Кислород — важнейший для жизни на Земле газ. Хватит ли нам воздуха? Откуда появился кислород на Земле

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.

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 О 2 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: О 2 и озон О 3 . Озон - тоже бесцветный газ, но с резким своеобразным запахом. Обычная молекула О 2 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 TiO 2 , окись цинка ZnO, фосфорный ангидрид P 2 O 5 . Кроме этого он образует соединения с другими степенями окисления:
пероксиды (перекиси), степень окисления -1, перекись водорода Н 2 О 2 , пероксид бария ВаО 2 и др.;
супероксиды (надпероксиды), степень окисления -1/2, КО2 (К 2 О 4), RbO 2 (Rb 2 O 4);
озониды, степень окисления -1/3, NaO 3 , КО 3 , RbO 3 и CsO3;
фториды, степень окисления +1 монофторид кислорода (O 2 F 2) и +2 дифторид кислорода (OF 2).

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

Всего лишь 2,3 миллиарда лет назад воздух, окружавший Землю, совершенно не содержал кислорода. Для тогдашних примитивных форм жизни это обстоятельство было сущим подарком.

Одноклеточные бактерии, обитавшие в первобытном океане, не нуждались в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. Затем что – то произошло.

Как на Земле появился кислород?

Ученые считают, что по мере развития некоторые бактерии «научились» извлекать из воды водород. Известно, что вода - это соединение водорода и кислорода, поэтому побочным продуктом реакции извлечения водорода было образование кислорода, выделение его в воду, а за тем и в атмосферу.

Некоторые организмы с течением времени приспособились жить в атмосфере с новым газом. Организм нашел способ обуздывать разрушительную энергию кислорода и использовать ее для управляемого распада питательных веществ, в процессе которого выделяется энергия, используемая организмом для поддержания своей жизнедеятельности.

Материалы по теме:

Кислород в атмосфере

Такой способ применения кислорода называется дыханием, которым мы пользуемся ежедневно, и посей день. Дыхание - это способ отвести от себя кислородную угрозу: оно сделало возможным развитие на Земле более крупных организмов - многоклеточных, имеющих уже сложное строение. В конце концов, именно благодаря появлению дыхания эволюция породила человека.

Откуда появился кислород на Земле?

За миллионы прошедших лет количество кислорода на земле увеличилось с 0,2 процента до нынешнего 21 процента атмосферы. Но в увеличении кислорода в воздухе атмосферы виноваты не только бактерии океанов. Ученые считают, что другим источником кислорода были сталкивающиеся континенты. По их мнению, при столкновении, а затем при последующем расхождении континентов в атмосферу выделялись большие количества кислорода.

Глобальная катастрофа неизбежна?

Трагедия человечества заключается в том, что в природе не существует естественных процессов обратного разложения воды и окислов железа на составляющие, когда кислород возвращался бы в атмосферу, а водород и железо оставались бы в природе в чистом виде.

Согласно заключению специалистов Римского клуба, с 1970 года вырабатываемый всей растительностью Земли кислород не компенсирует его техногенное потребление, и дефицит кислорода на Земле с каждым годом возрастает.

Если бы такие процессы были, мы могли бы утверждать, что его объем постоянен. Но этого нет. Поэтому одной из возможных причин будущей глобальной катастрофы может быть именно безвозвратное уничтожение кислорода атмосферы водородом нефти и газа, а также окислами железа; при этом образуются трудно разлагаемые соединения, такие как ржавчина и вода. Беда человечества состоит в том, что ученые вовремя не увидели опасность использования углеводородов и железа, добыча которых выдавалась за "прогресс".
Но уничтожение крайне редкого во Вселенной кислорода, а через него уничтожение биологической жизни - это не прогресс, а преступление перед человечеством и жизнью.

Примечание А.Колтыпина . Представленные в статье И.Г.Катюхина данные не могут оставить равнодушным ни одного жителя Земли. Если они верные, то человечеству, действительно, в скором времени может грозить очень серьезная экологическая катастрофа .
Специалисты, знакомые с балансом минерального сырья в недрах Земли, могут возразить. Их доводы будут примерно следующими: "Через 70-100 лет запасы нефти и газа на Земле иссякнут. Людям просто нечего будет сжигать. Значит, баланс кислорода на Земле восстановится ".
Но так ли это. Во-первых, к этому времени еще больше уменьшится (если не будет принято радикальных запретительных мер в масштабе всей планеты) количество площадей, занятых зеленой растительностью. Значит, кислорода все-таки не будет вырабатываться столько, сколько в предыдущие годы.
Во-вторых, пришедшие на смену двигателям, работающих на бензине, водородные двигатели (их разработка и испытание сейчас активно проводится во многих автомобилестроительных компаниях) будут нести в себе гораздо большую угрозу для дальнейшего уничтожения кислорода (эту тревогу несколько лет назад "забили" экологи многих стран мира). Дело в том, что выделяемый в процессе их эксплуатации "экологически чистый" водород будет незамедлительно реагировать с кислородом атмосферы и переводить его в не разлагаемую воду.
Одним словом проблема не уменьшится, а только усугубится. О том, насколько она серьезна, Вы можете сами судить из заключения Российской Академии наук, любезно предоставленного И.Г. Катюхиным, и из разъяснения по нему самого И.Г.Катюхина.

