El oxígeno molecular (O2) o dioxígeno es uno de los principales constituyentes de la atmósfera terrestre (~ 21%) . Se trata de una molécula compuesta por dos átomos de oxígeno que, en condiciones normales de presión y temperatura, es gaseosa. Una variedad alotrópica del oxígeno muy conocida es la formada por tres átomos, el ozono (O3), y que es el gas que protege a la tierra y a todos los seres vivos de la radiación ultravioleta procedente del sol.
El O2 es producido y liberado a la atmósfera por las bacterias fotosintéticas, las algas y las plantas mediante la fotosíntesis. Aunque en la tierra existen organismos, denominados anaeróbicos, cuya vida no depende de la existencia del oxígeno, su presencia es imprescindible para los organismos eucarióticos como los seres humanos, ya que su disminución provoca la hipoxemia y su falta total (anoxia) puede provocar la muerte del organismo. Pero la presencia de O2, aunque imprescindible para la vida, tiene un precio muy costoso para los organismo eucarióticos, ya que el oxígeno molecular es altamente reactivo, reaccionando fácilmente con otros compuestos dando lugar a sustancias potencialmente tóxicos o perjudiciales, como son los radicales libres.
Su alta reactividad se puede explicar fácilmente a la vista de su configuración electrónica1. La molécula de oxígeno tiene 16 electrones que puede ser colocados en orbitales moleculares para dar la siguiente configuración electrónica: (σ1s)2 (σ*1s)2 (σ2s)2 (σ*2s)2 (σ2p)2 (σ*2p)2 (π2p)4 (π*2p)2. Esta configuración electrónica explica la existencia de un doble enlace entre los dos átomos de oxígeno y que el orbital antienlazante π*2p está semiocupado. En su estado fundamental, el O2 se encuentra en un estado triplete (3Σ+g) y como consecuencia, el O2 es un bi-radical.
El O2 es producido y liberado a la atmósfera por las bacterias fotosintéticas, las algas y las plantas mediante la fotosíntesis. Aunque en la tierra existen organismos, denominados anaeróbicos, cuya vida no depende de la existencia del oxígeno, su presencia es imprescindible para los organismos eucarióticos como los seres humanos, ya que su disminución provoca la hipoxemia y su falta total (anoxia) puede provocar la muerte del organismo. Pero la presencia de O2, aunque imprescindible para la vida, tiene un precio muy costoso para los organismo eucarióticos, ya que el oxígeno molecular es altamente reactivo, reaccionando fácilmente con otros compuestos dando lugar a sustancias potencialmente tóxicos o perjudiciales, como son los radicales libres.
Su alta reactividad se puede explicar fácilmente a la vista de su configuración electrónica1. La molécula de oxígeno tiene 16 electrones que puede ser colocados en orbitales moleculares para dar la siguiente configuración electrónica: (σ1s)2 (σ*1s)2 (σ2s)2 (σ*2s)2 (σ2p)2 (σ*2p)2 (π2p)4 (π*2p)2. Esta configuración electrónica explica la existencia de un doble enlace entre los dos átomos de oxígeno y que el orbital antienlazante π*2p está semiocupado. En su estado fundamental, el O2 se encuentra en un estado triplete (3Σ+g) y como consecuencia, el O2 es un bi-radical.
Diagrama de orbitales moleculares del O2 mostrando el orbital 2π* doblemente degenerado
La presencia de estos dos electrones desapareados explican la naturaleza tan agresiva del O2, obligando a los organismos a buscar diferentes formas de protegerse mediante la inhibición de las reacciones con el oxígeno o con especies reactivas derivadas (reactive oxygen species, ROS) . Pero hay que estar relativamente tranquilos, ya que muchas de sus reacciones, incluso las termodinámicamente favorables, son relativamente lentas. Un ejemplo muy común lo podemos encontrar en la oxidación de los lípidos insaturados presentes en los alimentos como, por ejemplo, los aceites vegetales (oliva, maíz), cuya oxidación puede ser inapreciable durante días e incluso meses dependiendo de las condiciones ambientales.
