Oxigénio: características, aplicações e impacto

Na Terra, é um dos nossos elementos mais vitais sendo que a maioria dos organismos vivos depende dele para a respiração.

Alótropos do oxigénio

O oxigénio existe em diversas formas alotrópicas, ou seja, em diferentes estruturas físicas:

• A forma mais comum e vital é o oxigénio diatómico (O₂) ou dioxigénio, uma molécula composta por dois átomos de oxigénio. Trata-se do gás que respiramos diariamente e é amplamente utilizado em diversos setores industriais.
• Por sua vez, o ozono (O₃), a forma triatómica do oxigénio, é uma molécula crucial por formar uma camada protetora na atmosfera contra os raios UV nocivos. O ozono também é produzido artificialmente para fins industriais, encontrando aplicações na purificação e no tratamento de águas residuais.
• Outros alótropos raros, como o tetraoxigénio (O₄), são formas instáveis e de interesse puramente científico, que podem ser criadas apenas em laboratório em condições extremas.

Origem e história do oxigéni

O oxigénio (O₂) é, em massa, o terceiro elemento mais abundante no universo (após o hidrogénio e o hélio) e é responsável por quase metade da crosta terrestre. A sua história é marcada por descobertas científicas fundamentais para o desenvolvimento da química e da medicina modernas, bem como pelo seu impacto industrial e tecnológico.

Apesar de Carl Wilhelm Scheele ter sido o primeiro a isolar uma amostra de oxigénio em 1773, Joseph Priestley também conseguiu isolá-lo de forma independente em 1774, ao aquecer óxido de mercúrio. No entanto, a descoberta deste gás foi atribuída a Antoine Lavoisier. Foi Lavoisier quem interpretou corretamente o papel do oxigénio na respiração e na combustão, o que levou à refutação da teoria do flogisto, que propunha que os materiais libertavam uma substância invisível e inodora (o flogisto) quando ardiam. Lavoisier mostrou que, na verdade, a combustão era a combinação de uma substância com o oxigénio presente no ar, resolvendo a incoerência de alguns materiais se tornarem mais pesados após a combustão. Ele notou ainda a sua tendência para formar ácidos, e por isso nomeou o elemento oxigénio (oxygène) a partir das palavras gregas "oxus" (ácido) e "grennan" (gerar).

Apesar do trabalho de Lavoisier ter estabelecido as bases da química moderna, a compreensão do oxigénio continuou a evoluir. No século XIX, o oxigénio passou a ser um elemento essencial nos processos de fabrico industrial, nomeadamente na produção de aço. No século XX, com o desenvolvimento da destilação criogénica, tornou-se possível produzir oxigénio a grande escala, o que permitiu a sua utilização em novas áreas, como a medicina (oxigenoterapia e anestesia), e em processos como a soldadura e o corte. Atualmente, o oxigénio continua a ser fundamental, com novas tecnologias a explorar o seu papel na transição energética e no tratamento de águas.

Propriedades químicas e físicas

Propriedades físicas

Em condições normais, o oxigénio é um gás incolor, inodoro e insípido. É ligeiramente mais pesado do que o ar e pouco solúvel em água. As suas propriedades físicas essenciais são:

• Ponto de fusão: -218.79°C
• Ponto de ebulição: -182.95°C
• Densidade (em condições normais): 1.429 kg/m³

Reatividade química e processos de oxidação

A natureza altamente reativa do oxigénio permite que os seus átomos se combinem facilmente com outros elementos, formando uma vasta gama de compostos essenciais. O oxigénio é o principal agente em inúmeros processos de oxidação, incluindo a combustão, que liberta energia sob a forma de calor e luz, e a corrosão, onde forma óxidos com metais, como o óxido de ferro (ferrugem). Esta reatividade é o que o torna um elemento fundamental em diversas reações químicas industriais e biológicas.

