l`ossigeno - IIS Lancia

L’OSSIGENO
L'ossigeno è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi, che ha come
simbolo O e come numero atomico 8. L'elemento si trova non solo sulla Terra ma in
tutto
l'universo.
L'ossigeno
termodinamicamente
libero,
instabile,
come
ma
lo
si
esiste
trova
sulla
grazie
Terra,
è
all'azione
della fotosintesi delle piante. L'ossigeno è l'elemento chimico più comune della crosta
terrestre rappresentandone circa il 47% della massa, mentre nell'atmosfera è in
percentuale del 21%. Assieme all'acqua e ai composti di carbonio è l'elemento che
permette la vita sulla Terra.
Disponibilità
L'ossigeno è l'elemento più abbondante della crosta terrestre, si stima che ammonti
al 46,7%. L'ossigeno forma l'87% degli oceani (in quanto componente dell'acqua,
H2O) e il 21% dell'atmosfera terrestre (come O2 o O3, ozono). I composti di ossigeno,
in particolare ossidi metallici, silicati e carbonati, si trovano comunemente nelle
rocce e nel terreno. I composti di ossigeno si trovano in tutto l’universo.
Composti
A causa della sua elettronegatività, l'ossigeno forma legami chimici con quasi tutti gli
altri elementi (e questa è l'origine della definizione di ossidazione). Gli unici elementi
che sfuggono l'ossidazione sono i gas nobili (tra cui elio, neon e argon).
L'ossigeno si lega in modi diversi a seconda dell'elemento e delle condizioni: crea
infatti ossidi, perossidi,superossidi o idrossidi. L'ossido più comune è il "monossido
d'idrogeno", che altro non è che l'acqua (H2O).
Molti metalli come il ferro si legano ad atomi di ossigeno, generando vari composti
come l'ossido di ferro(3+) (Fe2O3), comunemente chiamato ruggine.
Oltre alla molecola O2, l'ossigeno si può trovare in natura sotto forma di ozono (O3).
Il ciclo dell’ossigeno
L’ossigeno è presente: sotto forma di ossigeno molecolare, nell'acqua, in composti
inorganici (es. rocce) e organici. Di fondamentale importanza per il ciclo è l'ossigeno
atmosferico, ovvero ossigeno molecolare O2.
Esso viene prodotto dalla fotosintesi ossigenica (fotosingesi clorofilliana). Negli strati
alti dell'atmosfera parte dell'ossigeno si trasforma in ozono (O3) che, assorbendo
determinate lunghezze d'onda ad alta energia, dalla radiazione solare che arriva alla
terra, costituisce uno schermo protettivo per gli esseri viventi.
L'ossigeno viene consumato in attività biologiche e geologiche.
Queste
attività
comprendono
la respirazione,
l'alterazione
superficiale
delle
rocce affioranti, come l'ossidazione del ferro e di altri elementi, l'ossidazione dei gas
ridotti emessi
nell’atmosfera
da
eventi
naturali
(vulcanici)
o
dall’uomo,
la
combustione dei prodotti di origine organica.
La produzione: fotosingesi clorofilliana
La fotosintesi clorofilliana è un processo chimico grazie al quale le piante verdi
producono sostanze organiche, principalmente carboidrati , a partire dall'anidride
carbonica atmosferica e dall’acqua metabolica, in presenza di luce solare. Durante la
fotosintesi, con la mediazione della clorofilla, la luce solare permette di convertire sei
molecole di CO2 e sei molecole d'acqua in una molecola di glucosio(C6H12O6),
zucchero fondamentale per la vita della pianta. Come sottoprodotto della reazione si
producono sei molecole di ossigeno, che la pianta libera nell'atmosfera attraverso
gli stomi.
La fotosintesi clorofilliana è l'unico processo biologicamente importante in grado di
raccogliere l'energia solare, da cui, fondamentalmente, dipende la vita sulla Terra.
La quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è immensa, dell'ordine dei
100 terawatt, che è circa sei volte quanto consuma attualmente la civiltà umana.
Oltre che dell'energia, la fotosintesi è anche la fonte di carbonio organico primario di
cui
necessitano
gli
organismi
viventi.
La
fotosintesi
trasforma
circa 115 · 109 chilogrammi di carbonio atmosferico inorganico in biomassa ogni
anno.
6 CO2 (Anidride carbonica) + 6 H2O (Acqua) + Luce → C6H12O6 (Glucosio) + 6
O2 (Ossigeno)
Il consumo: 1 - La respirazione
La respirazione è un processo di ossidoriduzione nel quale molecole organiche ricche
di energia reagiscono con molecole di O2. Il glucosio è il principale combustibile per
la maggior parte degli organismi.
Il bilancio generale della respirazione può essere riassunto dall'equazione:
con ∆G = - 686 kcal/mole di glucosio
C6H12O6 + 6 O2 = 6 H2O + 6 CO2
La respirazione avviene in diversi stadi. L’ossigeno viene catturato a livello polmonare
dall’aria e trasportato nelle cellule dall’emoglobina, un composto dei globuli rossi del
sangue contenente ferro in grado di legarsi con l’ossigeno. La respirazione è il
processo vitale attraverso cui la quasi totalità degli esseri viventi riesce a procurarsi
l’energia necessaria per la vita.
Il consumo: 2 - La combustione
La combustione è
un combustibile da
una reazione
parte
di
chimica che
un comburente (che
comporta
in
genere
l'ossidazione di
è
rappresentato
dall'ossigeno), con sviluppo di calore e radiazioni elettromagnetiche, tra cui spesso
anche radiazioni luminose (fuoco), con rilascio di energia e formazione di nuovi
composti, principalmente anidride carbonica e acqua.
I tre elementi che sono necessari allo svolgersi della reazione di combustione sono:

combustibile

comburente

temperatura
Il combustibile può essere di vario tipo, per esempio: idrocarburi, legname o carbone.
Il
comburente
per
eccellenza
è
l'ossigeno
presente
nell'aria.
Il combustibile e il comburente devono essere in proporzioni adeguate perché la
combustione abbia luogo (campo d'infiammabilità).
La reazione tra il combustibile e il comburente non è spontanea ma è necessaria
un’energia di attivazione della reazione, che in seguito sprigiona il calore necessario
per il mantenimento del livello termico grazie al quale avviene la piroscissione del
combustibile. L'innesco può essere rappresentato per esempio da una fonte di calore
o da una scintilla. L'innesco rappresenta tale energia di attivazione necessaria alle
molecole di reagenti per iniziare la reazione e deve essere fornita dall'esterno. In
seguito
l'energia
rilasciata
dalla
reazione
stessa
l'autosostentamento, senza ulteriori apporti energetici esterni.
ne
rende
possibile
Per poter accelerare la combustione si può adoperare una turbolenza, la quale
aumenta
il
mescolamento
tra
combustibile
e
comburente,
velocizzando
la
combustione.
Mancando uno degli elementi si estingue. Spegnere un incendio è infatti possibile per
sottrazione (esaurimento o allontanamento) del combustibile, per soffocamento
(separazione dell'ossigeno/comburente per mezzo di una sostanza coprente) o per
raffreddamento (fermando la reazione a catena di autosostentamento dell'innesco).
Se la combustione avviene in difetto di aria, può accadere che oltre all’anidride
carbonica si formi anche una certa quantità di ossido di carbonio (CO) che rende
estremamente
tossico
l’ambiente.
Ecco il motivo per cui bisogna bruciare questi combustibili in buone condizioni di
ventilazione. L’ossido di carbonio, infatti, si lega all’emoglobina (addetta al trasporto
dell’ossigeno) 200 volte più velocemente dell’ossigeno stesso, ed in modo
praticamente irreversibile. L’ossido di carbonio è soltanto una delle centinaia di
molecole tossiche che si sviluppano nelle condizioni di combustione durante il fumo
di sigarette o di altri prodotti a base di tabacco, e costituisce uno dei principali
inibitori del processo di ossigenazione delle cellule in generale, e delle cellule
cerebrali in particolare.
