Распространение кислорода.
Кислород (лат.Oxygenium) – химическийэлемент VI группыпериодической системы Менделеева: атомный номер 8, относительная атомная масса15,9994.
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 твердойземной коры, гидросферы, живых организмов. Его кларк в литосфере – 47 %, ещевыше кларк в гидросфере – 82 % и живом веществе – 70 %. Известно свыше 1400кислородосодержащих минералов, в которых его спутниками являются десяткиэлементов периодической системы. Кислород – циклический элемент классификацииВ. И. Вернадского, он участвует в многочисленных круговоротах различныхмасштабов – от небольших, в пределах конкретного ландшафта, до грандиозных,связывающих биосферу с очагами магматизма. [2]
На долюкислорода приходится приблизительно половина всей массы земной коры, 89 % массымирового океана. 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 химическихтел земной коры. Поэтому в большинстве систем биосферы, например в почвах,грунтовых, речных и морских водах, кислород выступает настоящим геохимическимдиктатором, определяет геохимическое своеобразие системы, развитие в нейокислительных реакций. За миллиарды лет геологической истории растения сделалиатмосферу нашей планеты кислородной, воздух, которым мы дышим, сделан жизнью[1].
Количествореакций окисления, расходующих свободный кислород, огромно. В биосфере они восновном имеют биохимическую природу, т. е. Осуществляются бактериями, хотяизвестно 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.
Ранеесчиталось, что свободный кислород в земную кору проникает только до уровнягрунтовых вод. Однако гидрохимики сделали важное открытие – в горах, особенно варидных зонах, свободный кислородпроникает 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. Неравновесностьвыражена тем резче, чем больше в системе живого вещества.
Везде вбиосфере, где воды, не содержащие свободный кислород (с восстановительнойсредой), встречают этот газ, возникает кислородный геохимический барьер, на которомконцентрируются Fe, Mn, S и другие элементы с образованием рудэтих элементов.
Ранеегосподствовало заблуждение, что по мере углубления в толщу земной коры средастановится более восстановительной, однако это не полностью отвечает действительности.На земной поверхности, в ландшафте, может наблюдаться как резко 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,в зоне 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 участки характерныи для земной поверхности, и для водоносных горизонтов.
В целом вбиосфере осуществляется 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 океанах существует слой с минимальным содержанием кислорода,
глубина которого меняется в зависимости от географии. Слои с минимальнымсодержанием кислорода в океане наиболеечасто приурочены к поверхности одной и той же плотности – st = 27,2 / 27,3 [3].
Причиныравновесия между динамическим притоком и биохимическим потреблением в слоеминимального содержания кислорода обусловлены главным образом биохимическимрасходом кислорода и характером распределения в море органического вещества.Важной причиной минимума кислородного содержания является существование вокеане горизонта перерыва.
Расходкислорода за несколько лет в воде слоя с минимальным содержанием, равно как и вводе глубоководного 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/О16и количеством кислорода, растворенного в морской воде на разной глубине, существуетзначительное расхождение отрицательного знака. Использовав в качестве стандартаотношение О18/О16 в воздухе (0,2039%), удалосьустановить, что разница между процентным содержанием О18 и таковымвоздуха с глубиной постепенно возрастает, достигая максимума в +0,006% в слое с минимальнымсодержанием кислорода, располагающемся на глубине около 700 м. Послепрохождения слоя с минимальным содержанием кислорода снова уменьшается, падая на глубине 2870 мпримерно до +0,001%. Кислород, освобождающийся при фотосинтезе, имеет болеенизкую величину отношения О18/О16, чем атмосферныйкислород; по его данным, фактор фракционирования равен 0,983. Это должноприводить к уменьшению относительного количества О18 в растворенномв морской воде кислороде, так как этот кислород частично производится фитопланктоном.
С другойстороны, 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 следует ожидать,что находящийся в воде остаточный кислород по сравнению с воздухом должен бытьотносительно обогащен О18. Фактор фракционирования изотоповкислорода 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].
Историческаягеохимия кислорода. Согласно геологическим данным, в Архее (свыше 2,5 млрд.лет назад) свободного кислорода в атмосфере отсутствовал или содержался вничтожном количестве. Об этом свидетельствует отсутствие кислорода в атмосферахдругих планет солнечной системы. Фотодиссоциация и другие физико-химическиепроцессы приводили лишь к появлению незначительного количества кислорода,который быстро расходовался на реакции окисления. Биосфера этой эпохисущественно – в ней не было реакций окисления свободным кислородом, аследовательно, столь характерных для современной земной поверхности красны,бурых желтых почв, илов, осадочных пород. Кислородные барьеры отсутствовали,окислительно-восстановительные условия были недифференцированными. На земнойповерхности, вероятно, преобладала глеевая среда, менее восстановительная, чемв современную эпоху.
