OBTENCION DE OXIGENO En la industria: Licuación del Aire Este método fue ideado a principios de siglo xx por Carl von Linde, quien empleo por primera vez el efecto Joule ± Thompsom para licuar el aire en ciclo industrial. Linde no fue el primero en licuar el aire: Gailletet, Pictet, Dewar y Onnes ya habían logrado liquidarlo, pero si lo fue en darse cuenta de las consecuencias comerciales de la licuación del gas y en desarrollar un ciclo continuo de operación. El proceso de licuación del aire se realiza mediante el procedimiento de Linde el cual conlleva tres procesos primarios. 1.) Refrigeración del aire hasta conseguir su licuación. 2.) Purificación del aire y 3.) Separación de los diferentes gases utilizando para ello sus diferencias en el punto de ebullición.
Compresión y refrigeración: El aire entra en el sistema por unas aberturas y se filtra
previamente para eliminar el polvo y otras impurezas, y acto seguido el aire filtrado penetra en le primero de los cuatro compartimentos de compresión e intercambio de calor. Los compresores elevan la presión hasta 100 kgs./cm2 en cuatro fases. Entre estas fases de compresión existen unos refrigerantes que emplean agua para enfriar la mezcla comprimida (aire) a unos 20ºC, habiendo además en cada unidad de compresión un sistema de eliminación del agua condensada. A partir del sistema de los cuatro compresores el aire fluye a través de un refrigerante a un dispositivo que eleva la presión a 140 kgs/cm2, aumentándose por dicha compresión la temperatura, y entonces se hace pasar al aire por un nuevo refrigerador que lo enfría a 20ºC. En la etapa siguiente se hace pasar el aire por un sistema refrigerador (sistema de compresión expansión de un gas: antiguamente se utilizó amoniaco liquido, luego freones y ahora se están utilizando otros gases sin efecto en la capa de ozono... amoníaco (otra vez), fluocarbonos libres de cloro, hidrocarburos,...) y a continuación sobre un secador-refrigerador para disminuir aún más la temperatura y eliminar las últimas trazas de agua. La presión del aire al abandonar esta parte continua siendo de 140 kg/cm2, pero la temperatura ya ha descendido a -40ºC. Ahora la mitad del aire pasa ahora por un refrigerador a contracorriente, enfriado por el nitrógeno residual que proviene de la parte superior de la columna de rectificación. El aire sale aún a 140 kg/cm2 pero su temperatura se ha reducido a -145ºC. Ahora el aire pasa a través de una válvula de expansión que reduce la presión a 6 kg/cm2 y hace descender la temperatura a -170ºC. Ahora el aire, licuado parcialmente entra en el purificador y burbujea a través del líquido eliminando el dióxido de carbono y los hidrocarburos solidificados, y ya de allí pasa a la columna más baja. Una vez licuado el aire se rectifica en sus correspondientes columnas, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de los componentes del aire. Así como el nitrógeno tiene un punto de ebullición de -195,56ºC a la presión atmosférica y el del oxígeno - 105,44 ºC cuando el vapor de aire burbujea a través del aire liquido, el nitrógeno tiende a vaporizarse, mientras que el oxígeno permanece liquido, o sea< que el nitrógeno se vaporiza del liquido produciéndose éste en N y en cambio se enriquece en oxígeno. Un método químico es el llamado método de Lavoisier el que consiste en el calentamiento de mercurio se oxida a 360° y luego se descompone el óxido. Hg + O
HgO
En la industria se emplea el método de Boussingault, el cual consiste en el calentamiento de barita u óxido de bario (BaO) que se calienta al aire, al rojo naciente (400° aprox.), combinándose con el Oxigeno para formar bióxido de bario. BaO + O
BaO2
Calentando en seguida el bióxido de bario hacia 800°; se disocia en barita y oxígeno por la reacción inversa.
BaO2
BaO + O
Teóricamente la barita puede servir indefinidamente pero en la práctica esto no sucede ya que el gas carbónico contenido en el aire produce carbonato de bario y por esto se debe renovar la barita periódicamente.
Electrolisis del Agua Se puede obtener oxígeno a partir de la electrólisis de agua alcalinizada con un 10 o 15% de NaOH. Los electrodos son de hierro. Todo se produce como si el agua estuviese descompuesta, y se recoge el oxígeno en el electrodo positivo y el hidrogeno en el electrodo negativo.
