Распространение кислорода.
Кислород (лат. Oxygenium) – химический элемент VI группы периодической
системы Менделеева: атомный номер 8, относительная атомная масса
15,9994.
Кислород был одновременно получен шведским ученым К. Шееле в 1773 г. и
английским химиком Дж. Пристли в 1774 г. В 1777 г. А. Лавузье объяснил
процессы дыхания и горения и дал название кислороду oxygenium –
рождающий кислоты.
При нормальных условиях кислород представляет собой бесцветный газ, не
имеющий запаха, состоит из двухатомных молекул, имеет несколько бoльшую
плотность, чем воздух, и плохо растворим в воде.
Кислород имеет высокую электроотрицательность (3.5 по шкале
электроотрицательностей) и является сильным окислителем. Он способен
соединяться со многими элементами, образуя оксиды. Реакции образования
оксидов очень экзотермичны, и это во многих случаях может приводить к
возгоранию соединяющегося с кислородом элемента либо образующегося
соединения [4].
Кислород – наиболее распространенный элемент твердой земной коры,
гидросферы, живых организмов. Его кларк в литосфере – 47 %, еще выше
кларк в гидросфере – 82 % и живом веществе – 70 %. Известно свыше 1400
кислородосодержащих минералов, в которых его спутниками являются десятки
элементов периодической системы. Кислород – циклический элемент
классификации В. И. Вернадского, он участвует в многочисленных
круговоротах различных масштабов – от небольших, в пределах конкретного
ландшафта, до грандиозных, связывающих биосферу с очагами магматизма.
[2]
На долю кислорода приходится приблизительно половина всей массы земной
коры, 89 % массы мирового океана. В атмосфере кислород составляет 23 %
массы и 21 %
объема [4].
На земной поверхности зеленые растения в ходе фотосинтеза разлагают воду
и выделяют свободный кислород (О2) в атмосферу. Как отмечал Вернадский,
свободный кислород – самый могущественный деятель из всех известных
химических тел земной коры. Поэтому в большинстве систем биосферы,
например в почвах, грунтовых, речных и морских водах, кислород выступает
настоящим геохимическим диктатором, определяет геохимическое своеобразие
системы, развитие в ней окислительных реакций. За миллиарды лет
геологической истории растения сделали атмосферу нашей планеты
кислородной, воздух, которым мы дышим, сделан жизнью [1].
Количество реакций окисления, расходующих свободный кислород, огромно. В
биосфере они в основном имеют биохимическую природу, т. е.
Осуществляются бактериями, хотя известно чисто химическое окисление. В
почвах, илах, реках, морях и океанах, горизонтах подземных вод – везде,
где имеются органические вещества и вода, развивается деятельность
микроорганизмов, окисляющих органические соединения.
Ранее считалось, что свободный кислород в земную кору проникает только
до уровня грунтовых вод. Однако гидрохимики сделали важное открытие – в
горах, особенно в аридных зонах, свободный кислород проникает с
подземными водами на глубины более
1 км. [2].
В большинстве природных вод, содержащих свободный кислород – сильный
окислитель, существуют органические соединения – сильные восстановители.
Поэтому все геохимические системы со свободным кислородом неравновесны и
богаты свободной энергией. Неравновесность выражена тем резче, чем
больше в системе живого вещества.
Везде в биосфере, где воды, не содержащие свободный кислород (с
восстановительной средой), встречают этот газ, возникает кислородный
геохимический барьер, на котором концентрируются Fe, Mn, S и другие
элементы с образованием руд этих элементов.
Ранее господствовало заблуждение, что по мере углубления в толщу земной
коры среда становится более восстановительной, однако это не полностью
отвечает действительности. На земной поверхности, в ландшафте, может
наблюдаться как резко окислительные, так и резко восстановительные
условия.
