Распространение и формы кислорода в природе

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Распространение и формы кислорода в природе

Распространение и формы кислорода в природе

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 бульшую

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 |0,8 |

|породы | |

|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

1. Мияки Я. Основы геохимии. – Л.: Недра, 1969.

2. Перельман А. И. Атомы спутники. – М.: Наука, 1990.

3. Перельман А. И. Геохимия. – М.: Высшая школа, 1989г.

4. Фримантл М. Химия в действии: Перевод с английского. – М.: Мир,

1991.