Заключение Российской Академии наук по материалам Катюхина И.Г
(с небольшими не существенными сокращениями)

.... Из...(представленных выше И.Г.Катюхиным данных) можно извлечь вполне разумное предостережение о глобальной экологической проблеме, с которой столкнулась современная цивилизация.
Поскольку неуклонно возрастающая энерговооруженность человечества обеспечивается, в основном, за счет сжигания ископаемого топлива (нефть, газ, уголь и т.д.), прогрессивно растет и скорость техногенного потребления атмосферного кислорода. Так, например, для сжигания 1 т природного газа необходимо израсходовать около 4 т кислорода (для нефти-около 3 т и т.д.), который, переходя в состав Н2О и СО2, теряется безвозвратно (особенно, преобразуясь в воду).
Проблема неоправданно высокого техногенного потребления кислорода поднималась нами перед научной общественностью неоднократно. Как показали оценки, проведенные совместно с сотрудниками Минприроды и Отдела лесных технологий Миннауки, ежегодное мировое техногенное потребление кислорода составляет примерно 3х10 в 10 ст. т. Такой расход кислорода с учетом гетеротрофного дыхания не полностью компенсируется за счет фотосинтеза в фитосфере Земли, где определяющую роль играет лесная экосистема, содержащая до 70-90 % биосферного углерода. Уже сегодня дефицит кислорода составляет около 10 в 10 ст. т/год, в результате чего запасы атмосферного кислорода неуклонно уменьшаются. Учитывая непрерывно прогрессирующий рост энергопотребления (и, соответственно, техногенного потребления кислорода), а также непрерывное хищническое уничтожение лесопокрытых территорий (в среднем лес восстанавливается лишь на 5 % вырубок), темпы уменьшения запасов кислорода в атмосфере Земли при современном состоянии дел будут возрастать. Эту роковую черту неспособности компенсировать техногенное потребление кислорода за счет фитосферного фотосинтеза наша цивилизация прошла еще в 70-е годы, когда Римский клуб констатировал нулевой баланс.
Хотя убыль запасов кислорода в атмосфере мы ощутим не в самом ближайшем будущем, уже сейчас, пока еще не слишком поздно, человечество должно проявить политическую волю и изменить свое отношение к средо - и ресурсообразующим функциям фитосферы (в основном, леса).... Каждый техногенный мегаполис (и прежде всего, Москва) должен иметь "в своей заботе" кислородную фитофабрику - лесные массивы, компенсирующие его потребности в кислороде.

Ученые прошлого столетия разворачивали свои взгляды на проблему, связанную с кислородом. По проведенным подсчетам выходило, что если не уменьшать темпов загрязнения окружающей нас среды, то кислород, которым мы дышим, закончится примерно через три столетия, а люди и животные просто задохнутся. Этот конец света может оказаться правдой, так как достаточно хорошо обоснована данная проблема и математическими вычислениями, и логикой. Три тонны кислорода нужно для того, чтобы сжечь всего лишь одну тонну топлива. На квадратный дюйм приходится 6,75 килограммов столба воздуха, в сумме Земной кислород имеет вес в 1 020 000 000 000 тон. Его хватит на сжигание топлива весом в 340 000 000 000 тон. Человечество каждый год сжигает каменный уголь, примерно 600 000 000 тонн, горят леса, используются и сжигаются нефтяные продукты и прочие горючие полезные ископаемые. Если все это сложить, то выходит около 1 000 000 000 тон. Даже на глаз можно прикинуть, что кислород при таких темпах закончится довольно скоро, где-то через 340 лет. Лорд Кельвин, знаменитый американец и ученый, предсказывал, что человек перестает быть независимым по отношению к воздуху. Еще придет то время, когда кислород будут заготавливать впрок, закачивая его в большие резервуары, а каждой семье будет выделен паек воздуха ровно такой, чтобы только жизненные функции могли поддерживаться организмом. Ловцы за жемчугом – вот как можно будет характеризовать такое общество. Глотнули воздуха - и не дышите до тех пор, пока клеточки ваших органов не израсходуют все до капельки, снова глоток воздуха - и опять под воду. В моргах при вскрытии заключат в будущем обществе: смерть наступила от кислородного голодания. Если нет денег, то и воздуха для вас нет. Невеселый конец света получается. Но стоит отметить, что в начале прошлого столетия знания ученых были ограничены, они еще не ведали, что в самой Земле тоже есть запасы кислорода, поэтому проблему несколько преувеличили. Наши технологии дошли до того, что могут при необходимости начать генерировать кислород
из воды, при помощи электролиза. Острая необходимость в этом еще долго не наступит, но при одном условии, если наши водоросли, растения, леса будут производить в достатке необходимый нам газ. Взрослый человек, если он не занят тяжелым физически трудом, расходует за свои годы кислорода примерно 300 килограммов. Если даже воспользоваться старыми подсчетами и взять за основу сумму веса воздуха тех ученых, то получается, что имеющегося кислорода без его генерирования будет достаточно для обеспечения жизни 3 400 000 000 000 людей, в то время, как в настоящем нас приблизительно 6 миллиардов.

