Ossigeno (O₂): proprietà, produzione e applicazioni industriali

Sulla Terra, l'ossigeno è uno dei nostri elementi più presenti, costituendo circa il 21% dell'atmosfera del nostro pianeta. La maggior parte degli organismi viventi ne dipende per la respirazione, una reazione chimica chiave che produce la loro energia metabolica.

L'ossigeno ha diciassette isotopi conosciuti, di cui tre sono naturali e stabili: ¹⁶O, ¹⁷O e ¹⁸O, con il ¹⁶O che è il più abbondante nell'atmosfera terrestre (oltre il 99,7%). Mentre ¹⁷O e ¹⁸O sono meno comuni, la variazione della loro abbondanza relativa in campioni naturali è fondamentale in campi come la paleoclimatologia e la geochimica, fornendo indizi preziosi sulle condizioni ambientali passate. L'ossigeno possiede inoltre quattordici isotopi radioattivi, come ad esempio il ¹⁵O, prodotti artificialmente e utilizzati in applicazioni specialistiche, ad esempio nella tomografia a emissione di positroni (PET) in medicina, grazie alla loro breve emivita.

Gli allotropi dell’ossigeno

L'ossigeno, come altri elementi chimici, esiste in diverse forme allotropiche, ovvero diverse strutture fisiche in cui un elemento può presentarsi.

Tra queste, l'ossigeno atomico (O) è identificato dalla singola lettera O. Sebbene sia altamente reattivo e raramente presente liberamente in natura in condizioni normali (si trova in alte atmosfere o in ambienti specifici), è una delle forme in cui l'ossigeno può esistere.

Esiste sotto diverse forme allotropiche distinte:

• La più comune e vitale è la sua forma diatomica, l'ossigeno (O₂), che è una molecola composta da due atomi di ossigeno, anche conosciuta come diossigeno. È il gas che respiriamo quotidianamente e che è ampiamente utilizzato nell'industria.
• La sua forma triatomica, l'ozono (O₃), è una molecola composta da tre atomi di ossigeno. Oltre alla sua formazione naturale nello strato protettivo dell'atmosfera contro i raggi UV nocivi, l'ozono può essere anche prodotto artificialmente per vari scopi industriali, trovando applicazioni nella purificazione dell'acqua o nel trattamento delle acque reflue.
• La sua forma tetratomica, il tetraossigeno (O₄), anche conosciuto come ossozono, è un allotropo meno comune dell'ossigeno e può essere creato solo in laboratorio in condizioni estreme. A differenza dell'ozono, che è un allotropo naturale con ruoli atmosferici e applicazioni industriali consolidate, il tetraossigeno è una forma instabile e di interesse puramente scientifico, prodotta solo in laboratorio.

Disponibilità e produzione dell’ossigeno

Presenza in natura

L'ossigeno è un gas onnipresente e fondamentale. Come massa, è il terzo elemento più abbondante nell'universo, costituendo un componente chiave delle nubi cosmiche da cui si formano stelle e pianeti.

Sulla Terra, l'ossigeno è vitale, rappresentando circa il 21% dell'atmosfera. La sua presenza è continuamente rinnovata dalla fotosintesi, un potente processo naturale in cui piante e microrganismi convertono il diossido di carbonio in ossigeno sotto la luce solare. Questo ciclo è il motivo per cui foreste e oceani sono considerati i "polmoni" del nostro pianeta.

Metodi di produzione industriale

Per soddisfare i requisiti di purezza e i grandi volumi necessari in diverse applicazioni, l'ossigeno viene prodotto industrialmente con metodi sofisticati. I principali includono la separazione dell'aria, la distillazione criogenica e l'elettrolisi.

La distillazione criogenica è il metodo più diffuso. Il processo inizia con la compressione e il raffreddamento dell'aria, seguita dall'eliminazione di umidità e inquinanti. L'aria subisce poi un raffreddamento intenso per liquefarsi. In una colonna di distillazione, l'ossigeno viene separato dagli altri gas atmosferici a temperature estremamente basse. Azoto e ossigeno vengono quindi estratti nelle forme gassosa o liquida.

