Биохимическое и химическое потребление кислорода

Кислород был открыт шведским химиком К.В. Шееле в 1769-1770 гг. и английским химиком Д.Ж. Пристли в 1774 г.

Нахождение в природе. Кислород является наиболее распространенным элементом в природе. Содержание его в земной коре составляет 47,00 % по массе. В свободном состоянии он содержится в атмосфере (около 23 % по массе), входит в состав воды (88,9 %), всех оксидов, из которых состоит земная кора, кислородсодержащих солей, а также многих органических веществ растительного и животного происхождения.

Физические свойства. При обычных условиях кислород — газ без цвета и запаха, слаборастворимый в воде (в 1 объеме воды при 0°С растворяется 5, а при 20°С — 3 объема кислорода). В других растворителях его растворимость также незначительна. При атмосферном давлении кислород сжижается при -183°С, а затвердевает при -219°С. В жидком и твердом состояниях кислород окрашен в голубой цвет, он обладает магнитными свойствами.

Химические свойства. Кислород относится к активным неметаллам. Во всех соединениях, кроме соединений со фтором и пероксидов, он имеет степень окисления -2. В соединениях со фтором кислород проявляет степень окисления +2, а в пероксидных соединениях степень его окисления равна -1 или даже дробному числу. Это объясняется тем, что в пероксидах два или несколько атомов кислорода соединены друг с другом.

Кислород взаимодействует со всеми металлами, за исключением золота и платиновых металлов (кроме осмия), образуя оксиды:

2 Мg + О2 = 2 MgО (оксид магния)

4 Аl + 3 О2 = 2 Аl2O3 (оксид алюминия)

Ряд металлов, кроме основных оксидов, образует амфотерные (ZnО, Сr2О3, Аl2О3 и др.) и даже кислотные (СrО3, Мn2О7 и др.) оксиды.

Кислород взаимодействует также со всеми, кроме галогенов, неметаллами, образуя кислотные или несолеобразующие (индифферентные) оксиды:

S + О2 = SО2 (оксид серы (IV))

4 Р + 5 O2 = 2 Р2О5 (оксид фосфора (V))

N2 + О2 = 2 NО (оксид азота (II))

Оксиды золота и платиновых металлов получают разложением их (гидроксидов, а кислородные соединения галогенов — осторожным обезвоживанием их кислородсодержащих кислот).

В кислороде и на воздухе легко окисляются (сгорают или тлеют) многие неорганические и органические вещества. Из неорганических веществ, кроме металлов и неметаллов, с кислородом реагируют все соединения металлов с неметаллами, за исключением хлоридов и бромидов:

СаН2 + O2 = СаО + Н2О

2 ZnS + 3 O2 = 2 ZnО + 2 SO2

Мg3Р2 + 4 O2 = Мg3(РО4)2

Са2Si + 2 O2 = Са2SiО4

4 КI + O2 + 2 Н2О = 4 КОН + I2

Из органических соединений с кислородом взаимодействуют почти все кроме полностью фторированных углеводородов (фреонов), а также хлор- и бромпроизводных с большим содержанием хлора или брома (хлороформ, тетрахлорид углерода, полихлорэтаны и аналогичные бромпроизводные):

С3Н8 + 5 O2 = 3 СО2 + 4 Н2О

2 С2Н5ОН + O2 = 2 СН3СНО + 2 Н2О

2 СН3СНО + О2 = 2 СН3СООН

C6Н12О6 + 6 O2 = 6 СО2 + 6 Н2О

2 C6H6 + 15 O2 = 12 СО2 + 6 Н2О

В атомарном состоянии кислород более активен, чем в молекулярном. Это свойство используют для отбеливания различных материалов (легче разрушаются окрашивающие органические вещества). В молекулярном состоянии кислород может существовать в виде кислорода O2 и озона O3, т.е. для него характерно явление аллотропии.

Получение. В лабораторных условиях кислород можно получить:

1) разложением перманганата калия при нагревании:

2 КМnO4 = К2МnО4 + МnО2 + O2

2) разложением бертолетовой соли в присутствии диоксида марганца как катализатора:

2 КСlO3 = 2 КСl + 3 O2

3) разложением нитратов щелочных или щелочноземельных металлов:

2 КNО3 = 2 КNО3 + О2

4) разложением окcида ртути:

2 НgО = 2 Нg + O2

5) электролизом воды, к которой для увеличения электропроводности добавляют щелочи или сульфаты щелочных металлов. Этот метод применяется также для промышленного получения кислорода.

В промышленности кислород получают также разделением (ректификацией) жидкого воздуха. Воздух сильно сжимают (100-200 атм), а затем резко понижают давление. Этот процесс называется дросселированием. Он сопровождается значительным понижением температуры газа. Описанный принцип используется при сжижении газов в холодильном цикле.

Применение. Кислород широко применяется в технике. Процессы окисления в кислороде протекают значительно интенсивнее, чем на воздухе. Кроме того, повышается температура пламени, так как теплота не расходуется на нагревание азота, содержащегося в воздухе. Поэтому технический кислород применяют для интенсификации окислительных процессов в химической и металлургической промышленности: в реакциях окисления органических веществ, для обжига руд, выплавки чугунов и сталей, при резке металлов, в горнодобывающей промышленности. Чистый кислород используется в медицине, кислородных приборах для работы под землей, под водой, на больших высотах. и как окислитель ракетного топлива.