Один известный западный исследователь как-то в сердцах сказал: - Либо люди смогут сделать так, чтобы на нашей планете стало поменьше дыма, либо же дым сделает так, что на ней станет значительно меньше людей!..

Ученые из ООН провели исследование и подсчитали: население планеты расходует сегодня столько кислорода, сколько могло хватить для дыхания сорока восьми миллиардам людей.

Кто же все-таки виновен в этом страшном «преступлении»? Виной тому - выхлопные газы автомобилей. В Киеве, как и в другом современном и очень развитом городе нашей планеты, так много машин, что прохожему не продохнуть. Тысяча современных автомобилей способна выбросить в атмосферу за день более трех тонн угарного газа. Он обладает неприятным свойством, в двести - триста раз быстрее попадает в кровь, чем кислород, и вызывает отравление.

Города мира живут, по выражению одного ученого, «присев на корточки». Возникла даже новая разновидность малокровия - «анемия привратников» . Тяжелые газы и копоть, оседая на землю, держатся на уровне первых этажей. На высоте третьего - четвертого этажа воздух уже почище. И люди, которым приходится работать многие часы у ворот или подъездов гостиниц, куда непрерывно подъезжают автомобили, чаще других заболевают от «грязного» воздуха. Именно по этому мы настоятельно рекомендуем купить кислородный концентратор домой или в офис.

Чтобы помочь своему организму насытить ткани кислородом, можно купить кислородные коктейлеры . Кислородный коктейль - это немного сладковатая пена, полученная из обогащенной смеси, приготовленной на основе растительных экстрактов шиповника и аскорбиновой кислоты с добавлением воды.

Постоянство атмосферы - важное условие жизни и развития её на Земле. Это постоянство обусловлено физическими законами. Но в недавнем времени возникли сомнения - не нарушены ли эти законы? Некоторые исследователи полагают, что кислород исчезает из нашей атмосферы. По расчетам его количество в атмосфере планеты снижается каждый год более чем на 10 миллиардов тонн.

На каждого жителя планеты приходится около 2-х миллионов тон воздуха, из которых 400 тысяч тонн - кислород. Как всем известно, земные растения планеты ежегодно пополняют запас атмосферы солидной порцией в 400 миллиардов тонн. Значит, 10 миллиардов тонн - сущий пустяк и по этому поводу можно бы не очень волноваться. Чего уж там загадывать на 100 тысяч лет вперед! Но темпы «утечки» возрастают. И очень возможно, что нехватка живительного газа начнет ощущаться уже в конце века.

Потребление кислорода на нашей планете быстро увеличивается с каждым годом. Куда же его он уходит? На дыхание возрастающего в числе населения? Нет, такое предположение было бы уж очень наивно. Кислорода в атмосфере хватит для дыхания многих десятков миллиардов людей. Пожирают кислород в неизмеримых количествах все те же автомобили, фабрики и заводы. В замен они оставляют атмосфере вредные газы.

Автомобиль, проехав 900 километров, «съест» такое количество кислорода, сколько обычный человек израсходует на дыхание за один год. А по земле на данный момент ездят более 1 млрд. автомобилей. 1 млрд. выхлопных труб!

Все перемены климата на Земле совершались до сего времени самой природой, без участия человека. Но влияние человека на климат всей планеты, до недавнего времени незначительное, быстро усиливается.

И уже через несколько десятков лет климат на больших территориях может претерпеть изменения под воздействием современной цивилизации. Какие же перемены ожидаются - дурные или благотворные? Вряд ли найдется сейчас на свете ученый, который даст прямой ответ на этот вопрос. Так как приходится иметь дело с чрезвычайно сложными и малоизученными явлениями…

Говорят так: если планету нашу уменьшить до размеров апельсина, то атмосфера Земли соответственно не превысит толщины папиросной бумаги, в которую апельсин заворачивают. Рвать и портить такую драгоценную обертку очень опасно.