Окислительно-восстановительная зональность наблюдается в озерах – в
верхней зоне развивается фотосинтез и наблюдается насыщение и
перенасыщение кислородом. Но в глубоких частях озера, в илах происходит
только разложение органических веществ.
Ниже биосферы, в зоне метаморфизма, степень восстановленности среды
часто уменьшается, как и в магматических очагах.
Наиболее восстановительные условия в биосфере возникают на участках
энергичного разложения органических веществ, а не на максимальных
глубинах. Такие участки характерны и для земной поверхности, и для
водоносных горизонтов.
В целом в биосфере осуществляется более резкая, чем в нижних частях
земной коры и мантии, дифференциация кислорода. Об этом говорят кларки
концентрации кислорода в разных системах [2]:
Ультраосновные породы 0,8
Каменные метеориты 0,7
Земная кора 1,0
Извержение породы:
основные 0,8
средние 0,8
кислые 1,03
Биосфера и ее производные:
глины и сланцы 1,1
гидросфера 1,8
живое вещество 1,5
каменный уголь 0,3
нефть 0,08
антрацит 0,02
Ведущая роль живого вещества в геохимической истории кислорода
выявляется, таким образом, очень отчетливо.
Существенное внимание уделяется кислороду при изучении вод мирового
океана. Растворенный в морской воде кислород заимствуется из атмосферы
на контакте воды с воздухом. Он образуется также при фотосинтезе морских
растений. С другой стороны, кислород потребляется при дыхании живых
организмов и при окислении различных веществ моря, главным образом
органического детрита.
Растворимость кислорода в морской воде зависит от температуры и
солености, во всех океанах существует слой с минимальным содержанием
кислорода,
глубина которого меняется в зависимости от географии. Слои с минимальным
содержанием кислорода в океане наиболее часто приурочены к поверхности
одной и той же плотности – (t = 27,2 / 27,3 [3].
Причины равновесия между динамическим притоком и биохимическим
потреблением в слое минимального содержания кислорода обусловлены
главным образом биохимическим расходом кислорода и характером
распределения в море органического вещества. Важной причиной минимума
кислородного содержания является существование в океане горизонта
перерыва.
Расход кислорода за несколько лет в воде слоя с минимальным содержанием,
равно как и в воде глубоководного слоя, весьма незначителен.
Органическое вещество в вертикальной колонне воды, по крайней мере до
слоя с минимальным содержанием кислорода, поступает с ее собственной
площади поверхности и этим объясняется дефицит кислорода. Дефицит
кислорода тесно связан с увеличением содержания в морской воде
углекислоты и с локально протекающим окислительным разложением
органического вещества [1].
Результаты масс-спектрометрических исследований изотопного состава
растворенного в морской воде воздушного кислорода показали, что между
величиной отношения О18/О16 и количеством кислорода, растворенного в
морской воде на разной глубине, существует значительное расхождение
отрицательного знака. Использовав в качестве стандарта отношение О18/О16
в воздухе (0,2039%), удалось установить, что разница между процентным
содержанием О18 и таковым воздуха с глубиной постепенно возрастает,
достигая максимума в +0,006% в слое с минимальным содержанием
кислорода, располагающемся на глубине около 700 м. После прохождения
слоя с минимальным содержанием кислорода снова уменьшается, падая на
глубине 2870 м примерно до +0,001%. Кислород, освобождающийся при
фотосинтезе, имеет более низкую величину отношения О18/О16, чем
атмосферный кислород; по его данным, фактор фракционирования равен
0,983. Это должно приводить к уменьшению относительного количества О18 в
растворенном в морской воде кислороде, так как этот кислород частично
производится фитопланктоном.
С другой стороны, кислород в морской воде поглощается при дыхании живых
организмов, при бактериальных процессах, при окислении органического
детрита и т.д.; при этом легкий изотоп кислорода поглощается
избирательно. Вследствие этого следует ожидать, что находящийся в воде
остаточный кислород по сравнению с воздухом должен быть относительно
обогащен О18. Фактор фракционирования изотопов кислорода при процессах
поглощения кислорода, растворенного в морской воде, равен 0,991.
