Oxígeno (O₂): propiedades, aplicaciones industriales y producción

Historia y descubrimiento del oxígeno

La historia del oxígeno está ligada a la refutación de la antigua teoría del flogisto, que proponía que los materiales liberaban una sustancia al arder. Aunque Carl Wilhelm Scheele fue el primero en aislar una muestra de oxígeno en 1773, su trabajo no se publicó de inmediato. Un año más tarde, en 1774, Joseph Priestley logró aislarlo de forma independiente al calentar óxido de mercurio.

Sin embargo, el mérito del descubrimiento se atribuyó a Antoine Lavoisier. Fue él quien interpretó correctamente el papel del oxígeno en la respiración y la combustión, demostrando que esta última era la combinación de una sustancia con el oxígeno presente en el aire. Con esto, refutó la teoría del flogisto y sentó las bases de la química moderna. Lavoisier también notó la tendencia del elemento a formar ácidos y, por ello, le dio el nombre de oxígeno, a partir de las palabras griegas "oxus" (ácido) y "gennan" (generar).

Propiedades del oxígeno

Propiedades físicas

A temperatura ambiente y en condiciones normales de presión, el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es ligeramente más denso que el aire y poco soluble en agua. Sus propiedades físicas clave incluyen:

• Punto de fusión: -218,79 °C
• Punto de ebullición: -182,95 °C
• Densidad (en condiciones normales): 1.429 kg/m³

El comportamiento del oxígeno bajo diferentes condiciones de presión y temperatura es fundamental para su almacenamiento y uso industrial. A medida que la temperatura desciende, el gas se condensa, y al aumentar la presión se comprime, lo que permite su almacenamiento de dos formas principales:

• Gas comprimido: Se almacena a alta presión (200 bar) en botellas o bloques.
• Líquido criogénico: Se licúa a temperaturas extremadamente bajas y se almacena en tanques especiales, una forma de suministro muy eficiente para necesidades de grandes volúmenes.

Propiedades químicas

El O₂ es un elemento con una naturaleza altamente reactiva que le permite actuar como un potente agente oxidante. Se combina fácilmente con otros elementos, formando una vasta gama de compuestos como óxidos y peróxidos. Su reactividad es fundamental en los procesos de combustión, donde alimenta la quema de combustibles para liberar energía en forma de calor y luz, y en procesos como la corrosión, donde forma óxidos con metales.

Compuestos del oxígeno

La naturaleza altamente reactiva del oxígeno le permite formar una vasta gama de compuestos, que pueden categorizarse en inorgánicos y orgánicos.

Compuestos inorgánicos

Los compuestos inorgánicos del oxígeno son entidades químicas en las que el oxígeno desempeña un papel crucial. Estos incluyen:

• Óxidos metálicos y no metálicos: El oxígeno se combina con metales para formar óxidos como el óxido de hierro (herrumbre) y el óxido de aluminio, o con no metales para crear óxidos como el dióxido de azufre o los óxidos de nitrógeno (NOx).
• Agua (H₂O) y peróxidos: El agua es uno de los compuestos más conocidos y vitales para la vida, mientras que los peróxidos, como el peróxido de hidrógeno, tienen importantes usos industriales como blanqueadores o desinfectantes.
• Ozono (O₃): La forma triatómica del oxígeno, que forma una capa protectora en la atmósfera contra los rayos UV. También se produce artificialmente para aplicaciones industriales en la purificación de agua o el tratamiento de aguas residuales.
• Dióxido de carbono (CO₂): Este compuesto, formado por la combinación de carbono y oxígeno, es un gas industrial esencial con aplicaciones que van desde la carbonatación de bebidas hasta el uso en la soldadura (como parte de mezclas con argón).

Compuestos orgánicos

El oxígeno es un componente importante en muchas moléculas orgánicas que son fundamentales para los seres vivos. Su presencia en la estructura de estas moléculas es clave para sus propiedades y funciones. Algunos ejemplos importantes son:

• Alcoholes, ácidos carboxílicos y éteres: En estos compuestos, el oxígeno forma enlaces cruciales que definen sus características químicas y sus aplicaciones.
• Aminoácidos: El oxígeno es un componente esencial de los aminoácidos, que son los bloques de construcción de las proteínas.
• Presencia en biomoléculas clave: Más allá de los aminoácidos, el oxígeno es un elemento indispensable en la estructura de otras biomoléculas esenciales, como los carbohidratos (azúcares), los lípidos (grasas) y los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

Producción industrial del oxígeno

A pesar de su abundancia en la naturaleza, los diferentes niveles de pureza y los grandes volúmenes de oxígeno que requieren las diversas aplicaciones industriales necesitan métodos de producción sofisticados. Los principales incluyen la destilación criogénica y la adsorción por oscilación de presión (PSA).

El proceso de destilación criogénica es el método más extendido. La producción comienza con la compresión y el enfriamiento del aire, seguido de la eliminación de la humedad y los contaminantes. El aire se enfría intensamente para licuarlo, y en una columna de destilación, el nitrógeno y el oxígeno se separan y se extraen en sus formas gaseosa o líquida.

Estos métodos de producción industriales son esenciales para un suministro fiable de oxígeno, adaptado a las exigencias rigurosas de diversos sectores. El oxígeno puede suministrarse en diferentes formas según las necesidades: botellas, bloques o en tanques a granel. También se produce in situ con una pequeña planta.

Además del oxigeno industrial, Air Liquide cuenta con gamas de oxígeno específicas que se adaptan a las distintas necesidades de cada aplicación:

• ALIGAL™ para el sector alimentario y de bebidas.
• PHARGALIS™, oxígeno de calidad farmacéutica esencial en contacto directo con los medicamentos y productos farmacéuticos.
• ALPHAGAZ™ para aplicaciones de laboratorio.
• LASAL™ para aplicaciones laser.
• Entre otros.

Air Liquide suministra oxígeno en botellas y bloques para necesidades de pequeños volúmenes, y tanques hasta 50 000 L, con un generador in situ FLOXAL™ o mismo por canalización para necesidades de grandes volúmenes o contínuas, adaptándose a sus diferentes exigencias.

Usos del oxígeno en la industria

En diversos sectores, el oxígeno de calidad industrial ofrece numerosas ventajas y permite optimizar la eficiencia de numerosos procesos, contribuyendo así a la reducción del consumo de energía y de las emisiones de dióxido de carbono.

Aplicaciones industriales

En la metalurgia, el oxígeno desempeña un papel fundamental en la fusión de los metales, el reciclaje, el corte y la soldadura. Enriqueciendo el aire con oxígeno (oxicombustión) se mejora la eficiencia térmica, lo que reduce el consumo de combustibles y las emisiones de CO₂. En la industria química y petroquímica, el oxígeno es un potente agente oxidante, crucial en las reacciones de oxidación para la síntesis de una amplia gama de compuestos. Su versatilidad y reactividad lo convierten en un elemento valioso en las industrias del vidrio y del papel, donde es vital para mejorar la eficiencia y reducir el impacto ambiental en los procesos de fabricación.

Usos médicos y sanitarios

El oxígeno medicinal es el gas más utilizado en el sector de la salud, siendo un elemento crítico en los establecimientos hospitalarios y ambulatorios. Es indispensable para el tratamiento de enfermedades respiratorias, en la oxigenoterapia para la corrección de deficiencias de oxígeno, la anestesia y la reanimación, donde es esencial para los respiradores en quirófanos y unidades de cuidados intensivos. Además, es crucial en el transporte de emergencias para asegurar un suministro continuo de oxígeno a los pacientes.

Aplicaciones farmacéuticas y biotecnológicas

El oxígeno de alta pureza se utiliza como reactivo en la síntesis de compuestos y principios activos en la fabricación de medicamentos. También es fundamental para el crecimiento celular y de microorganismos en los procesos de fermentación, que son esenciales en la producción de una gran variedad de productos biológicos y farmacéuticos.

Tratamiento de aguas

El oxígeno es vital para la optimización del tratamiento de aguas y efluentes. En los procesos biológicos, el aporte controlado de oxígeno optimiza la actividad de los microorganismos para una degradación más eficaz. Esto ocurre, por ejemplo, en biofiltros a través de plantas que transfieren oxígeno desde las hojas hasta la raíz, permitiendo la aireación en sus alrededores y favoreciendo la actividad de los microorganismos.
Es un gas igualmente importante en la digestión aerobia, un proceso de tratamiento de aguas residuales que se utiliza para tratar lodos activados residuales o una mezcla de lodos, ya que permite que los microorganismos presentes en los lodos conviertan la materia orgánica en dióxido de carbono y agua, y el amoníaco y los grupos amino en nitrógeno.
De igual modo, en los tratamientos químicos de aguas residuales, el oxígeno es un gas esencial en los procesos de oxidación avanzada (POA) que se utilizan para eliminar contaminantes complejos del agua.