La tecnologia di adsorbimento modulato in pressione (PSA) offre un metodo di produzione flessibile e in loco, adatto per esigenze di volume specifiche. L'elettrolisi dell'acqua, che scompone l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica, è un altro metodo industriale impiegato, in particolare quando l'elettricità da fonti rinnovabili è disponibile.

Preparazione in laboratorio

L'ossigeno può anche essere preparato in laboratorio. Un metodo comune prevede la scomposizione del perossido di idrogeno liquido (acqua ossigenata) utilizzando il diossido di manganese come catalizzatore, processo che produce ossigeno e acqua. In alternativa, l'ossigeno gassoso può essere ottenuto dalla decomposizione termica del clorato di potassio, anch'esso spesso in presenza di diossido di manganese.

Modalità di fornitura

L'ossigeno è fornito in diverse forme per adattarsi alle esigenze del cliente. Per piccoli volumi, è disponibile sotto forma gassosa in bombole o pacchi bombole. Per volumi maggiori o per una fornitura continua, viene fornito in forma liquida e stoccato in serbatoi criogenici in loco (dewar o serbatoi di stoccaggio), oppure può essere prodotto direttamente sul posto tramite generatori dedicati.

Composti dell’ossigeno

I composti dell'ossigeno sono entità chimiche in cui l'ossigeno svolge un ruolo cruciale. Possono essere categorizzati in diversi tipi, inclusi ossidi, perossidi e idrossidi. Questi composti includono sostanze ampiamente conosciute come l'acqua e il diossido di carbonio, e vari composti organici. Ma l'ossigeno forma composti anche con metalli di transizione, come con alcuni elementi rari e persino con gas nobili come lo xeno.

Possiamo dividere gli ossidi in ossidi metallici, ad esempio l'ossido di ferro (ruggine) o l'ossido di alluminio, e ossidi non metallici, come il diossido di carbonio, gli ossidi di azoto, ecc. Possiamo anche parlare di composti organici, dove l'ossigeno è un componente importante di molte molecole organiche come: alcoli, eteri, acidi, amminoacidi, ecc.

Applicazioni dell’ossigeno

In diversi settori industriali, l'ossigeno di qualità industriale permette di ottimizzare l'efficienza di numerosi processi, riducendo così il fabbisogno energetico e le emissioni di diossido di carbonio. Ciò contribuisce significativamente al raggiungimento degli obiettivi di neutralità carbonica entro il 2050 e alla protezione dell'ambiente.

Settore medico e farmaceutico

L'ossigeno medicinale è il gas più ampiamente utilizzato nel settore della sanità, rappresentando un elemento critico negli ambienti ospedalieri e ambulatoriali per le cure respiratorie e il trattamento della carenza di ossigeno.

Il trattamento con ossigeno è indispensabile in diversi contesti medici:

• Ossigenoterapia: Per la correzione della carenza di ossigeno derivante da varie origini (come, spesso richiedendo una somministrazione a pressione normale o elevata.
• Anestesia e rianimazione: Essenziale per l'alimentazione dei respiratori nelle sale operatorie e nelle unità di terapia intensiva.
• Somministrazione di farmaci inalati: Utilizzato per la somministrazione tramite nebulizzatore di farmaci inalati.
• Emergenza e trasporto: Cruciale per il trasporto medico, assicurando un apporto continuo di ossigeno ai pazienti.
• Trattamenti specifici: Indicato per affezioni/disturbi come le fasi acute della cefalea a grappolo.

Inoltre, l'ossigeno svolge un ruolo chiave nell'industria farmaceutica:

• Come reagente nella sintesi di numerosi composti farmaceutici per creare la molecola medicinale desiderata.
• Per la crescita dei microrganismi e delle cellule nei processi di fermentazione, che sono utilizzati per produrre un'ampia gamma di prodotti farmaceutici come gli antibiotici, i biopolimeri e alcune vitamine.
• Nella composizione dei gas respiratori sterili, assicurando la qualità e la sicurezza dei prodotti nei processi di produzione di farmaci.

Settore alimentare

L'ossigeno è utilizzato in diverse applicazioni all'interno delle industrie alimentari, giocando un ruolo fondamentale nella qualità dei prodotti, nell'efficienza operativa e nella conformità ambientale.

• Confezionamento in atmosfera protettiva (MAP): L'ossigeno è essenziale per mantenere la qualità dei prodotti e prolungarne la durata di conservazione. Per esempio, aiuta a preservare il colore delle carni rosse e limita significativamente la crescita microbica, garantendo che i prodotti rimangano freschi e appetitosi più a lungo.
• Fermentazione ottimizzata: Per questo tipo di fermentazione, il controllo delle condizioni ambientali è indispensabile per una produzione ottimale e stabile degli ingredienti alimentari. L'ossigeno è fondamentale per la respirazione aerobica dei microrganismi utilizzati in questo processo. Il controllo preciso della concentrazione di ossigeno disciolto è la chiave per mantenere un ambiente ottimale per la crescita cellulare e l'attività metabolica, portando a una produzione di ingredienti efficace e coerente.

Industria manifatturiera e processi di base

In questo ampio settore, l'ossigeno è fondamentale per l'ottimizzazione e l'efficienza dei processi.

Metallurgia, saldatura e taglio termico

Nel settore della metallurgia, l'ossigeno gioca un ruolo fondamentale nella fusione dei metalli, nel riciclo, nella saldatura e nelle applicazioni di taglio. Arricchendo l'aria con ossigeno, o usando ossigeno puro, l'ossicombustione migliora significativamente l'efficienza termica riducendo al contempo il consumo di combustibili fossili e le emissioni di diossido di carbonio. Questa applicazione è particolarmente importante nell'industria metallurgica per la fusione e il riciclo dei metalli, portando a riduzioni dei costi e a un miglioramento delle performance. L'ossigeno, combinato con l'acetilene, è anche ampiamente usato nel processo di saldatura di diversi metalli come l'acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile e le leghe, o per il taglio ossiacetilenico. Questa combinazione permette un riscaldamento rapido e potente, contribuendo a migliorare l'efficienza e la rapidità delle tue attività.

Industrie chimica e petrolchimica

L'ossigeno industriale è fondamentale in molte operazioni chimiche e petrolchimiche. La sua versatilità e reattività lo rendono estremamente utile per la sintesi di un'ampia gamma di composti chimici. L'ossigeno è una risorsa preziosa per le attività di combustione, assicurando una combustione efficace e controllata dei carburanti. Ciò porta a una generazione di calore effettiva e alla produzione dei prodotti chimici desiderati, migliorando l'efficienza complessiva delle attività di combustione (ossicombustione). In quanto potente agente ossidante, l'ossigeno è cruciale nelle reazioni di ossidazione dove reagisce con altri elementi o composti per produrre nuove sostanze. Queste reazioni sono essenziali per trasformare le materie prime in prodotti finali di valore. Specificamente, l'ossigeno agisce come un ossidante nella produzione di prodotti chimici come l'ossido di etilene, l'ossido di propilene o il perossido di idrogeno, permettendo la creazione efficace di questi composti vitali. Inoltre, l'utilizzo dell'ossigeno nelle raffinerie petrolchimiche migliora significativamente i metodi di reforming degli idrocarburi e di ossidazione parziale. Ciò permette una produzione maggiore di carburante con emissioni ridotte, supportando sia la redditività che gli obiettivi ambientali.

Industria del vetro e della carta

Nelle industrie del vetro e della carta, l'ossigeno svolge un ruolo cruciale nel migliorare l'efficienza e nel ridurre l'impatto ambientale legato alle emissioni gassose.

