Экология

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.


смотреть на рефераты похожие на "Распространение и формы кислорода в природе "