Необходимо отметить, что азот в газе, растворенном в воде океана, так же
как и атмосферный азот, имеет нормальный изотопный состав [3].
Историческая геохимия кислорода. Согласно геологическим данным, в Архее
(свыше 2,5 млрд. лет назад) свободного кислорода в атмосфере
отсутствовал или содержался в ничтожном количестве. Об этом
свидетельствует отсутствие кислорода в атмосферах других планет
солнечной системы. Фотодиссоциация и другие физико-химические процессы
приводили лишь к появлению незначительного количества кислорода, который
быстро расходовался на реакции окисления. Биосфера этой эпохи
существенно – в ней не было реакций окисления свободным кислородом, а
следовательно, столь характерных для современной земной поверхности
красны, бурых желтых почв, илов, осадочных пород. Кислородные барьеры
отсутствовали, окислительно-восстановительные условия были
недифференцированными. На земной поверхности, вероятно, преобладала
глеевая среда, менее восстановительная, чем в современную эпоху.
Появление зеленых растений знаменовало новый качественный этап в истории
Земли как планеты. Появился свободный кислород в атмосфере и гидросфере.
Главную его массу в то время, вероятно, накопили водоросли океана, т. к.
в Докембрии, а возможно еще в нижнем Палеозое (до середины Девона),
представляла собой примитивную пустыню с редкими растениями. Появление
свободного кислорода оказало огромное влияние на зону гипергенеза
материков – из восстановительной она стала окислительной. Материки в то
время были сплошной зоной окисления, поскольку аккумуляция органического
вещества и восстановительные барьеры отсутствовали. Таким образом,
развитие жизни привело еще в Докембрии к смене восстановительной зоны
гипергенезе окислительной, т. е. кислородом.
В Девоне возникли лесные ландшафты, началось углеобразование, и в
понижениях суши формировались участки с дефицитом кислорода, с
резковосстановительной средой. На повышенных элементах рельефа в почвах
и корах выветривания продолжала господствовать окислительная среда.
Тогда, около 350 млн. лет назад, начался продолжающийся до сих пор
окислительно-восстановительный этап гипергенеза с развитием в ландшафтах
резкоокислительных и резковосстановительных условий. Трахаться в жопу. В
ландшафтах возникли кислородные барьеры и связанные с ними концентрации
Fe, Mn, Co, S и других элементов.
Кислород в ноосфере. При сжигании топлива ежегодно расходуются миллиарды
тонн атмосферного кислорода. В некоторых промышленно развитых странах
его сжигается больше, чем вырабатывается в результате фотосинтеза. Таким
образом, в ноосфере изменяется круговорот кислорода, в будущем возможно
уменьшение его содержпния в атмосфере, последствия чего необходимо
учитывать.
Формы кислорода
Озон
Озон – один из аллотропов кислорода. Это голубой газ, обладающий
небольшой растворимостью в воде. При низких концентрациях он нетоксичен,
но при концентрациях свыше 100 миллионных долей становится токсичным
[4]. Образуется О3 в стратосфере в результате физико-химических реакций
под действием ультрафиолетового излучения или разрядов атмосферного
электричества (грозы). Его общая масса невелика и при нормальном
давлении составила бы слой мощностью 1,7 – 4 мм, но даже такой слой
способен задерживать губительную коротковолновую радиацию Солнца. Возник
озоновый экран в начале Палеозоя 600 млн. лет назад [2].
Озон – эндотермичное и очень неустойчивое соединение. При высоких
концентрациях он взрывоопасен. О3 способен реагировать с алкенами,
расщепляя их двойные связи в процессе озонолиза. При этом образуются
органические соединения, которые называются озонодами [4].
