Ossigeno (O) ed acqua

In che modo ed in che forma l'ossigeno reagisce con l'acqua?

L'ossigeno gassoso non reagisce con l'acqua. E' solubile nell'acqua e funziona come ossidatore:

O₂ + 2 H₂O + 4 e^- -> 4 OH^-

L'ossigeno può ossidare la materia organica, e questo è principalmente un processo biologico. Ogni composto biologico ha un meccanismo di reazione che può essere descritto con un bilancio elettronico. Alcuni esempi sono riportati qui di seguito (con esclusione dell'H2O):

Fe²⁺ + 0,25 O₂ -> Fe(OH)₃ + 2,5 H⁺
Mn²⁺ + O₂ -> MnO₂ + 2 H⁺
NH₄⁺ + 2 O₂ -> NO₃^- + 6 H⁺
CH₄ + 2 O₂ -> CO₂ + 4 H⁺

Questi meccanismi mostrano che ammonio e metano usano elevate quantità di ossigeno, e le reazioni di ossidazione risultanti formano maggiori o minori quantità di acido. In condizioni normali l'acido presente nell'acqua reagisce con l'HCO₃^- formando CO₂.
L'atomo di ossigeno è molto reattivo e vortualmente forma ossidi con altri elementi, con l'eccezione di elio, neon, argon e krypton. Ci sono anche elevate quantità di composti che reagiscono con l'acqua.

Solubilità di ossigeno e composti di ossigeno

La solubilità dell'ossigeno a 25°C ed alla pressione di 1 bar è 40 mg/L. Nell'aria avente composizione normale la pressione parziale dell'ossigeno è 0.2 atm, il che risulta in una dissoluzione di 40 ^. 0.2 = 8 mg O₂/L nell'acqua che entra in contatto con l'aria.
La solubilità dell'ossigeno è fortemente dipendente dalla temperatura e diminuisce ad elevate temperature. La solubilità dell'ossigeno è negativamente correlata alla quantità di solidi dissolti. Ne segue che la solubilià dell'ossigeno nell'acqua dolce supera quella dell'acqua marina di 1-3 mg/L, a seconda della temperatura.
La costante saturazione in fiumi e laghi in aree montagnose è solitamente più bassa che nelle pianure, in quanto dipende dalla pressione.

Perché l'ossigeno è presente in acqua?

Come fu precedentemente descritto, l'ossigeno si dissolve naturalmente quando l'acqua entra in contatto con l'aria. L'ossigeno è anche commercialmente applicato. Per scopi industriali l'elemento viene estratto dall'aria in circa 100 milioni di tonnellate annue. Il 55% della quantità totale è usato per la produzione dell'acciaio, il 25% nelle industrie chimiche e la restante quantità è usata negli ospedali, per avviare missili e per tagliare i metalli. Nell'industria chimica si usa una reazione tra ossigeno ed etilene, ed il rimanente ossido di etilene è usato come antigelo e poliestere. L'ossigeno è altamente reattivo, e può quindi essere usato per scindere sostanze pericolose. Può anche essere usato come candeggiante. L'ossigeno è usato sotto forma di ozono per la disinfezione dell'acqua potabile. L'acqua non viene inquinata dall'ossigeno quanto è usata per scopi industriali.

Quali sono gli effetti ambientali dell'ossigeno in acqua?