Isótopos naturais e a sua origem

O oxigénio possui dezassete isótopos conhecidos, dos quais três são naturais e estáveis: ¹⁶O, ¹⁷O e ¹⁸O. O isótopo ¹⁶O é o mais abundante na atmosfera terrestre (mais de 99,7%). Estes isótopos estáveis foram forjados no interior das estrelas, num processo de nucleossíntese estelar. Embora os isótopos ¹⁷O e ¹⁸O sejam menos comuns, a variação da sua abundância relativa em amostras naturais é fundamental em campos como a paleoclimatologia e a geoquímica, fornecendo pistas valiosas sobre as condições ambientais do passado. O oxigénio possui ainda catorze isótopos radioativos, produzidos artificialmente e utilizados em aplicações especializadas, como a tomografia por emissão de positrões (PET) em medicina.

Papel biológico do oxigénio

O oxigénio é fundamental para a vida na Terra. A maioria dos organismos vivos, desde microrganismos a animais, depende dele para a respiração celular, um processo químico chave que produz a sua energia metabólica. Este processo, conhecido como metabolismo aeróbio, é o que permite a sobrevivência da maioria das formas de vida complexas.

A sua presença na atmosfera é constantemente renovada pela fotossíntese, um poderoso processo de regeneração natural onde as plantas e outros tipos de microrganismos convertem o dióxido de carbono em oxigénio sob o efeito da luz solar. É este ciclo de produção e consumo que torna o oxigénio um pilar essencial para o suporte e a evolução de todos os organismos vivos do nosso planeta.

Presença na atmosfera e no planeta

No planeta Terra, o oxigénio constitui cerca de 21% da atmosfera do nosso planeta. Apesar da sua abundância natural, o oxigénio é, em massa, o terceiro elemento mais abundante no universo (após o hidrogénio e o hélio), sendo um componente importante das nuvens de gás e poeira. Contudo esta percentagem não foi sempre a mesma, há aproximadamente 4,5 mil milhões de anos, a atmosfera terrestre era composta basicamente por dióxido de carbono (CO2), metano e vapor de água. Foi através da fotossíntese que organismos como as cianobactérias começaram a libertar oxigénio num evento conhecido como o Grande Evento de Oxigenação. Esse oxigénio acumulou-se inicialmente nos oceanos e depois na atmosfera terrestre. O aumento dos níveis de oxigénio foi essencial para a evolução dos organismos aeróbicos e, eventualmente, de formas de vida multicelulares complexas, como as plantas e os animais.

Atualmente, os oceanos, através do fitoplâncton, e as florestas (biomassa), através das árvores e plantas, são os grandes produtores de oxigénio.

Produção industrial do oxigénio

Métodos de produção

Apesar da sua abundância natural, os diversos níveis de pureza e os grandes volumes de oxigénio exigidos para diversas aplicações requerem métodos de produção industrial sofisticados. Os principais incluem a destilação criogénica, que separa o oxigénio dos outros gases atmosféricos a temperaturas extremamente baixas. A produção começa com a compressão e o arrefecimento do ar, seguido da eliminação da humidade e dos poluentes. O ar é então intensamente arrefecido para o liquefazer. Numa coluna de destilação, o azoto e o oxigénio são separados e extraídos nas suas formas gasosa ou líquida.

Outras tecnologias, como a Adsorção por Oscilação de Pressão (PSA) ou a eletrólise da água, oferecem métodos de produção on-site que são flexíveis e adequados para necessidades de volume específicas, especialmente quando utilizada energia elétrica renovável.

Armazenamento e transporte

O oxigénio é fornecido em diversas formas para se adaptar às necessidades do cliente. Para pequenos volumes, está disponível sob a forma gasosa, em garrafas ou em quadros (conjunto de várias garrafas), em gás comprimido. Para necessidades de maiores volumes ou contínuas, é fornecido sob a forma líquida e armazenado on-site em tanques de líquido a granel.