Соединения кислорода
Атом кислорода имеет во внешней оболочке шесть электронов, два из
которых неспарены. Он может присоединять еще два электрона, в результате
чего происходит заполнение его p-орбиталей и образуется оксидный ион
О2–. В таком состоянии кислород имеет степень окисления – 2. атом
кислорода может обобществлять два своих неспаренных 2р-электрона с
другими атомами, образуя две ковалентные связи, как, например, в
молекуле воды. Благодаря относительно малым размерам своих атомов и
высокой электроотрицательности кислород способен стабилизировать атомы
других элементов с высокой степенью окисления.
Оксиды. Кислород образует много разнообразных бинарных соединений с
другими элементами.
Существуют оксиды металлических и неметаллических элементов. Оксиды
металлов, как правило, обладают основными свойствами, а оксиды
неметаллов – кислотными. По этой причине металлические оксиды обладают
способностью соединяться с оксидами неметаллов, образуя соли. Также
оксиды могут обладать свойствами ионных (CaO) либо ковалентных
соединений (CO2).
Классификация оксидов по составу не проводит различия металлическими и
неметаллическими оксидами либо ионными и ковалентными. Нормальные оксиды
– связь между каким-либо элементом и кислородом (MgO, SO3, SiO2).
Пероксиды – связи между элементом и кислородом и между двумя атомами
кислорода (Na2O2, H2O2). Пероксиды – сильные окислители. Смешанные
оксиды – это смесь двух оксидов (P3,O4).
Кроме этого, оксиды классифицируются по кислотным или основным
свойствам. Основные оксиды металлов с низкими степенями окисления
реагируют с кислотами, образуя соль и воду, а растворяясь в воде,
образуют щелочи (MgO, CaO). Кислотные оксиды обычно представляют собой
простые молекулярные оксиды неметаллов или d-элементов с высокими
степенями окисления и, растворяясь в воде, образуют кислоты (SO3). К
амфотерным оксидам принадлежат оксиды металлов с небольшой
электроотрицательностью, проявляющие, в зависимости от условий, свойства
и кислотных, и основных оксидов (ZnO). К числу амфотерных оксидов
принадлежит вода. Нейтральные оксиды не реагируют ни с кислотами, ни с
основаниями и не образуют солей (NO, N2O) [4].
Органические соединения. Существует огромное количество
кислородосодержащих органических веществ.
Спирты – это вещества, состоящие из углеводородных радикалов с одной или
несколькими гидроксильными группами –ОН. Фенолы – соединения с одной
или несколькими группами –ОН, присоединенными к бензольному кольцу.
Эфиры – два углеводородных радикала, соединенные атомом кислорода (R – O
– R’) или циклические эфиры.
Кислород встречается в органических соединениях в составе
карбонильной(=С=О) и карбоксильной групп (–СООН). Такие вещества
называются альдегидами (R – C=O – H), кетонами (R – C=O – R) и
карбоновыми кислотами. Существует также большое количество производных
от карбоновых кислот. Карбоновые кислоты широко распространены в
природе. Многие длинноцепочные кислоты и их сложные эфиры содержатся в
жирах и маслах животного и растительного происхождения.
Кроме этого, в составе карбоксильных групп кислород входит в важнейшие
биологоческие соединения, как аминокислоты, пептиды и белки.
Одновременно с карбоксильной и гидроксильной группами кислород входит в
состав также немаловажных для живых организмов – углеводов.
Атом кислорода на ряду с этим входит с –СООН и/или –ОН в состав таких
соединений, как нуклеиновые кислоты, жиры и масла, фосфолипиды, гормоны,
витамины, алкалойды и др. [4].
Список литературы
Мияки Я. Основы геохимии. – Л.: Недра, 1969.
Перельман А. И. Атомы спутники. – М.: Наука, 1990.
Перельман А. И. Геохимия. – М.: Высшая школа, 1989г.
Фримантл М. Химия в действии: Перевод с английского. – М.: Мир, 1991.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
