¿De dónde salió el oxígeno de la atmósfera?
No estaba al principio. La atmósfera de la Tierra primitiva era de nitrógeno, dióxido de carbono, metano y vapor de agua, sin oxígeno libre apreciable.
Hace unos 2 700 millones de años, ciertas cianobacterias desarrollaron la fotosíntesis oxigénica: usar la energía de la luz para arrancar electrones al agua, liberando oxígeno como residuo. Fue una innovación metabólica con consecuencias planetarias.
Durante cientos de millones de años ese oxígeno no se acumuló. El océano contenía hierro ferroso disuelto, que reaccionaba con él precipitando óxidos. El resultado son las formaciones de hierro bandeado, capas alternadas de rojo y gris que se depositaron entre hace 2 500 y 1 800 millones de años y que constituyen hoy la mayor parte del mineral de hierro que extraemos.
Cuando el hierro disuelto se agotó, el oxígeno empezó a acumularse en la atmósfera. Ese episodio, hacia los 2 400 millones de años, se conoce como la Gran Oxidación.
⚠️ Para la vida existente fue una catástrofe. El oxígeno es un oxidante potente y destruye la maquinaria bioquímica de los organismos anaerobios. La mayoría se extinguió o quedó relegada a ambientes sin oxígeno, donde sus descendientes siguen viviendo. Fue probablemente la mayor extinción de la historia de la vida.
¿Por qué el oxígeno líquido se pega a un imán?
Porque la molécula O₂ tiene dos electrones desapareados, algo que la estructura de Lewis convencional no predice.
Dibujada como O=O, la molécula tendría todos los electrones apareados y sería diamagnética. El experimento dice lo contrario: un chorro de oxígeno líquido vertido entre los polos de un electroimán queda suspendido.
La teoría de orbitales moleculares lo explica. Al combinar los orbitales atómicos de dos oxígenos, los dos últimos electrones ocupan orbitales π antienlazantes degenerados. Por la regla de Hund se sitúan uno en cada orbital y con espines paralelos, en vez de apareados en uno solo.
El resultado es una molécula con espín total 1: un estado triplete. Esto convirtió al oxígeno en el argumento decisivo a favor de la teoría de orbitales moleculares frente a la de enlace de valencia, en los años treinta.
El color azul pálido del oxígeno líquido procede de la misma peculiaridad. Dos moléculas vecinas absorben conjuntamente un fotón en la región roja del espectro, una transición prohibida en una molécula aislada que solo resulta apreciable cuando las moléculas están juntas.
Esa estructura triplete tiene además una consecuencia biológica: hace que el oxígeno reaccione con la materia orgánica más despacio de lo que la termodinámica permitiría. Sin esa barrera cinética, los seres vivos arderían.
¿Qué significa que la masa atómica sea un intervalo?
El oxígeno tiene tres isótopos estables: oxígeno 16, que es el 99,76 %, oxígeno 17 y oxígeno 18. La proporción varía según el origen de la muestra lo suficiente para que la IUPAC publique un intervalo en lugar de un valor.
La variación procede del fraccionamiento durante el ciclo del agua. El agua con oxígeno 16 se evapora algo más fácilmente que la que contiene oxígeno 18, porque es más ligera. El vapor que sale del océano está por tanto empobrecido en el isótopo pesado, y la lluvia que cae de ese vapor lo está aún más.
El efecto se acumula con la distancia y con el frío. El hielo de Groenlandia y la Antártida tiene una proporción de oxígeno 18 mucho menor que el agua oceánica, y esa proporción depende de la temperatura a la que se formó la nieve.
De ahí uno de los métodos más importantes de la paleoclimatología: perforar el hielo, medir la relación entre oxígeno 18 y oxígeno 16 capa por capa, y reconstruir la temperatura de los últimos cientos de miles de años.
El mismo principio se aplica a las conchas de foraminíferos en sedimentos marinos, que registran el volumen de hielo global.
¿Cómo se obtiene industrialmente?
Por destilación fraccionada del aire licuado, el mismo proceso que separa el nitrógeno y los gases nobles.
El aire se comprime, se enfría y se expande repetidamente hasta licuarse hacia los 80 K. Después se deja evaporar en una columna: el nitrógeno, que hierve a 77,36 K, sale primero; el oxígeno, a 90,19 K, queda atrás. Los trece grados de diferencia bastan para una separación limpia.
La industria mundial produce cientos de millones de toneladas al año. El consumidor principal no es la medicina sino la siderurgia: el proceso de convertidor básico al oxígeno insufla oxígeno puro sobre el arrabio fundido para quemar el exceso de carbono y convertirlo en acero.
En medicina se usa en concentraciones controladas. Un paciente con insuficiencia respiratoria recibe aire enriquecido, no oxígeno puro, salvo en situaciones concretas y por tiempo limitado.
Para aplicaciones pequeñas existen los concentradores, que separan el nitrógeno del aire mediante tamices moleculares de zeolita en lugar de licuarlo. Producen oxígeno al 90-95 % y no requieren suministro externo.
¿Por qué es el elemento más abundante de la corteza?
Porque se combina con casi todo y los productos son sólidos que no se van a ninguna parte.
El oxígeno representa alrededor del 46 % de la corteza terrestre en masa y cerca del 90 % en volumen, ya que el ion óxido es voluminoso y los cationes metálicos ocupan los huecos entre ellos. La corteza es, estructuralmente, un empaquetamiento de iones óxido.
Los silicatos son el grupo mineral dominante y todos contienen oxígeno unido a silicio en tetraedros SiO₄. A ellos se suman óxidos, carbonatos y sulfatos.
En el cuerpo humano el oxígeno es también el elemento más abundante en masa, alrededor del 65 %, casi todo en forma de agua.
Su abundancia cósmica es la tercera, tras el hidrógeno y el helio. Se sintetiza en el interior de estrellas masivas por fusión del carbono y del helio, y se dispersa en las supernovas. Que sea tan común y tan reactivo explica que la química de casi todo el universo sólido gire alrededor de él.