1) Atkins, PW, Physical Chemistry, OUP
THE OXYGEN PARADOX: NECESSARY FOR LIFE BUT EXTREMELY DANGEROUS by Carlos Bravo Diaz, University of Vigo, Spain
Translated by Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brazil
Molecular oxygen (O2), or dioxygen, is a major constituent of the Earth's atmosphere (~ 21%). It is a molecule composed of two oxygen atoms which is, at normal temperature and pressure, a gas. A common allotrope of oxygen is formed from three atoms, ozone (O3), which is the gas that protects the earth and all living things from ultraviolet radiation from the sun.
O2 is produced and released into the atmosphere by photosynthetic bacteria, algae, and plants through photosynthesis. Although there are organisms on earth, called anaerobic, whose lives do not depend on the existence of oxygen, the presence of O2 is essential for eukaryotic organisms such as human beings, as its decrease causes hypoxemia and its total lack (anoxia) can cause death of the organism. But the presence of O2, although essential for life, has a very dear price for eukaryotic organisms since molecular oxygen is highly reactive, and readily reacts with other compounds resulting in potentially toxic or harmful substances such as free radicals.
Its high reactivity can be easily explained on the basis of its electron configuration.1 The oxygen molecule has 16 electrons that can be placed on molecular orbitals so as to provide the following electron configuration: (σ1s)2 (σ*1s)2 (σ2s)2 (σ*2s)2 (σ2p)2 (σ*2p)2 (π2p)4 (π*2p)2. This electron configuration explains the existence of a double bond between the two oxygen atoms, and the fact that the antibonding orbital π*2p is semi-occupied. In its ground state, O2 is in a triplet state (3Σ+g); therefore, O2 is a bi-radical.
O2 is produced and released into the atmosphere by photosynthetic bacteria, algae, and plants through photosynthesis. Although there are organisms on earth, called anaerobic, whose lives do not depend on the existence of oxygen, the presence of O2 is essential for eukaryotic organisms such as human beings, as its decrease causes hypoxemia and its total lack (anoxia) can cause death of the organism. But the presence of O2, although essential for life, has a very dear price for eukaryotic organisms since molecular oxygen is highly reactive, and readily reacts with other compounds resulting in potentially toxic or harmful substances such as free radicals.
Its high reactivity can be easily explained on the basis of its electron configuration.1 The oxygen molecule has 16 electrons that can be placed on molecular orbitals so as to provide the following electron configuration: (σ1s)2 (σ*1s)2 (σ2s)2 (σ*2s)2 (σ2p)2 (σ*2p)2 (π2p)4 (π*2p)2. This electron configuration explains the existence of a double bond between the two oxygen atoms, and the fact that the antibonding orbital π*2p is semi-occupied. In its ground state, O2 is in a triplet state (3Σ+g); therefore, O2 is a bi-radical.
O2 molecular orbital diagram showing the doubly degenerate 2π* orbital
The presence of those two unpaired electrons explains the aggressive nature of O2, forcing organisms to find different ways to protect themselves by inhibiting reactions with oxygen or with reactive oxygen species. But we can keep reasonably calm, as many of those reactions, even when thermodynamically favorable, are relatively slow. A common example can be found in the oxidation of unsaturated lipids in foods such as vegetable oils (olive, corn) whose oxidation can be very slow, requiring days or even months depending on environmental conditions.
Reference: 1) Atkins, PW, Physical Chemistry, OUP.
O PARADOXO DO OXIGÊNIO: NECESSÁRIO PARA A VIDA, MAS EXTREMAMENTE PERIGOSO por Carlos Bravo Díaz, Universidade de Vigo, Espanha
Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil
O oxigênio molecular (O2), ou dioxigênio, é um dos principais constituintes da atmosfera terrestre (~ 21%). Trata-se de uma molécula constituída por dois átomos de oxigênio que, em condições normais de temperatura e pressão, é um gás. O ozônio (O3), que é uma variedade alotrópica bastante conhecida do oxigênio formada por três átomos, é o gás que protege a Terra e todos os seres vivos da radiação ultravioleta do sol.