Normas de qualidade e segurança

Cada setor, industrial ou medicinal, tem as suas próprias normas de qualidade e segurança, que devem ser seguidas de acordo com as regulamentações e os processos de produção. As gamas de oxigénio da Air Liquide são desenvolvidas para responder a estas exigências, garantindo que o gás fornecido se adapta perfeitamente às exigências e necessidades regulamentares, de produção e de aplicação, seja em termos de pureza (exigências de alta pureza, por exemplo) ou de outras características.

Aplicações do oxigénio

As aplicações do oxigénio são vastas e abrangem vários setores, incluindo o industrial e o medicinal.

Sectores industriais

O oxigénio de qualidade industrial é essencial para otimizar a eficiência de muitos processos, o que contribui para a redução do consumo de energia e das emissões de CO₂.

• Soldadura, metalurgia e produção química: é fundamental para a fusão e reciclagem de metais, para a soldadura e o corte térmico, e atua como um potente agente oxidante em processos de produção de compostos químicos como o óxido de etileno.
• Indústrias do vidro e da celulose: a oxicombustão na indústria do vidro aumenta a eficiência e reduz as emissões. No setor da celulose, o oxigénio é vital no branqueamento da celulose e na eliminação da lenhina.
• Tratamento de águas e transição energética: o oxigénio puro melhora a eficácia no tratamento de águas residuais e desempenha um papel crucial em processos como a captação de CO₂, a gaseificação do biogás e a produção de hidrogénio limpo. O oxigénio dissolvido é crucial para a degradação da matéria orgânica e para apoiar o crescimento de microrganismos benéficos, um processo conhecido como aeração ou oxigenação. O oxigénio puro pode melhorar significativamente a eficácia do tratamento, reduzir os custos e otimizar a atividade microbiana, levando a uma melhor qualidade dos efluentes.

Sector medicinal

O oxigénio medicinal é o gás mais amplamente utilizado no setor da saúde, sendo um elemento crítico em estabelecimentos hospitalares e ambulatórios para os cuidados respiratórios e o tratamento da deficiência em oxigénio. A sua utilização é indispensável em diversos contextos:

• Oxigenoterapia: para a correção da deficiência em oxigénio, que pode ter diversas origens.
• Anestesia e reanimação: essencial para o fornecimento de respiradores em blocos operatórios e unidades de cuidados intensivos.
• Urgência e transporte: crucial no transporte médico para assegurar um fornecimento contínuo aos pacientes.
• Outros usos: na administração de medicamentos inalados, tratamentos específicos (como em fases agudas de cefaleia em cacho) e na composição de gases respiratórios estéreis.

Pesquisas científicas e tecnológicas

O oxigénio puro ou ultrapuro é fundamental para as seguintes aplicações de laboratório:

• Instrumentos científicos de cromatografia em fase gasosa e deteção por ionização de chama (GC-FID) como gás de chama para evitar sinais de fundo e garantir a sensibilidade do detetor.
• Queimadores de laboratório como gás de chama para atingir as temperaturas muito elevadas necessárias para ensaios, experiências.

Uso recreativo e desportivo

• Altitude: usado por montanhistas para combater os efeitos da altitude onde o ar contém menos oxigénio;
• Mergulho: utilizado numa mistura com hélio para mergulho em profundidade, uma vez que facilita a respiração em locais onde a pressão torna o ar mais denso e difícil de inalar. Em mergulho técnico, é também usado para acelerar a eliminação do azoto acumulado nos tecidos, devido à exposição a pressões mais elevadas nas profundidades.

Segurança e precauções no uso do oxigénio

A gestão segura do oxigénio é essencial, pois a sua deficiência (hipoxia) ou o seu excesso (hiperoxia) podem ter efeitos prejudiciais, como insuficiência respiratória ou danos nos tecidos, especialmente nos pulmões.