• Industria del vetro: L'utilizzo dell'ossigeno ottimizza significativamente le operazioni di combustione (ossicombustione). Ciò porta a un uso più efficiente del combustibile e a una corrispondente riduzione delle emissioni di diossido di carbonio. Inoltre, minimizzando o eliminando l'azoto dalla reazione di combustione (quando si utilizza ossigeno puro), riduce efficacemente le emissioni di ossidi di azoto (NOx). Ne scaturiscono un'efficienza di produzione più elevata e un metodo meno impattante per l'ambiente rispetto agli approcci tradizionali.
• Industria cartaria: Nel settore della cellulosa e della carta, l'uso industriale dell'ossigeno è vitale. Svolge un ruolo significativo nello sbiancamento della cellulosa e nell'eliminazione della lignina tramite metodi meno nocivi rispetto alle tecniche abituali. Inoltre, l'ossigeno è essenziale nei processi di ossidazione degli effluenti delle industrie cartarie, contribuendo così a ridurre l'inquinamento complessivo causato da questo settore.

Settore ambientale e transizione energetica

L'utilizzo dell'ossigeno aiuta i diversi settori a provare e utilizzare soluzioni energetiche più verdi, supportando direttamente gli sforzi di decarbonizzazione e la produzione di energia sostenibile.

• Trattamento dell'acqua e delle acque reflue: Nell'industria alimentare (e in altri settori), l'ossigeno svolge un ruolo vitale nel trattamento delle acque reflue, in particolare durante la fase di trattamento biologico. L'ossigeno disciolto è cruciale per la degradazione della materia organica e per sostenere la crescita di microrganismi benefici, un processo conosciuto come aerazione o ossigenazione. L'ossigeno puro può migliorare significativamente l'efficacia del trattamento, ridurre i costi e ottimizzare l'attività microbica, portando a una migliore qualità degli effluenti. Nei trattamenti chimici, i processi di ossidazione avanzata (POA) utilizzano agenti ossidanti per eliminare i contaminanti difficili. L'ozono (O₃) e l'ossigeno (O₂) sono gas essenziali per questi POA.
• Captazione del CO₂ (CCS): L'ossigeno è essenziale nei processi di ossicombustione, che producono un flusso concentrato di CO₂ più facile ed economico da catturare e stoccare.
• Gassificazione del biogas: In questo processo, l'ossigeno reagisce con la biomassa o i rifiuti per produrre syngas, un precursore prezioso per carburanti e prodotti chimici rinnovabili.
• Produzione di idrogeno: L'ossigeno è anche vitale in diversi metodi di produzione di idrogeno pulito, un vettore energetico chiave per il futuro. Permettendo questi processi critici, l'ossigeno fornisce soluzioni concrete per ridurre l'impronta di carbonio delle industrie pesanti e sviluppare fonti di energia più pulite.

Impatto ambientale e biologico dell’ossigeno

Come abbiamo esplorato, l'ossigeno è un gas essenziale per la vita e il mantenimento di un ambiente sano, inclusi gli ecosistemi acquatici. Di conseguenza, comprendere i suoi impatti ambientali e saperlo gestire in modo responsabile è fondamentale.

Una concentrazione sufficiente di ossigeno disciolto (OD) nelle acque è essenziale per la sopravvivenza della maggior parte delle forme di vita acquatica, in particolare pesci, invertebrati, piante e microrganismi benefici che decompongono la materia organica. Mantenere livelli ottimali di OD è importante:

• Livelli eccessivamente bassi (ipossia) di ossigeno portano a uno squilibrio ecologico e a "zone morte".
• Livelli di ossigeno disciolto anormalmente elevati (iperossigenazione) possono anch'essi perturbare gli equilibri biologici o creare condizioni favorevoli a reazioni chimiche impreviste.

Una bassa o un'alta concentrazione di OD può impattare l'intero ecosistema terrestre, inclusi il ciclo del carbonio, il clima, ecc.

Oltre al suo ruolo negli ambienti acquatici, le potenti proprietà ossidanti dell'ossigeno contribuiscono a un rischio ambientale significativo: la combustione. Sebbene l'ossigeno stesso non bruci, la sua capacità di alimentare gli incendi significa che eventi di combustione incontrollata (ad esempio, incidenti industriali, grandi incendi boschivi) possono comportare gravi conseguenze ambientali. Queste includono il rilascio di grandi volumi di emissioni atmosferiche nocive (come CO₂, NOx e altre particelle) e un'estesa distruzione degli habitat. Di conseguenza, la sua gestione deve anche prendere in considerazione questi potenziali impatti ambientali più ampi.

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