Seguridad y precauciones

Riesgos en su manipulación

El oxígeno no es inflamable, pero es un poderoso comburente. Esto significa que, aunque no arde por sí solo, alimenta la combustión y puede hacer que materiales inflamables, como aceites o grasas, se enciendan o incluso exploten cuando entran en contacto con oxígeno a altas concentraciones. Por ello, la oxigeno-compatibilidad de los equipos y materiales es crucial para evitar accidentes.

Cuando se utiliza en estado líquido (criogénico), su extrema baja temperatura presenta riesgos de quemaduras por frío. Además, al pasar a estado gaseoso, el oxígeno líquido se expande significativamente, lo que puede causar un aumento de la presión en recipientes cerrados. Por esta razón, al ser suministrado en botellas de gas comprimido a alta presión, es fundamental manejarlos con precaución para evitar daños que puedan provocar una fuga o una rotura del recipiente, creando un riesgo de seguridad adicional.

Recomendaciones normativas en España

Para garantizar una manipulación segura, es vital seguir las normas de seguridad y las buenas prácticas de almacenamiento y manipulación. Estas incluyen la formación del personal, el uso de equipos de protección individual adecuados, la correcta ventilación de los espacios y la verificación regular de la integridad de los equipos y sistemas de almacenamiento, como botellas y tuberías.

Formación y soporte de Air Liquide

Air Liquide ofrece un servicio de soporte para garantizar una utilización segura de sus productos y proporciona bajo solicitud formación a colaboradores y responsables de seguridad sobre el uso y la manipulación correctos del oxígeno y sus equipos.

El oxígeno en la atmósfera y el medio ambiente

El oxígeno es un gas fundamental que constituye cerca del 21 % de la atmósfera terrestre. Aunque la atmósfera primitiva del planeta carecía de él, fue el proceso de la fotosíntesis, llevado a cabo por organismos como las cianobacterias, lo que permitió su acumulación gradual en un evento conocido como el Gran Evento de Oxigenación. Hoy en día, los océanos (a través del fitoplancton) y los bosques son los principales productores de oxígeno, que se mantiene en un equilibrio vital con otros gases como el dióxido de carbono en un ciclo biogeoquímico esencial para la vida.

Las alteraciones en los niveles de oxígeno, causadas por la industria o por el cambio climático, pueden tener efectos perjudiciales. En los ecosistemas acuáticos, una concentración de oxígeno disuelto (OD) demasiado baja (hipoxia) o demasiado alta (hiperoxigenación) puede provocar un desequilibrio ecológico y la creación de "zonas muertas". Además, las poderosas propiedades oxidantes del oxígeno, que alimentan la combustión, contribuyen a riesgos ambientales significativos. Los eventos de combustión descontrolada, como los incendios forestales o los accidentes industriales, liberan grandes volúmenes de emisiones nocivas a la atmósfera (como CO₂ y NOx), lo que afecta negativamente al clima y destruye hábitats.

Air Liquide en el corazón de la innovación del oxígeno

Air Liquide se posiciona como su socio estratégico, ofreciendo soluciones de gas, equipos y servicios precisamente adaptados a sus necesidades. Estamos profundamente comprometidos con la innovación, desarrollando continuamente tecnologías de vanguardia para mejorar la eficiencia de los procesos que utilizan el oxígeno y responder a los retos de la sostenibilidad.

Para responder al imperativo creciente de la sostenibilidad, Air Liquide propone el oxígeno con bajas emisiones de carbono ECO ORIGIN™, una solución innovadora para reducir la huella ambiental de sus operaciones. Producido a partir de fuentes 100 % renovables, el oxígeno ECO ORIGIN™ es una solución respetuosa con el medio ambiente y que se alinea perfectamente con los objetivos de descarbonización de los sectores industriales.

Gracias a nuestra experiencia inigualable y a nuestro saber hacer, estamos en una posición ideal para acompañarle en todas las etapas de desarrollo relacionadas con sus necesidades de oxígeno, ofreciéndole un apoyo a medida para sus sectores y aplicaciones específicas. Entre en contacto con nuestros expertos o visite nuestro sitio web para saber más sobre la molécula de oxígeno, o solicite un presupuesto.