Кислород (лат. Oxygenium) –химический элемент VI группы периодической системы Менделеева: атомный номер 8,относительная атомная масса 15,9994.
Кислород былодновременно получен шведским ученым К. Шееле в 1773 г. и английским химикомДж. Пристли в 1774 г. В 1777 г. А. Лавузье объяснил процессы дыхания и горенияи дал название кислороду oxygenium – рождающий кислоты.
При нормальныхусловиях кислород представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха, состоитиз двухатомных молекул, имеет несколько бóльшую плотность, чем воздух, иплохо растворим в воде.
Кислород имеетвысокую электроотрицательность (3.5 по шкале электроотрицательностей) иявляется сильным окислителем. Он способен соединяться со многими элементами,образуя оксиды. Реакции образования оксидов очень экзотермичны, и это во многихслучаях может приводить к возгоранию соединяющегося с кислородом элемента либообразующегося соединения [4].
Кислород –наиболее распространенный элемент твердой земной коры, гидросферы, живыхорганизмов. Его кларк в литосфере – 47 %, еще выше кларк в гидросфере – 82 % иживом веществе – 70 %. Известно свыше 1400 кислородосодержащих минералов, вкоторых его спутниками являются десятки элементов периодической системы.Кислород – циклический элемент классификации В. И. Вернадского, он участвует вмногочисленных круговоротах различных масштабов – от небольших, в пределахконкретного ландшафта, до грандиозных, связывающих биосферу с очагамимагматизма. [2]
На долю кислородаприходится приблизительно половина всей массы земной коры, 89 % массы мировогоокеана. В атмосфере кислород составляет 23 % массы и 21 % объема [4].
На земнойповерхности зеленые растения в ходе фотосинтеза разлагают воду и выделяютсвободный 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 иморских водах, кислород выступает настоящим геохимическим диктатором,определяет геохимическое своеобразие системы, развитие в ней окислительныхреакций. За миллиарды лет геологической истории растения сделали атмосферунашей планеты кислородной, воздух, которым мы дышим, сделан жизнью [1].
Количество реакцийокисления, расходующих свободный кислород, огромно. В биосфере они в основномимеют биохимическую природу, т. е. Осуществляются бактериями, хотя известночисто химическое окисление. В почвах, илах, реках, морях и океанах, горизонтахподземных вод – везде, где имеются органические вещества и вода, развиваетсядеятельность 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 большинствеприродных вод, содержащих свободный кислород – сильный окислитель, существуюторганические соединения – сильные восстановители. Поэтому все геохимическиесистемы 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 концентрируютсяFe,Mn,Sи другие элементы с образованием руд этих элементов.
Ранеегосподствовало заблуждение, что по мере углубления в толщу земной коры средастановится более восстановительной, однако это не полностью отвечаетдействительности. На земной поверхности, в ландшафте, может наблюдаться какрезко окислительные, так и резко восстановительные условия.
Окислительно-восстановительнаязональность наблюдается в озерах – в верхней зоне развивается фотосинтез инаблюдается насыщение и перенасыщение кислородом. Но в глубоких частях озера, вилах происходит только разложение органических веществ.
Ниже биосферы, взоне метаморфизма, степень восстановленности среды часто уменьшается, как и вмагматических очагах.
Наиболеевосстановительные условия в биосфере возникают на участках энергичногоразложения органических веществ, а не на максимальных глубинах. Такие участкихарактерны и для земной поверхности, и для водоносных горизонтов.
В целом в биосфереосуществляется более резкая, чем в нижних частях земной коры и мантии,дифференциация кислорода. Об этом говорят кларки концентрации кислорода вразных 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 рольживого вещества в геохимической истории кислорода выявляется, таким образом,очень отчетливо.
Существенноевнимание уделяется кислороду при изучении вод мирового океана. Растворенный вморской воде кислород заимствуется из атмосферы на контакте воды с воздухом. Онобразуется также при фотосинтезе морских растений. С другой стороны, кислородпотребляется при дыхании живых организмов и при окислении различных веществморя, главным образом органического детрита.
Растворимостькислорода в морской воде зависит от температуры и солености, во всех океанахсуществует слой с минимальным содержанием кислорода, глубина которого меняетсяв зависимости от географии. Слои с минимальным содержанием кислорода в океаненаиболее часто приурочены к поверхности одной и той же плотности – st = 27,2 / 27,3 [3].
Причины равновесиямежду динамическим притоком и биохимическим потреблением в слое минимальногосодержания кислорода обусловлены главным образом биохимическим расходомкислорода и характером распределения в море органического вещества. Важнойпричиной минимума кислородного содержания является существование в океанегоризонта перерыва.