Il consumo: 3 – L’ossidazione delle sostanze inorganiche – la corrosione
L’ossidazione delle sostanze inorganiche avviene continuamente in natura ogni
qualvolta una sostanza in grado di ossidarsi viene esposta all’aria. Vengono quindi
continuamente ossidati minerali affioranti all’aria (prima protetti dagli strati
superficiali, per esempio in seguito ad eruzioni vulcaniche) e metalli esposti all’aria.
Nel caso dei metalli, la reazione di ossidazione prende il nome di corrosione.
Il termine corrosione indica un processo di consumazione lenta e continua di
un materiale, che ha come conseguenze il peggioramento delle caratteristiche del
materiale coinvolto.
Possono essere coinvolti da tale fenomeno molte tipologie di materiali, sebbene il
termine "corrosione" venga comunemente associato ai materiali metallici (cioè
i metalli e le loro leghe).
A seconda del meccanismo con cui avviene la corrosione, si parla di:

corrosione per attacco diretto (o corrosione chimica): se il materiale metallico è
attaccato da particolari sostanze chimiche in presenza di acqua (sotto forma di
acqua liquida o di vapore acqueo); un esempio di corrosione per attacco diretto è
la corrosione dei materiali metallici esposti all'aria, denominata corrosione
atmosferica;

corrosione elettrochimica: se la corrosione avviene tra due parti metalliche poste
a contatto; se i metalli posti a contatto sono di natura differente, si parla in
particolare di corrosione galvanica.
Gli esempi tipici di corrosione sono la ruggine del ferro, la colorazione verde del
rame o opaca dell’alluminio (si tratta in questo caso di una ossidazione passivante: la
patina di ossido che si forma impedisce l’ulteriore corrosione perché l’ossigeno non
riesce a raggiungere gli strati sottostanti).
Tossicità
Occorre ricordare che l'ossigeno è fra i componenti più aggressivi e tossici esistenti
in natura. Tale sua caratteristica deriva dalla sua instabilità che lo porta a legarsi a
quasi tutti i composti. La compatibilità con la vita in sua presenza è legata alla
possibilità di adoperarlo come prezioso e potente reagente (è letteralmente un pozzo
di elettroni) senza esserne danneggiati.
Il meccanismo dei viventi aerobi è quello di avere strutture metaboliche che ne
neutralizzino gli effetti dannosi.
Un'esposizione prolungata all'ossigeno puro ad alte pressioni parziali è tossica, dato
che supera i livelli di neutralizzazione, e può provocare, a seconda della pressione e
del tempo di esposizione, conseguenze a livello polmonare e neurologico. Gli
effetti polmonari includono
perdita
di
capacità
e
danni
ai tessuti.
Gli
effetti
neurologici possono comprendere convulsioni, cecità e coma.
L'ossigeno, abbiamo visto, è alla base della vita sia animale che vegetale è il nutriente
più importante per ogni cellula, ma l'ossigeno è anche chimicamente reattivo ed in
grado di ossidare le molecole vicine con conseguente danno cellulare. Il processo di
ossidazione che si instaura per generare energia vitale, infatti, forma anche delle
molecole instabili dette radicali liberi, molecole reattive, che provocano danni al
tessuto delle cellule, responsabili del processo di invecchiamento cellulare e di
invecchiamento generale. Essi innescano una serie di reazioni a catena che tendono a
formare altri radicali liberi, in un processo ossidativo che sviluppa una reazione a
catena.
