Распространение и формы кислорода в природе
Другие рефераты
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 гл
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