Embora o oxigénio não seja inflamável, é um poderoso comburente, o que significa que alimenta a combustão e pode fazer com que materiais inflamáveis, como óleos ou gorduras, se incendeiem ou explodam quando em contacto com oxigénio a altas concentrações. Por isso, a oxigeno-compatibilidade dos equipamentos e materiais é crucial. Para além disso, o oxigénio pressurizado em garrafas pode, por si só, ser um risco de segurança. Se a garrafa for danificada ou aquecida em excesso, pode ocorrer uma explosão, e se houver vazamento em espaços fechados, o gás pode deslocar o ar respirável, alterando a composição do ar respirável.

De forma a minimizar estes riscos e garantir o manuseamento seguro do oxigénio, é vital seguir as normas de segurança e as Boas Práticas de armazenamento e manipulação. Estas incluem a formação dos colaboradores, o uso de equipamentos de proteção individual adequados, a correta ventilação dos espaços e a verificação regular da integridade dos equipamentos e sistemas de armazenamento, como garrafas e tubagens.

Sustentabilidade e desafios futuros

A evolução contínua das indústrias, combinada com as preocupações ambientais crescentes, reforça a necessidade de inovação. O oxigénio desempenha um papel crucial nesta transformação, permitindo a transição para soluções mais verdes e eficientes.

Redução do impacto ambiental da produção industrial

O crescente ênfase na sustentabilidade e o imperativo de atingir uma pegada carbónica neutra estimulam o desenvolvimento de processos ligados ao oxigénio mais sustentáveis e eficazes. Desta forma, cada vez mais estão a ser desenvolvidos métodos de produção com um impacto ambiental significativamente reduzido, frequentemente tirando partido de fontes de energia 100% renováveis.

Novas tecnologias para produção e uso eficiente do oxigénio

Na era da Indústria 4.0, tecnologias digitais avançadas como os sensores IoT, a monitorização em tempo real e a Inteligência Artificial (IA) são integradas para otimizar a utilização do oxigénio. Esta integração inteligente permite um meio de controlo preciso do consumo, uma manutenção preditiva e operações globalmente mais eficientes, melhorando a segurança e o desempenho das instalações industriais.

Papel do oxigénio no combate às alterações climáticas

O oxigénio ajuda diversos setores a explorar soluções energéticas mais verdes, apoiando diretamente os esforços de descarbonização:

• Captação de CO₂ (CCS): O oxigénio é essencial nos processos de oxicombustão, que produzem um fluxo concentrado de CO₂ mais fácil de capturar e armazenar.
• Gaseificação do biogás: Neste processo, o oxigénio reage com a biomassa ou os resíduos para produzir syngas, um precursor valioso para combustíveis e produtos químicos renováveis.
• Produção de hidrogénio: O oxigénio é vital em diversos métodos de produção de hidrogénio limpo, um vetor energético chave para o futuro.

Ao permitir estes processos críticos, o oxigénio fornece opções concretas para reduzir a pegada carbónica das indústrias pesadas e desenvolver fontes de energia mais limpas.

Air Liquide: um dos líderes mundiais em gases industriais e para a saúde

Enquanto um dos líderes mundiais em gases industriais e para a saúde, a Air Liquide posiciona-se como o seu parceiro estratégico, oferecendo soluções de gás, equipamentos e serviços precisamente adaptados às suas necessidades. Estamos profundamente empenhados na inovação, desenvolvendo continuamente tecnologias de vanguarda para melhorar a eficiência dos processos que utilizam o oxigénio e superar os desafios da sustentabilidade.

Para responder ao imperativo crescente de sustentabilidade, a Air Liquide propõe o oxigénio de baixo carbono ECO ORIGIN™, uma solução inovadora para reduzir a pegada ambiental das suas operações. Produzido a partir de energia elétrica 100% renovável, o oxigénio ECO ORIGIN™ é uma solução respeitadora do ambiente e que se alinha perfeitamente com os objetivos de descarbonização dos setores industriais.

Com mais de 100 anos de experiência e o nosso know-how, estamos idealmente posicionados para o acompanhar em todas as fases de desenvolvimento ligadas às suas necessidades em oxigénio, oferecendo-lhe um apoio à medida dos diferentes sectores e aplicações específicas.