Озон О3. Это аллотропическое видоизменение кислорода, Молекула озона состоит из трех атомов. Окислительные свойства озона выражены более ярко, чем кислорода. Это объясняется тем, что озон малоустойчив и легко распадается на молекулярный и атомарный кислород, который всегда более активен. Поэтому озон окисляет многие вещества, стойкие к действию кислорода. Так, иодид, не взаимодействующий с кислородом, легко окисляется озоном:

О3 = О2 + О

О3 + 2 КI + Н2О = I2 + O2 + 2 КОН

Иодкрахмальная бумага (бумажные полоски, смоченные раствором иодида калия и крахмальным клейстером) при наличии в воздухе озона моментально синеет.

В природе озон образуется при электрических разрядах в атмосфере во время грозы, а также при окислении некоторых смолистых веществ хвойных деревьев. Поэтому во время грозы или в сосновом лесу всегда ощущается слабый запах озона. В лаборатории озон можно получить в озонаторе, подвергая электрическому разряду сухой кислород или воздух.

Небольшое содержание озона в атмосфере благоприятно влияет на организм человека, но высокая концентрация его приводит к отравлению.

Воздух. Это смесь газов, основными компонентами которой являются: кислород (20,9% по объему и 23,2% по массе), азот (78,16% по объему и 75,5% по массе) и инертные газы (0,99% по объему и 1,3% по массе). Содержание этих компонентов практически неизменно, поэтому они считаются постоянными. К переменным компонентам воздуха относятся углекислый газ и водяной пар. Пыль и различные газы (SO2, Н2S, NО2 и др.} являются случайными примесями. Содержание их зависит от метеорологических и местных условий, времени года, наличия поблизости промышленных предприятий и т.д.

Содержание углекислого газа в воздухе в местах, удаленных от промышленных предприятий, выбрасывающих большие его количества в атмосферу, не превышает 0,03%. Вблизи промышленных предприятий и автотранспортных магистралей содержание его в атмосфере значительно выше.

Чистый воздух, освобожденный от пыли и случайных примесей, прозрачен и не имеет запаха.

Все реакции, характерные для кислорода, протекают и на воздухе, но медленнее из-за разбавления кислорода другими газами. В жидком воздухе концентрация кислорода значительно выше и многие реакции в нем протекают так же интенсивно, как в чистом газообразном кислороде. Так, тлеющая лучинка в жидком воздухе вспыхивает ярким пламенем, как и в атмосфере кислорода.

Воздух необходим для жизнедеятельности животных и растительных организмов. В промышленности его используют как сырье для получения кислорода, азота и инертных газов, а жидкий воздух служит также холодильным агентом.

Окисление. Взаимодействие кислорода с различными простыми и сложными веществами всегда сопровождается выделением значительных количеств теплоты. Если реакция протекает медленно, то процесс называют тлением, а если быстро, — горением. Медленные процессы взаимодействия кислорода с различными веществами наблюдаются при дыхании, гниении и окислении металлов на воздухе. Процесс горения используют в промышленности с целью получения тепла (сжигание угля, кокса, дров, нефтепродуктов, горючих газов), превращения тепловой энергии в механическую и электрическую (сжигание различных видов горючего в двигателях внутреннего сгорания и турбинах), а также для получения различных оксидов (обжиг сульфидных руд и др.). Все реакции с кислородом относятся к окислительно-восстановительным.

Круговорот кислорода в природе. Из всего кислорода, содержащегося в земной коре, воздухе, а также в составе оксидов, солей и воды, круговороту подвергается только тот, который содержится в свободном состоянии в воздухе. Количество свободного кислорода в воздухе приближенно оценивается величиной 1015 т, что составляет только около 0,0001% общего содержания кислорода в земной коре.

При окислении углерода и водорода, содержащихся в различных видах топлива, образуются углекислый газ и вода. Для сжигания углей, нефтепродуктов, древесины, различных природных, попутных и образующихся в производстве газов (генераторный, коксовый, доменный) расходуется огромное количество кислорода. Значительную его часть поглощают при дыхании живые организмы. Однако количество кислорода в атмосфере остается практически неизменным. Это достигается благодаря жизнедеятельности растений, которые поглощают углекислый газ и воду и с помощью особых катализаторов — ферментов — под действием солнечной энергии (фотосинтез)превращают их в углеводы, освобождая кислород:

n СО2 + n Н2О = (СН2О)n + n О

Выделяющийся кислород попадает в атмосферу и компенсирует ту ее часть, которая расходуется на окислительные процессы. Таким образом, постоянное количество кислорода в атмосфере обусловлено жизнедеятельностью растительного и животного мира.

Кислород на Земле создан самой жизнью. Рис. 1.2.1. иллюстрирует историю происхождения кислорода на планете Земля. Примерно 2 млрд лет назад содержание свободного кислорода в земной атмосфере начало возрастать. После того как из части атмосферного кислорода сформировался защитный озоновый слой, начали развиваться наземные растения и животные. С течением времени содержание кислорода в атмосфере значительно менялось, поскольку менялись уровни его образования и использования.

Рис. 1.2.1. Происхождение кислорода в атмосфере

Главным продуцентом кислорода на Земле служат зеленые водоросли поверхности океана (60%) и тропические леса суши (30%). Тропические леса Амазонки называют легкими планеты Земля. Ранее в литературе высказывались опасения, что возможно уменьшение количества кислорода на Земле вследствие увеличения объема сжигаемого ископаемого топлива. Но расчеты показывают, что использование всех доступных человеку залежей угля, нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воздухе не более чем на 0,15% (с 20,95 до 20,80%). Другая проблема – вырубка лесов, приводящая к возникновению кислородных «паразитов» – стран, которые живут за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих растений имеет только 45% кислорода, Швейцария – 25%.

Будет полезно почитать по теме: