De onde veio o oxigénio da atmosfera?
Não estava lá no início. A atmosfera da Terra primitiva era de azoto, dióxido de carbono, metano e vapor de água, sem oxigénio livre apreciável.
Há cerca de 2 700 milhões de anos, certas cianobactérias desenvolveram a fotossíntese oxigénica: usar a energia da luz para arrancar eletrões à água, libertando oxigénio como resíduo. Foi uma inovação metabólica com consequências planetárias.
Durante centenas de milhões de anos esse oxigénio não se acumulou. O oceano continha ferro ferroso dissolvido, que reagia com ele precipitando óxidos. O resultado são as formações de ferro bandado, camadas alternadas de vermelho e cinzento depositadas entre 2 500 e 1 800 milhões de anos atrás e que constituem hoje a maior parte do minério de ferro que extraímos.
Quando o ferro dissolvido se esgotou, o oxigénio começou a acumular-se na atmosfera. Esse episódio, por volta dos 2 400 milhões de anos, é conhecido como a Grande Oxidação.
⚠️ Para a vida existente foi uma catástrofe. O oxigénio é um oxidante potente e destrói a maquinaria bioquímica dos organismos anaeróbios. A maioria extinguiu-se ou ficou confinada a ambientes sem oxigénio, onde os seus descendentes continuam a viver. Foi provavelmente a maior extinção da história da vida.
Por que é que o oxigénio líquido adere a um íman?
Porque a molécula O₂ tem dois eletrões desemparelhados, algo que a estrutura de Lewis convencional não prevê.
Desenhada como O=O, a molécula teria todos os eletrões emparelhados e seria diamagnética. A experiência diz o contrário: um jato de oxigénio líquido vertido entre os polos de um eletroíman fica suspenso.
A teoria das orbitais moleculares explica-o. Ao combinar as orbitais atómicas de dois oxigénios, os dois últimos eletrões ocupam orbitais π antiligantes degeneradas. Pela regra de Hund situam-se um em cada orbital e com spins paralelos, em vez de emparelhados numa só.
O resultado é uma molécula com spin total 1: um estado tripleto. Isto tornou o oxigénio o argumento decisivo a favor da teoria das orbitais moleculares face à do enlace de valência, nos anos trinta.
A cor azul pálida do oxigénio líquido provém da mesma peculiaridade. Duas moléculas vizinhas absorvem em conjunto um fotão na região vermelha do espetro, uma transição proibida numa molécula isolada que só se torna apreciável quando as moléculas estão juntas.
Essa estrutura tripleto tem ainda uma consequência biológica: faz com que o oxigénio reaja com a matéria orgânica mais devagar do que a termodinâmica permitiria. Sem essa barreira cinética, os seres vivos arderiam.
O que significa a massa atómica ser um intervalo?
O oxigénio tem três isótopos estáveis: oxigénio 16, que é 99,76 %, oxigénio 17 e oxigénio 18. A proporção varia consoante a origem da amostra o suficiente para que a IUPAC publique um intervalo em vez de um valor.
A variação provém do fracionamento durante o ciclo da água. A água com oxigénio 16 evapora um pouco mais facilmente do que a que contém oxigénio 18, por ser mais leve. O vapor que sai do oceano está portanto empobrecido no isótopo pesado, e a chuva que cai desse vapor está-o ainda mais.
O efeito acumula-se com a distância e com o frio. O gelo da Gronelândia e da Antártida tem uma proporção de oxigénio 18 muito menor do que a água oceânica, e essa proporção depende da temperatura a que a neve se formou.
Daí um dos métodos mais importantes da paleoclimatologia: perfurar o gelo, medir a relação entre oxigénio 18 e oxigénio 16 camada a camada, e reconstituir a temperatura dos últimos centenas de milhares de anos.
O mesmo princípio aplica-se às conchas de foraminíferos em sedimentos marinhos, que registam o volume de gelo global.
Como se obtém industrialmente?
Por destilação fracionada do ar liquefeito, o mesmo processo que separa o azoto e os gases nobres.
O ar é comprimido, arrefecido e expandido repetidamente até liquefazer por volta dos 80 K. Depois deixa-se evaporar numa coluna: o azoto, que ferve a 77,36 K, sai primeiro; o oxigénio, a 90,19 K, fica para trás. Os treze graus de diferença bastam para uma separação limpa.
A indústria mundial produz centenas de milhões de toneladas por ano. O maior consumidor não é a medicina mas a siderurgia: o processo de conversor básico a oxigénio insufla oxigénio puro sobre o gusa fundido para queimar o excesso de carbono e o converter em aço.
Em medicina usa-se em concentrações controladas. Um doente com insuficiência respiratória recebe ar enriquecido, não oxigénio puro, salvo em situações concretas e por tempo limitado.
Para aplicações pequenas existem os concentradores, que separam o azoto do ar com peneiros moleculares de zeólito em vez de o liquefazerem. Produzem oxigénio a 90-95 % e não requerem abastecimento externo.
Por que é o elemento mais abundante da crosta?
Porque se combina com quase tudo e os produtos são sólidos que não vão a lado nenhum.
O oxigénio representa cerca de 46 % da crosta terrestre em massa e perto de 90 % em volume, já que o ião óxido é volumoso e os catiões metálicos ocupam os interstícios entre eles. A crosta é, estruturalmente, um empacotamento de iões óxido.
Os silicatos são o grupo mineral dominante e contêm todos oxigénio ligado a silício em tetraedros SiO₄. A eles somam-se óxidos, carbonatos e sulfatos.
No corpo humano o oxigénio é também o elemento mais abundante em massa, cerca de 65 %, quase todo na forma de água.
A sua abundância cósmica é a terceira, a seguir ao hidrogénio e ao hélio. Sintetiza-se no interior de estrelas maciças por fusão do carbono e do hélio, e dispersa-se nas supernovas. Ser tão comum e tão reativo explica que a química de quase todo o universo sólido gire à sua volta.