Пожалуй, один из самых известных и популярных химических символов. Этот значок встречается на этикетках напитков, на эмблемах спортивных форм, нередко появляется в рекламе моющих средств. Конечно же, речь о кислороде. Наверное, не существует другого газа, который не воспринимался так положительно человеком.
ВЕЗДЕСУЩИЙ ГАЗ
Размышляя о том, про какой химический элемент написать в этом номере, мы остановили свой выбор на самом распространённом элементе на планете Земля. Кислород в различных формах и агрегатных состояниях встречается чаще других химических элементов в земной коре и атмосфере. Правда, в составе воздуха он всё-таки уступил первое место другому веществу — азоту (газообразное вещество N2 ). Однако, доля кислорода в воздухе всё-таки внушительна — 21% по объёму и 23% по массе. Если учесть, что общий объём атмосферы нашей планеты составляет более 4×1018 м3 , то можете представить, сколько кислорода только в газообразном состоянии на Земле. В каком ещё виде этот элемент может находиться в природе? Какую функцию он выполняет? В чём причина такого повсеместного распространения кислорода?
Кислород, как молекула, существует в газообразном виде, некоторая его часть растворена в воде (океанах и морях). Обитатели океанов и морей снабжены органами, способными абсорбировать молекулу кислорода из воды. Мы же, жители суши, поглощаем кислород из воздуха, вдыхая его лёгкими. Из лёгких кислород попадает в кровь, и миллиарды эритроцитов, насыщенных кислородом, отправляются на службу, выполняя волю мозга, словно воины, вышедшие навстречу врагу по приказу командующего.
Растворимость газообразных веществ в воде повышается с понижением температуры. Поэтому рыбки преимущественно обитают на дне водоёмов, куда солнечные лучи не попадают и не нагревают воду.
ПОЯВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА
Кислорода на нашей планете не всегда было много. Атмосфера молодой Земли преимущественно состояла из углекислого газа (CO2 ), а также ядовитых газов, таких как монооксид углерода (СО), хлороводород (HCl), сероводород (H2 S), метан (CH4 ) и др. Основная масса кислорода возникла с появлением анаэробных фотосинтезирующих одноклеточных организмов — прокариотов (сине-зелёных водорослей). Под действием солнечного света прокариоты усваивали углекислый газ и выделяли кислород в атмосферу. Кислород накапливался в атмосфере молодой Земли. Это привело к окислению всех ядовитых газов, а также большей части железа, лежащего на поверхности планеты. Там, где находились громадные залежи железной руды, Земля покрылась красноватой ржавчиной — оксидом железа (Fe2 O3 ) — которая и сегодня напоминает нам о той эпохе.
Постепенно кислорода в атмосфере стало так много, что анаэробные организмы уступили место аэробным существам. Организмы с аэробным типом дыхания используют молекулярный кислород. Сегодня нам понятен геологический смысл появления анаэробных бактерий на ранней стадии развития жизни на Земле: они должны были прожить как можно дольше и оставить после себя здоровое потомство, производящее кислород в достаточном количестве. Сегодня люди и животные потребляют огромное количество кислорода, которое производят потомки сине-зелёных водорослей — это грибы, растения и даже некоторые виды животных. В течение года на Земле растениями производится около 300 миллиардов тонн кислорода.
ГДЕ УЧАСТВУЕТ КИСЛОРОД?
На очень простой вопрос, зачем нам кислород, мы можем также просто ответить: «Ну как же! Без него мы задохнёмся!» Это будет правильный, но не совсем полный ответ. Дышать, то есть, делать вдохи и выдохи, мы сможем. Но это продлится недолго. Из-за отсутствия кислорода все химические процессы в организме нарушатся, затем мозг вследствие кислородного голодания начнет сообщать сигналы тревоги дыхательным мышцам. Начнутся спазмы дыхательных мышц, потому что дыхание — это следствие мозговых импульсов, которые посылает мозг. А без кислорода мозг не в состоянии отдавать приказы. Вот такой получается замкнутый круг.
А теперь ответим на этот же вопрос при помощи следующего уравнения химической реакции:
Эта химическая реакция отражает суть функции кислорода в живом организме. Способность окислять! Результатом окисления углеводов является превращение углеводов в воду и диоксид углерода, сопровождаемое выделением тепла.
Способность кислорода окислять органические молекулы позволяет организму извлекать из пищи необходимую энергию. Несмотря на такую простую формулировку цикл кислорода в организме сопровождается миллионами разнообразных химических реакций, катализируемых гигантскими молекулами ферментов.
НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Кислород за много лет окислил практически все металлы и неметаллы в недрах Земли, поэтому в твёрдых породах кислород находится в виде оксидов — бинарных (состоящих из элементов двух видов) соединений кислорода с другими элементами (в основном с металлами). Например, оксид железа Fe2 O3 . Самый распространённый оксид на планете — это вода, а именно, оксид водорода H2 O, о котором мы рассказывали в предыдущих номерах OYLA.
Кислород (О) — элемент шестой группы таблицы Менделеева. Найдите его в периодической таблице, и вы увидите, что он содержит 8 электронов и он двухвалентен. Напишем привычную вам конфигурацию электронов (смотрите «79-й элемент» в OYLA №3(7) март 2016):
О8 : 1s2 2s2 2p4
Как видите, ему для завершения последнего уровня не хватает двух электронов, так как в заполненных p-орбиталях должно быть 6 электронов. Это означает, что он двухвалентен и ему характерна степень окисления «–2». Эти два электрона он может отнимать практически у всех элементов, кроме атома фтора.
Среди наиболее распространённых простых минеральных оксидов можно привести такие соединения, как кварц — оксид кремния (SiO2 ), корунд — оксид алюминия (Al2 O3 ), гематит — оксид железа (Fe2 O3 ), рутил — оксид титана (TiO2 ), касситерит — оксид олова (SnO2 ), пироллюзит — оксид марганца (MnO2 ). В таких формах кислород составляет практически половину массы земной коры. Содержание кислорода равно 47% от всей массы земной поверхности.
Важность этого элемента переоценить невозможно. Ежегодно тонны этого газа производится по всему миру. И это не считая кислорода, которым мы дышим. Английский учёный Пристли, открывший этот элемент, считал, что кислород не растворяется в воде. Хорошо, что он ошибался. Ведь наша кровь тоже преимущественно состоит из воды и благодаря ей организм получает так необходимый ему O2 .