O O2 é produzido e liberado na atmosfera por bactérias fotossintéticas, algas e plantas através da fotossíntese. Embora existam organismos na terra, os chamados anaeróbicos, cuja vida não depende da presença do oxigênio, sua presença é imprescindível para os organismos eucarióticos, como os seres humanos, já que sua diminuição provoca hipoxemia e sua ausência (anoxia) pode provocar a morte do organismo. Mas a presença de O2, embora imprescindível à vida, tem um preço muito alto para os organismos eucarióticos, uma vez que o oxigênio molecular é altamente reativo, reagindo facilmente com outros compostos dando lugar a substâncias potencialmente tóxicas ou prejudiciais, como são os radicais livres.
Sua alta reatividade pode ser facilmente explicada com base em sua configuração electrônica1. A molécula de oxigênio tem 16 elétrons que podem ser colocados em orbitais moleculares para dar a seguinte configuração eletrônica: (σ1s)2 (σ*1s)2 (σ2s)2 (σ*2s)2 (σ2p)2 (σ*2p)2 (π2p)4 (π*2p)2. Esta configuração eletrônica explica a existência de uma ligação dupla entre os dois átomos de oxig&ecric;nio, e que o orbital antiligante π*2p é semicheio. Em seu estado fundamental, o O2 encontra-se em um estado tripleto (3Σ+g) e, como consequência, o O2 é um bi-radical.
O O2 é produzido e liberado na atmosfera por bactérias fotossintéticas, algas e plantas através da fotossíntese. Embora existam organismos na terra, os chamados anaeróbicos, cuja vida não depende da presença do oxigênio, sua presença é imprescindível para os organismos eucarióticos, como os seres humanos, já que sua diminuição provoca hipoxemia e sua ausência (anoxia) pode provocar a morte do organismo. Mas a presença de O2, embora imprescindível à vida, tem um preço muito alto para os organismos eucarióticos, uma vez que o oxigênio molecular é altamente reativo, reagindo facilmente com outros compostos dando lugar a substâncias potencialmente tóxicas ou prejudiciais, como são os radicais livres.
Sua alta reatividade pode ser facilmente explicada com base em sua configuração electrônica1. A molécula de oxigênio tem 16 elétrons que podem ser colocados em orbitais moleculares para dar a seguinte configuração eletrônica: (σ1s)2 (σ*1s)2 (σ2s)2 (σ*2s)2 (σ2p)2 (σ*2p)2 (π2p)4 (π*2p)2. Esta configuração eletrônica explica a existência de uma ligação dupla entre os dois átomos de oxig&ecric;nio, e que o orbital antiligante π*2p é semicheio. Em seu estado fundamental, o O2 encontra-se em um estado tripleto (3Σ+g) e, como consequência, o O2 é um bi-radical.
Diagrama de orbitais moleculares do O2 mostrando o orbital 2π* duplamente degenerado
A presença destes dois elétrons desemparelhados explica a natureza tão agressiva do O2, obrigando os organismos a procurar formas diferentes de se proteger mediante a inibição das reações com o oxigênio ou com espécies reativas derivadas (Reactive Oxygen Species: ROS). Mas podemos ficar relativamente calmos, já que muitas de suas reações, inclusive as termodinamicamente favoráveis, são relativamente lentas. Um exemplo comum pode ser encontrado na oxidação dos lipídios insaturados presentes em alimentos como óleos vegetais (oliva, milho), cuja oxidação pode demorar dias, ou mesmo meses, dependendo das condições ambientais.
Referência: 1) Atkins, PW, Physical Chemistry, OUP
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