Кислород — важнейший для жизни на Земле газ

Продолжая тему важнейших для жизни элементов и веществ, сегодня говорим о кислороде. Без кислорода не было бы жизни на Земле — по крайней мере в том виде, в котором мы ее знаем!

Кислород — неметалл, обозначаемый в таблице Менделеева буквой «О» от Oxygenium (рождающий кислоты). Открытие кислорода стало большим событием в истории химии как науки. Знаменитый ученый А. Лавуазье сумел правильно интерпретировать открытия химиков Пристли и Шееле, доказав, что горение поддерживает новый простой элемент «кислород», содержащийся в воздухе, а не мифический флогистон («сверхтонкая материя», наполняющая горючие вещества и освобождающаяся при горении). Для этого ученый взвесил золу сожженных веществ и выяснил, что ее вес превышает вес исходного материала. Эти данные противоречили теории флогистона, который, теоретически, должен был улетучиться, сделав конечный продукт легче.

Кислорода на Земле очень много — больше, чем какого-либо другого элемента. В основном он содержится в связанном виде в земной коре в виде силикатов, карбонатов, сульфатов, оксидов железа, кварца и т.п. Всего примерно в полутора тысячах соединений. Почти половина массы твердой земной коры — это кислород. Еще больше его в воде — более 80%, связанного и растворенного. В воздухе — 23% по массе. Он содержится в каждой клетке живых организмов, в белках, углеводах, жирах; может составлять до 85% массы.

Содержание кислорода в атмосфере пополняется за счет фотосинтеза фитопланктона мирового океана и, в определенной степени, за счет лесов.

Это интересно

3,5 млрд. лет назад на Земли свободного кислорода было очень мало. Его постепенное накапливание в атмосфере и океане связывают с фотосинтезирующими археями (одноклеточными организмами). По мере увеличения содержания свободного кислорода доминирующее положение заняли организмы с клеточным дыханием, анаэробы, оказавшиеся более энергетически эффективными, чем аэробы, не потребляющие кислород.

Больше всего О₂ в атмосфере было в конце каменноугольного периода, 300 млн. лет назад — до 35% по объему. С этим фактом многие ученые связывают бурное развитие крупных форм жизни — гигантских насекомых и земноводных.

Большинство живых организмов на нашей планете, кроме некоторых видов микроорганизмов-анаэробов, получают энергию за счет окисления, под влиянием кислорода, питательных веществ в клетках.

Свойства

В обычных условиях кислород — газ без цвета, вкуса и запаха. Существует в двух аллотропных состояниях: О₂ и озон О₃. Озон — тоже бесцветный газ, но с резким своеобразным запахом. Обычная молекула О₂ превращается в молекулу озона под воздействием ионизирующего излучения. Мало растворим в воде. При сильном охлаждении (t -183 °С) кислород сначала становится голубой жидкостью, потом кристаллизируется в синие кристаллы (при t -218 °С).

С точки зрения химии, кислород — очень активный элемент, уступающий в этом плане только фтору. Вступает в реакции практически со всеми элементами и большинством сложных соединений — иногда в обычных условиях, но чаще в присутствии катализатора, при высоких температурах, под действием электрического разряда или уф-излучения. Инертны к кислороду только золото, платина, тяжелые инертные газы. Во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород выступает окислителем. Большинство реакций экзотермические, происходят с выделением большого количества тепла и света, физически выражающегося в процессе, который мы называем горение. Впрочем, окисление может быть и медленным — так окисляются многие органические соединения растительного происхождения. Эндотермической реакцией является, например, окисление азота.

Озон еще более активно вступает в химические реакции. Озоновый слой в верхних слоях атмосферы поглощает основную часть ультрафиолетового спектра излучения Солнца, губительного для живых организмов на Земле.

В бинарных соединениях кислород проявляет степень окисления -2. Такие соединения называются оксидами, например, оксид титана TiO₂, окись цинка ZnO, фосфорный ангидрид P₂O₅. Кроме этого он образует соединения с другими степенями окисления:
• пероксиды (перекиси), степень окисления -1, перекись водорода Н₂О₂, пероксид бария ВаО₂ и др.;
• супероксиды (надпероксиды), степень окисления -1/2, КО2 (К₂О₄), RbO₂ (Rb₂O₄);
• озониды, степень окисления -1/3, NaO₃, КО₃, RbO₃ и _CsO3;
• фториды, степень окисления +1 монофторид кислорода (O₂F₂) и +2 дифторид кислорода (OF₂).

В следующей статье мы расскажем о способах получения и применения кислорода, а также о том, чем иногда он может быть опасен.