmula general del proceso es:
6 CO2 + 6 H2O + fotones → C6H12O6 + 6 O2
Se requiere dióxido de carbono, agua y fotones para producir glucosa y O2. El oxígeno se libera finalmente a la atmósfera.

La oxigenoterapia

También se cree que el oxígeno tiene un papel terapéutico especialmente en el tratamiento o manejo de los tejidos isquémicos. La oxigenoterapia, es decir, el uso de oxígeno para el tratamiento médico, se utiliza para tratar las afecciones con deterioro de la captación de oxígeno, como la neumonía y el enfisema. Sin embargo, el oxígeno (O2) puede ser tóxico a altas presiones parciales (<50 kilopascales). Puede provocar problemas de salud y convulsiones.

Historia geológica del oxígeno

Hace entre 3.850 y 2.450 millones de años, aún no había oxígeno libre en la atmósfera terrestre y la mayoría de las partes oceánicas eran anóxicas. El oxígeno libre comenzó a existir en la atmósfera cuando los organismos fotosintéticos evolucionaron. Se cree que esto ocurrió hace unos 3.500 millones de años. Mediante la fotosíntesis, utilizaron el dióxido de carbono, el agua y los fotones para producir azúcares. El oxígeno producido por la fotosíntesis también se desechaba como producto de desecho.
Hace entre 2,45 y 1,85 millones de años, el nivel de oxígeno empezó a aumentar considerablemente. Gran parte del oxígeno libre producido por los organismos fue absorbido por los océanos y las rocas del fondo marino. La acumulación de oxígeno inducida biológicamente se ha denominado el Gran Evento de Oxigenación. Se supone que ocurrió durante el periodo sideriano (hace 2.500-2.300 millones de años) de la Era Paleoproterozoica. La importante acumulación de oxígeno libre provocó la extinción de muchos anaerobios obligados.

El oxígeno libre comenzó a salir de los océanos hace entre 1.850 y 0.850 millones de años. Las superficies terrestres absorbieron gran parte de él. Desde entonces hasta el presente, el oxígeno libre acabó acumulándose en la atmósfera, especialmente cuando se llenaron los depósitos de oxígeno. La evolución de los organismos que podían metabolizar el oxígeno frenó el incremento del oxígeno libre disponible.

En el período Carbonífero (hace 358,9-298,9 millones de años) de la era Paleozoica, el nivel de oxígeno en la atmósfera aumentó hasta el 35% en volumen. Se cree que esto fue un factor que contribuyó a la evolución de los insectos y anfibios de gran tamaño. También se planteó la hipótesis de que la disponibilidad de oxígeno condujo a la diversidad de los organismos aeróbicos.4

Ciclo del oxígeno

El oxígeno es el tercer elemento más abundante en el universo, después del hidrógeno y el helio. Por lo tanto, se produce y se cicla ampliamente en la Tierra. El ciclo del oxígeno es uno de los ciclos biogeoquímicos de la Tierra, ya que se convierte de una forma a otra.

Los cuatro depósitos principales de oxígeno son la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera. La litosfera es el mayor reservorio, especialmente dentro de los minerales de silicato y óxido de la corteza y el manto de la Tierra. En la atmósfera, el oxígeno se presenta predominantemente como dioxígeno. También tiene otras moléculas oxigenadas, como el ozono (O3), el CO2, el H2O (como vapor de agua) y otros óxidos. La alta concentración de ozono explica la formación del escudo UV, llamado capa de ozono, en la estratosfera. En la hidrosfera, el oxígeno se encuentra en las moléculas de agua, en los ácidos carbónicos y como oxígeno libre. Una fuente importante de oxígeno proviene de la biosfera como subproducto del proceso biológico, la fotosíntesis. La fotólisis también forma oxígeno. Descompone el agua y el óxido nitroso para liberar oxígeno libre en la atmósfera, mientras que el hidrógeno y el nitrógeno, en el espacio. Los animales marinos con caparazón de carbonato cálcico también sirven como fuente biológica. Cuando mueren, el carbonato cálcico de su caparazón se incorpora a las rocas sedimentarias calcáreas.

El oxígeno libre de la atmósfera es metabolizado por los animales aeróbicos para su respiración. Y al hacerlo, liberan dióxido de carbono.

La litosfera absorbe el oxígeno libre de la atmósfera en la meteorización química, como en la formación del óxido.

Leer:

• Transporte de oxígeno en la fotosíntesis sanguínea
• Respiración celular – Tutorial online de biología

1. Papanelopoulou, F. (2013). «Louis Paul Cailletet: La licuefacción del oxígeno y la aparición de la investigación a baja temperatura». Notas y registros de la Real Sociedad de Londres. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). «El volumen molar (densidad) del oxígeno sólido en equilibrio con el vapor». Revista de datos físicos y químicos de referencia. 7 (3): 949. doi:10.1063/1.555582
3. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, 1 de enero). Extraído de www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, 1 de enero). El oxígeno proporcionó el aliento de vida que permitió la evolución de los animales. Extraído de www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/