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 бóльшую 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]:

Ведущая роль живого вещества в геохимической истории кислорода выявляется, таким образом, очень отчетливо.

Существенное внимание уделяется ки