Расход кислородаза несколько лет в воде слоя с минимальным содержанием, равно как и в водеглубоководного слоя, весьма незначителен. Органическое вещество в вертикальнойколонне воды, по крайней мере до слоя с минимальным содержанием кислорода,поступает с ее собственной площади поверхности и этим объясняется дефициткислорода. Дефицит кислорода тесно связан с увеличением содержания в морскойводе углекислоты и с локально протекающим окислительным разложениеморганического вещества [1].
Результатымасс-спектрометрических исследований изотопного состава растворенного в морскойводе воздушного кислорода показали, что между величиной отношения О18/О16 иколичеством кислорода, растворенного в морской воде на разной глубине,существует значительное расхождение отрицательного знака. Использовав вкачестве стандарта отношение О18/О16 в воздухе (0,2039%), удалось установить,что разница между процентным содержанием О18 и таковым воздуха с глубинойпостепенно возрастает, достигая максимума в +0,006% в слое с минимальнымсодержанием кислорода, располагающемся на глубине около 700 м. После прохожденияслоя с минимальным содержанием кислорода снова уменьшается, падая на глубине2870 м примерно до +0,001%. Кислород, освобождающийся при фотосинтезе, имеетболее низкую величину отношения О18/О16, чем атмосферный кислород; по егоданным, фактор фракционирования равен 0,983. Это должно приводить к уменьшениюотносительного количества О18 в растворенном в морской воде кислороде, так какэтот кислород частично производится фитопланктоном.
С другой стороны,кислород в морской воде поглощается при дыхании живых организмов, прибактериальных процессах, при окислении органического детрита и т.д.; при этомлегкий изотоп кислорода поглощается избирательно. Вследствие этого следуетожидать, что находящийся в воде остаточный кислород по сравнению с воздухом долженбыть относительно обогащен О18. Фактор фракционирования изотопов кислорода припроцессах поглощения кислорода, растворенного в морской воде, равен 0,991.Необходимо отметить, что азот в газе, растворенном в воде океана, так же как иатмосферный азот, имеет нормальный изотопный состав [3].
Историческаягеохимия кислорода. Согласно геологическим данным, в Архее (свыше 2,5 млрд. летназад) свободного кислорода в атмосфере отсутствовал или содержался в ничтожномколичестве. Об этом свидетельствует отсутствие кислорода в атмосферах другихпланет солнечной системы. Фотодиссоциация и другие физико-химические процессыприводили лишь к появлению незначительного количества кислорода, который быстрорасходовался на реакции окисления. Биосфера этой эпохи существенно – в ней небыло реакций окисления свободным кислородом, а следовательно, столь характерныхдля современной земной поверхности красны, бурых желтых почв, илов, осадочныхпород. Кислородные барьеры отсутствовали, окислительно-восстановительныеусловия были недифференцированными. На земной поверхности, вероятно,преобладала глеевая среда, менее восстановительная, чем в современную эпоху.
Появление зеленыхрастений знаменовало новый качественный этап в истории Земли как планеты.Появился свободный кислород в атмосфере и гидросфере. Главную его массу в товремя, вероятно, накопили водоросли океана, т. к. в Докембрии, а возможно еще внижнем Палеозое (до середины Девона), представляла собой примитивную пустыню средкими растениями. Появление свободного кислорода оказало огромное влияние назону гипергенеза материков – из восстановительной она стала окислительной.Материки в то время были сплошной зоной окисления, поскольку аккумуляцияорганического вещества и восстановительные барьеры отсутствовали. Таким образом,развитие жизни привело еще в Докембрии к смене восстановительной зоныгипергенезе окислительной, т. е. кислородом.
В Девоне возниклилесные ландшафты, началось углеобразование, и в понижениях суши формировалисьучастки с дефицитом кислорода, с резковосстановительной средой. На повышенныхэлементах рельефа в почвах и корах выветривания продолжала господствоватьокислительная среда. Тогда, около 350 млн. лет назад, начался продолжающийся досих пор окислительно-восстановительный этап гипергенеза с развитием вландшафтах резкоокислительных и резковосстановительных условий. Трахаться вжопу. В ландшафтах возникли кислородные барьеры и связанные с ними концентрацииFe,Mn,Co,Sи других элементов.
Кислород вноосфере. При сжигании топлива ежегодно расходуются миллиарды тонн атмосферногокислорода. В некоторых промышленно развитых странах его сжигается больше, чемвырабатывается в результате фотосинтеза. Таким образом, в ноосфере изменяетсякруговорот кислорода, в будущем возможно уменьшение его содержпния в атмосфере,последствия чего необходимо учитывать.