Появлениезеленых растений знаменовало новый качественный этап в истории Земли какпланеты. Появился свободный кислород в атмосфере и гидросфере. Главную его массув то время, вероятно, накопили водоросли океана, т. к. в Докембрии, а возможноеще в нижнем Палеозое (до середины Девона), представляла собой примитивнуюпустыню с редкими растениями. Появление свободного кислорода оказало огромноевлияние на зону гипергенеза материков – из восстановительной она сталаокислительной. Материки в то время были сплошной зоной окисления, посколькуаккумуляция органического вещества и восстановительные барьеры отсутствовали.Таким образом, развитие жизни привело еще в Докембрии к смене восстановительнойзоны гипергенезе окислительной, т. е. кислородом.
В Девоневозникли лесные ландшафты, началось углеобразование, и в понижениях сушиформировались участки с дефицитом кислорода, с резковосстановительной средой.На повышенных элементах 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, S идругих элементов.
Кислород вноосфере. При сжигании топлива ежегодно расходуются миллиарды тоннатмосферного кислорода. В некоторых промышленно развитых странах его сжигаетсябольше, чем вырабатывается в результате фотосинтеза. Таким образом, в ноосфереизменяется круговорот кислорода, в будущем возможно уменьшение его содержпния ватмосфере, последствия чего необходимо учитывать.Формы кислородаОзон
Озон – один из аллотропов кислорода. Этоголубой газ, обладающий небольшой растворимостью в воде. При низкихконцентрациях он нетоксичен, но при концентрациях свыше 100 миллионных долейстановится токсичным [4]. Образуется О3 в стратосфере в результатефизико-химических реакций под действием ультрафиолетового излучения илиразрядов 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 ихдвойные связи в процессе озонолиза. При этом образуются органическиесоединения, которые называются 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 и образуетсяоксидный 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 высокой электроотрицательностикислород способен стабилизировать атомы других элементов с высокой степеньюокисления.
Оксиды.Кислород образует много разнообразных бинарных соединений с другими элементами.
Существуютоксиды металлических и неметаллических элементов. Оксиды металлов, как правило,обладают основными свойствами, а оксиды неметаллов – кислотными. По этой причинеметаллические оксиды обладают способностью соединяться с оксидами неметаллов, образуясоли. Также оксиды могут обладать свойствами ионных (CaO) либо ковалентных 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 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 оксидыметаллов с низкими степенями окисления реагируют с кислотами, образуя соль иводу, а растворяясь в воде, образуют щелочи (MgO, CaO).Кислотные оксиды обычно представляют собой простые молекулярные оксидынеметаллов или d-элементовс высокими степенями окисления и, растворяясь в воде, образуют кислоты (SO3). К амфотернымоксидам принадлежат оксиды металлов с небольшой электроотрицательностью, проявляющие,в зависимости от условий, свойства и кислотных, и основных оксидов (ZnO). К числу амфотерныхоксидов принадлежит вода. Нейтральные оксиды не реагируют ни с кислотами, ни соснованиями и не образуют солей (NO, N2O) [4].
Органическиесоединения. Существует огромное количество кислородосодержащих органическихвеществ.
Спирты –это вещества, состоящие из углеводородных радикалов с одной или несколькимигидроксильными группами –ОН. Фенолы –соединения с одной или несколькими группами –ОН, присоединенными к бензольномукольцу. Эфиры – два углеводородных радикала, соединенные атомом кислорода (R – O – R’) или циклические эфиры.
Кислородвстречается в органических соединениях в составе карбонильной(=С=О) и карбоксильной групп (–СООН). Такие веществаназываются альдегидами (R– C=O – H), кетонами (R– C=O – R) и карбоновыми кислотами. Существует также большое количествопроизводных от карбоновых кислот. Карбоновые кислоты широко распространены вприроде. Многие длинноцепочные кислоты и их сложные эфиры содержатся в жирах имаслах животного и 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 кислородана ряду с этим входит с –СООН и/или –ОН в состав таких соединений, какнуклеиновые кислоты, жиры и масла, фосфолипиды, гормоны, витамины, алкалойды идр. [4].Список литературы
1.
2.
3. – М.: Высшая школа, 1989г.
4.