Una grande quantità di radicali liberi si forma anche dalla combustione, in
particolare dal fumo di sigarette, dalla combustione dei derivati del petrolio
che
creano i gas di scarico, dalla frittura, dalla cottura alla brace dei cibi. Nei normali
processi chimici del nostro organismo, intervengono gli antiossidanti che sono in
grado
di
spegnere
le reazioni
a
catena
dei
radicali
liberi,
catturandoli
e
neutralizzandoli. Gli antiossidanti che svolgono un ruolo primario sono la vitamina C,
la Vitamina A, la Vitamina E, il beta-carotene, e altre sostanze presenti soprattutto
nella frutta e nella verdura, riconoscibili dal colore (molti pigmenti che danno la
colorazione tipica agli alimenti sono anche antiossidanti), ma anche in altri alimenti
di origine animale.
L’ozono
L'ozono O3, molecola triatomica dell'ossigeno, pur costituendo solo 1 ppm (una
parte per milione) dei gas dell'atmosfera, è l'unico in grado di assorbire le radiazioni
ultraviolette di lunghezza d'onda tra 200 e 300 nm provenienti dal sole, impedendo
loro di raggiungere la superficie terrestre.
In questo modo esso assume un ruolo fondamentale di protezione, rendendo
possibile la sopravvivenza delle specie viventi, che sarebbero pesantemente
danneggiate da queste radiazioni ad alta energia. La sua quantità varia con
l'altitudine e arriva ad un massimo di 12 ppm (parti per milione) a 30 Km di quota.
Nella stratosfera, quindi, si concentra il 90% dell'ozono atmosferico. L'equilibrio tra
le reazioni di formazione e distruzione dell'ozono governa la quantità di questo gas
presente nella stratosfera.
L'ozono stratosferico si forma quando una molecola di ossigeno assorbe radiazioni
ultraviolette che
ossigeno):
la
scindono
in
due
atomi
di
ossigeno
(detti
radicale
O2 + hv  2 O
Ciascun atomo si combina poi con un'altra molecola di ossigeno formando
ozono: O2
+ O  O3
L'ozono assorbe radiazioni ultraviolette che lo dissociano nuovamente in ossigeno
molecolare e ossigeno atomico:
O3 + hv O2
+O
L'atomo di ossigeno liberato si può unire ancora ad un'altra molecola di ossigeno
riformando ozono. Il gas continua a dissociarsi e a riformarsi molte volte in questo
modo, finché entra in collisione con un atomo libero di ossigeno, formando due
molecole di ossigeno stabili:
O
+ O  O2
In condizioni normali il risultato netto del processo è che la quantità di ozono si
stabilizza in uno stato stazionario nel quale la velocità di formazione corrisponde
esattamente alla velocità di distruzione.
La scoperta che la Terra possiede uno strato di ozono nelle parti più “alte”
dell’atmosfera (stratosfera) è abbastanza recente e risale alla metà dello scorso
secolo. La scoperta che tale strato presenta un assottigliamento marcato sopra le
aree polari è ancora più recente e avviene grazie alle prime misurazioni effettuate nel
1974. Dal 1982 si è cominciato a studiare e misurare il fenomeno fino a scoprire nel
1985 che l’assottigliamento dello strato di ozono sopra le regioni polari aumentava di
anno in anno (fenomeno rinominato comunemente “buco dell’ozono”), i governi
mondiali riconobbero il bisogno di adottare misure per ridurre la produzione e il
consumo
dei gas Clorofluorocarburi (CFC)
ritenuti
responsabili
dell’aumentare
dell’assottigliamento dell’ozono (catturatori di radicali ossigeno O).
Rispetto alle dimensioni massime raggiunte, il buco dell'ozono si è ridotto al polo sud
nel 2011. Purtroppo le cose vanno meno bene a nord. Sull'Artico a inizio 2011 c'è
stata un'inaspettata perdita di ozono con un calo del 40% tra l'inizio dello scorso
inverno e la fine di marzo a conferma che, nonostante la messa al bando dei CFC
risalga a oltre vent'anni fa, la lunga vita di questi gas condiziona e condizionerà
ancora a lungo lo strato di ozono.