En el laboratorio: Se descompone el agua oxigenada en presencia de un catalizador; se utiliza generalmente el bióxido de manganeso: MnO2. H2O2
H2 O + O
En lugar de utilizar H2O2, se puede utilizar el compuesto metálico correspondiente: Na2O2 ó K 2O2 Estos compuestos son destruidos por el agua: H2O + K 2O2
2KOH + O
Se puede obtener oxígeno por calcinación de bióxido de manganeso y Clorato de potasio. 3MnO2
Mn3O4 + O2
ClO3K
KCl + 3O
Realmente no se descompone el clorato de potasio completamente sino hasta una temperatura mucho mas elevada a una temperatura moderada la ecuación correspondiente es la siguiente: 2ClO3K
ClO4K + KCl + O2
Para evitar este inconveniente generalmente se mezcla el clorato de potasio con bióxido de manganeso, en el cual el oxígeno se fija primero y luego inmediatamente lo abandona según las reacciones inversas: 2MnO2 + 3O Mn2O7
Mn2O7
2MnO2 + 3O
Llena una cuarta parte de un tubo de ensayo con una mezcla de clorato potásico y bióxido de manganeso (cinco partes de clorato por cada una de bióxido) o bien lo haces con permanganato potásico. Coloca un tapón atravesado por un tubo de desprendimiento acodado como se ve en la figura; calientas el tubo comenzando por la parte superior de la mezcla y recoges el gas producido por deslazamiento de agua en unos frascos que tendrás dispuestos al comenzar la experiencia. Si el producto que utilizas es permanganato, podrías disolver una pizca con agua en un tubo de ensayo al principio y otra pizca en otro tubo cuando des por agotado el producto. Compara el color en cada caso. Guarda los frascos con oxígeno que obtengas debidamente tapados para utilizarlos en sucesivas experiencias.
O IEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
PR P
O OXÍGENO Peso atómico Estados oxidación Punto de fusión Punto de ebullición
8 15,9994 g/mol -2 54,8 K (-218,35 ºC) 90,188 K (-183 ºC)
Densidad Configuración electrónica Propiedades ácido/base Estructura cristal Electronegatividad Calor de vaporización Calor de fusión Conductividad eléctrica Conductividad térmica Calor específico Primer potencial ionización Volumen atómico Radio atómico Radio covalente Sintético
1,429 (Gas 273K g/l) 1s2 2s2 p4 -Cúbico 3,44 3,4109 kJ/mol 0,222 kJ/mol -0,2674 Wm-¹K -¹ (a 300 K) 0,92 Jg-¹K -¹ (a 300 K) 13,618 14,0 cm³/mol 0,65 Å 0,73 Å No
ropiedades físicas
P
A T ambiente es un gas incoloro, inodoro e insípido. En estado líquido es azul claro y sólido azul pálido. Poco soluble en agua pero lo suficiente para la vida acuática. En disolvente orgánicos muy soluble.
ropiedades quí micas
P
El oxígeno pude intervenir en reacciones químicas como: y
Como oxígeno atómico (O): requiere la disociación previa de O2 que es muy estable. Se puede conseguir mediante descarga eléctrica o irradiando con radiaciones de 1900 Å.
La recombinación de O atómico es catalizada por superficies que absorben la energía producida. Como oxígeno atómico puede: o
Ceder uno o más e- para formar un ión positivo. EI elevado.
o
o
Tomar uno o más e- para formar un ion negativo. AE baja. Toma 2 e- para alcanzar la configuración de gas noble. La mayor parte de los óxidos metálicos son iónicos. El ión O2- es una base fuerte de Brönsted por lo que da carácter básico al medio al reaccionar con el agua. Compartir electrones, formando el ión subperóxido (O2-) que es paramagnético y el ión peróxido (O22-) que es diamagnético.
Como oxígeno molecular (O2).
y
Reacciones del oxígeno Reacciones exotérmica. Velocidad de reacción baja por la elevada energía de enlace. y
y
Reacciones directas: con todos los elementos excepto halógenos, nitrógeno y gases nobles. Con el carbón produce combustión espontánea. La afinidad de los elementos químicos con el oxígeno es inversa a su electronegatividad. El oxígeno atómico es más reactivo.
Reacciones en medio acuoso: Es oxidante. Su poder depende del medio, a mayor pH, menor carácter oxidante.
APLICACIONES Quí micos El Oxígeno se utiliza para mejorar el rendimiento de un amplio número de procesos petroquímicos. El Oxígeno puro puede utilizarse en reacciones químicas de oxidación como la producción del Óxido de Etileno (OE). Óxido de Propileno (OP), Dicloruro de Etileno (EDC), Acetato de Vinilo monómero (AcV), Dióxido de Titanio (TiO2), Sulfato Férrico y también para el desatasco de procesos basados en aire como los de la producción de Acrilonitrilo y ácido ftálico purificado (PTA). O2 También se utiliza en la producción de gas de síntesis (H2/CO).
Farmacéutica
El Oxígeno se utiliza en síntesis química, para enriquecer el aire durante la fermentación, para el tratamiento de aguas residuales y para el sellado con llama de ampollas de vidrio (productos finales)
Alimentos y bebidas Utilizado en piscifactorías en inyección de gas (oxigenación) y en la creación de atmósferas modificadas para envasado de carnes. Vidrio, Cemento y Cal Principalmente utilizado para la fundición del vidrio y en general para todo proceso de oxicombustión.
Medicinal Utilizado para los tratamientos insuficiencias respiratorias
Industria de los metales El oxígeno es utilizado en la industria del hierro y del acero (descarburación de la fundición para producir el acero y para enriquecer el aire de los altos hornos), como también para la producción de metales no ferrosos, segunda fusión, etc.
Laboratorios & análisis El oxígeno se utiliza en las mezclas de gases de calibración para la industria petroquímica; monitorización de emisiones ambientales, control de higiene industrial, y traza de impurezas en analizadores. El Oxígeno es utilizado en bombas calorimétricas para medir el PCI de hidrocarburos o carbón y en reacciones de oxidación.
Soldadura, Corte y R ecubrimiento En asociación con acetileno o GPL, el oxígeno permite l'oxygène permet aumentar la intensidad de las propiedades de las llamas del soplete y de los quemadores (temperatura, potencia específica de la llama). El segundo rol del oxígeno es proveer de un jet de corte efectivo para el oxicorte de aceros y carbono (en aleación o no).
etróleo y gas
P
El oxígeno es utilizado para enriquecer la regeneración del aire en unidades de craqueo catalítico de fluidos (FCC) (justamente en concentraciones mayores al 28% de O2).
ulpa y papel
P
Blanqueo ecológico de la pasta papel: El oxígeno es utilizado principalmente en la etapa de delignificación, O2 interviene también en la dosificación durante el transcurso de las operaciones de blanqueo como la extracción alcalina (Eo), en la oxidación de líquidos blancos y negros, en la producción y combustión de licores de polisulfuros (hornos de calentamiento, dosificación de calderas). El oxígeno es utilizado en el tratamiento de los efluentes como precursor del ozono.
Electrónica El oxígeno ultra puro es usado para la oxidación activa de ciertos materiales; tales como el Si o el SiO2 o para la oxidación superficial para la deposición de películas de vapores químicos. O2 es además utilizado; para la fabricación de ozono en la oxidación o limpieza.
Espacio y Aeronáutica El oxígeno es utilizado en forma líquida en el ergol para la propulsión de etapas criogénicas del cohete Ariane.
Ambiental En base biológica, el oxígeno incrementa el tratamiento de los efluentes de agua (BOD, barro, olores, energía). El oxígeno también mejora el tratamiento del agua, minimizando de barros generados.
Otras industrias Purificación biológica del agua, incineración limpia de desechos, síntesis del ozono
ACCION FISIOLOGICA Efectos del Oxígeno sobre la salud Todo ser humano necesita oxígeno para respirar, pero como ocurre con muchas sustancias un exceso de oxígeno no es bueno. Si uno se expone a grandes cantidades de oxígeno durante mucho tiempo, se pueden producir daños en los pulmones. Respirar un 50-100% de oxígeno a presión normal durante un periodo prolongado provoca daños en los pulmones. Las personas que en su trabajo sufren exposiciones frecuentes o potencialmente elevadas a oxígeno puro, deben hacerse un chequeo de funcionamiento pulmonar antes y después de desempeñar ese trabajo. El oxígeno es normalmente almacenado a temperaturas muy bajas y por lo tanto se deben usar ropas especiales para prevenir la congelación de los tejidos corporales. En el cuerpo humano representa un 60% y se encuentra en todos los tejidos vivos.
El oxígeno del aire es necesario para la combustión y la respiración, por ello, por ser un gas esencial para la vida humana, debe estar disponible para todos los individuos. Su falta es asimilable a la carencia de alimento o agua, por lo tanto es administrado a personas con problemas respiratorios y también a las personas que vuelan a altitudes elevadas, donde la baja concentración de oxígeno no permite la respiración normal.