Формы кислорода
Озон
Озон – один изаллотропов кислорода. Это голубой газ, обладающий небольшой растворимостью вводе. При низких концентрациях он нетоксичен, но при концентрациях свыше 100миллионных долей становится токсичным [4]. Образуется О3 в стратосфере врезультате физико-химических реакций под действием ультрафиолетового излученияили разрядов атмосферного электричества (грозы). Его общая масса невелика и принормальном давлении составила бы слой мощностью 1,7 – 4 мм, но даже такой слойспособен задерживать губительную коротковолновую радиацию Солнца. Возникозоновый экран в начале Палеозоя 600 млн. лет назад [2].
Озон –эндотермичное и очень неустойчивое соединение. При высоких концентрациях онвзрывоопасен. О3 способен реагировать с алкенами, расщепляя их двойные связи впроцессе озонолиза. При этом образуются органические соединения, которыеназываются озонодами [4].
Соединения кислорода
Атом кислородаимеет во внешней оболочке шесть электронов, два из которых неспарены. Он можетприсоединять еще два электрона, в результате чего происходит заполнение его p-орбиталей иобразуется оксидный ион О2–. В таком состоянии кислород имеет степень окисления– 2. атом кислорода может обобществлять два своих неспаренных 2р-электрона сдругими атомами, образуя две ковалентные связи, как, например, в молекуле воды.Благодаря относительно малым размерам своих атомов и высокойэлектроотрицательности кислород способен стабилизировать атомы других элементовс высокой степенью окисления.
Оксиды. Кислородобразует много разнообразных бинарных соединений с другими элементами.
Существуют оксидыметаллических и неметаллических элементов. Оксиды металлов, как правило,обладают основными свойствами, а оксиды неметаллов – кислотными. По этойпричине металлические оксиды обладают способностью соединяться с оксидаминеметаллов, образуя соли. Также оксиды могут обладать свойствами ионных (CaO) либоковалентных соединений (CO2).
Классификацияоксидов по составу не проводит различия металлическими и неметаллическимиоксидами либо ионными и ковалентными. Нормальные оксиды – связь междукаким-либо элементом и кислородом (MgO, SO3, SiO2). Пероксиды – связи между элементом и кислородом и междудвумя атомами кислорода (Na2O2, H2O2). Пероксиды – сильные окислители. Смешанные оксиды – этосмесь двух оксидов (P3,O4).
Кроме этого,оксиды классифицируются по кислотным или основным свойствам. Основные оксидыметаллов с низкими степенями окисления реагируют с кислотами, образуя соль иводу, а растворяясь в воде, образуют щелочи (MgO, CaO). Кислотныеоксиды обычно представляют собой простые молекулярные оксиды неметаллов или d-элементов свысокими степенями окисления и, растворяясь в воде, образуют кислоты (SO3). Камфотерным оксидам принадлежат оксиды металлов с небольшойэлектроотрицательностью, проявляющие, в зависимости от условий, свойства икислотных, и основных оксидов (ZnO). К числу амфотерных оксидов принадлежит вода. Нейтральныеоксиды не реагируют ни с кислотами, ни с основаниями и не образуют солей (NO, N2O) [4].
Органическиесоединения. Существует огромное количество кислородосодержащих органическихвеществ.
Спирты – этовещества, состоящие из углеводородных радикалов с одной или несколькимигидроксильными группами –ОН. Фенолы – соединения с одной или несколькимигруппами –ОН, присоединенными к бензольному кольцу. Эфиры – два углеводородныхрадикала, соединенные атомом кислорода (R – O – R’) илициклические эфиры.
Кислородвстречается в органических соединениях в составе карбонильной(=С=О) икарбоксильной групп (–СООН). Такие вещества называются альдегидами (R – C=O – H), кетонами (R – C=O – R) икарбоновыми кислотами. Существует также большое количество производных откарбоновых кислот. Карбоновые кислоты широко распространены в природе. Многиедлинноцепочные кислоты и их сложные эфиры содержатся в жирах и маслах животногои растительного происхождения.
Кроме этого, всоставе карбоксильных групп кислород входит в важнейшие биологоческиесоединения, как аминокислоты, пептиды и белки.
Одновременно скарбоксильной и гидроксильной группами кислород входит в состав такженемаловажных для живых организмов – углеводов.
Атом кислорода наряду с этим входит с –СООН и/или –ОН в состав таких соединений, как нуклеиновыекислоты, жиры и масла, фосфолипиды, гормоны, витамины, алкалойды и др. [4].
Список литературы
Мияки Я. Основыгеохимии. – Л.: Недра, 1969.
Перельман А. И.Атомы спутники. – М.: Наука, 1990.
Перельман А. И.Геохимия. – М.: Высшая школа, 1989г.
Фримантл М. Химияв действии: Перевод с английского. – М.: Мир, 1991.
Для подготовкиданной работы были использованы материалы с сайта www.study.online.ks.ua/