L'ossigeno ossida altre sostanze. Ciò avviene per esempio durante la combustione, ma anche all'interno degli organismi, durante la distruzione dei batteri e durante la conversione del metallo.
Tutte le piante e gli animali hanno bisogno di ossigeno per respirare. L'ossigeno è molto essenziale in quanto parte degli atomi del DNA e virtualmente di tutti i composti biologicamente significativi. Nel polmoni l'ossigeno si lega agli atomi di ferro, elementi centrali dell'emoglobina. Un totale di 200 mc di ossigeno si possono dissolvere nel sangue tramite tale meccanismo, una quantità che chiaramente supera quella solubile in acqua. Insieme alle riserve energetiche, l'ossigeno causa attività muscolare e produzione di calore. Questo processo rilascia anidride carbonica, che viene emessa e successivamente assimilata dalle piante. Le piante producono ossigeno addizionale durante la fotosintesi, esse contengono tra 4.1 e 4.4% di ossigeno (massa secca).
L'ossigeno dissolto è un fattore importante per la stabilità dell'acqua e la sopravvivenza di organismi acquatici. I microrganismi possono decomporre le sostanze organiche nell'acqua attraverso l'ossigeno. L'utilizzo di ossigeno per unità di tempo è detto BOD (Domanda Biochimica di Ossigeno). Gli organismi inquinanti possono influenzare negativamente gli organismi acquatici, in quanto diminuiscono il BOD. L'inquinamento tecnico causa lo stesso problema, perché la solubilità dall'ossigeno è inferiore in acque più calde. Questo potrebbe essere una conseguenza dello scarico dell'acqua di raffreddamento in acque superficiali.
In laghi eutrofici e aree marine incluse in essi, le concentrazioni di ossigeno decrescono rapidamente con la profondità. Il alcuni casi si possono persino avere condizioni anaerobiche. Esempi naturali delle influenze della della temperatura sulle concentrazioni di ossigeno in acqua e dell'impatto ambientale che ne deriva sono variazioni stagionali della temperatura dei laghi. Il inverno l'acqua ha ovunque la stessa temperatura e concentrazione di ossigeno. In estate l'acqua degli strati superficiali è più calda rispetto all'acqua più profonda, il che risulta in una minore solubilità dell'ossigeno. Il contrario vale per alghe e e piante negli strati superficiali: esse producono una elevata quantità di ossigeno a temperature più alte, facendo diventare l'acqua satura di ossigeno. Queste piante muoiono piuttosto velocemente e sono decomposte da microrganismi usando ossigeno, ora abbondante negli strati superficiali del corpo idrico. Ad ogni modo, la materia organica sedimenta spesso rimanendo sul fondo del corpo idrico come sedimento. Questo può provocare una carenza di ossigeno a causa della decomposizione. Quando nel laghi si forma un equilibrio biologico, questi problemi possono essere risolti. Quando scarico derivante da fertilizzazione ecc. fa aumentare nutrienti che devono essere decomposti e aumenta la fioritura delle alghe, le concentrazioni di ossigeno possono scendere ad un livello al quale non può sopravvivere nessun organismo. Tale fenomeno è comunemente noto come eutrofizzazione (eutrofico = ricco di nutrienti, oligotrofico = povero di nutrienti). La concentrazione di ossigeno critica per i pesci è raggiunta a 4 mg O2 / LT di acqua,
L'ossigeno puro non è generalmente rilasciato in quantità che possono essere pericolose per qualsiasi organismo aerobico. In teoria tali concentrazioni sono raggiungibili e la pressione parziale critica è diversa per le specie. Atomi di ossigeno si possono trovare in un certo numero di composti tossici organici ed inorganici. Composti tossici sono per esempio iperossidi o perossidi. Alcune sostanze sono tossiche in basse concentrazioni in nell'acqua, in quanto la respirazione degli organismi aumenta e di conseguenza le sostanze vengono assorbite più rapidamente. Per organismi obbligatoriamente aerobici, elevate concentrazioni di ossigeno sono tossiche.
L'ozono è un inquinante atmosferico quando è presente nella troposfera. Nelle stratosfera funge da strato protettivo che riflette le radiazioni UV; senza tale strato la vita sulla terra sarebbe impossibile. Un certo numero di specie di piante sono sensibili ad elevate concentrazioni di ozono in aria. Ciò non mostra sintomi visibili di stress, ma piuttosto limitazione della crescita.
L'ossigeno ha tre isotopi stabili e cinque instabili.

Quali sono gli effetti sulla salute dell'ossigeno in acqua?

La concentrazione totale di ossigeno nel corpo umano è circa il 60% del peso corporeo totale. Questo valore può variare fortemente, in quanto è principalmente presente nelle molecole d'acqua.
Come precedentemente descritto per altri organismi, gli esseri umani assorbono ossigeno attraverso i polmoni ed è quindi trasferito a vari organi attraverso il sangue. E' consegnato attraverso capillari molto fini. Gli atomi di ossigeno sono parte di gruppi idrossili, carbonili e di altri gruppi funzionali. E' trasportato attraverso il sangue legato all'emoglobina, ed è conseguentemente immagazzinato nella mioglobina del muscoli. La presenza di ossigeno nell'acqua potabile è positiva, in quanto assiste la formazione di uno strato protettivo all'interno di tubazioni che trasportano l'acqua. Questo richiede una concentrazione pari a 6-8 mg/LT.
I radicali di ossigeno sono responsabili di malattie derivative come cancro e malattie cardiovascolari. Quando l'aria contiene una concentrazioni di ossigeno inferiore al 3%, può derivarne morte per asfissia. Ad una concentrazione inferiore al 7% e possibile perdere conoscenza. Troppo ossigeno può essere letale. Sportivi che respirano ossigeno puro spesso sono soggetti a crampi. I neonati che ricevono troppo ossigeno all'interno dell'incubatrice, spesso diventano ciechi.
L'ossigeno e l'ozono possono danneggiare i polmoni. Forme di ossigeno tossiche includono iperossidi, perossidi e radicali idrossili.

Quali tecnologie per la purificazione dell'acqua possono essere usate per rimuovere l'ossigeno dall'acqua?

Una delle ragioni per le quali può essere necessario rimuovere l'ossigeno dall'acqua può essere che corrode le tubazioni. Veri processi fisici e chimici possono risolvere tale problema, per esempio l'uso di resine a scambio ionico. Il principio base di questo metodo è la reazione tra idrogeno ed ossigeno: 2H₂ + O₂ -> 2H₂O. Tale reazione può essere catalizzata da vari composti, causandone la fine spontanea: O₂ + N₂H₄ -> N₂ + 2 H₂O. Un metodo più semplice che non può essere sempre applicato è la rimozione termica di ossigeno. La solubilità del gas in acqua alla temperatura di vaporizzazione è pari a zero. Il principio di degasificazione termica si basa su questo fatto. Questo funziona come dafasificazione a pressione sotto leggera sovrapressione (fino a 5 bar), oppure come degasificatori a vuoto in leggera sotto-pressione.
D'altra parte l'arricchimento dell'acqua con ossigeno può favorire la rimozione di inquinante. Questo può essere ottenuto tramite aerazione artificiale, per esempio guidando l'acqua su cascate, risciacquandola attraverso aeratori superficiali, inserendo aria attraverso filtri a pressione, aggiungendo aria aumentando la portata d'acqua (per esempio in venturi), o tramite aerazione con ossigeno puro. Aerazione è applicabile ad impianti di depurazione, ma anche in ampi fiumi. L'ossigeno ha un effetto pulente in quanto è essenziale per microrganismi e e perchè ossida in composti. Quindi, l'inquinamento dell'acqua è indicato usando i parametri BOD o COD (domanda chimica di ossigeno).
Il valore BOD5 spesso usato indica la concentrazione di ossigeno usata dai microrganismi in cinque giorni a 20°C in ambiente aerobico, per convertire la materia organica in anidride carbonica, acqua e nuova biomassa. E' espresso come mg di O2 per litro di acqua reflua. Moltiplicando questo numero per il volume di acqua reflua di ottiene la quantità di sostanze pericolose. Il BOD5 per unità di tempo è chiamato carico BOD. Materia difficilmente decomponibile non è inclusa in quanto il tempo di misurazione è molto breve.
Il COD rappresenta la quantità di ossigeno (mg) richiesta per ossidare tutta la materia ossidabile, per litro di acqua reflua. Questo include non soltanto materia facilmente decomponibile e composti persistenti (per esempio composti resistenti di cloro organico) e di conseguenza supera il valore del BOD5. L'ozono può essere usato per la depurazione dell'acqua, per esempio in piscine o disinfezione dell'acqua potabile. E' un disinfettante più forte rispetto al cloro gassoso, ma la protezione dai batteri dura solo per brave tempo. L'ozono è un gas instabile che si forma da ossigeno e quindi si ritrasforma velocemente in O2, il che è positivo, in quanto l'ozono causa danni ai polmoni.
 

Bibiliografia e altri elementi e loro interazione con l'acqua