Роль кислорода в природе и технике

10.7 Фермент супероксиддисмутаза

Появление супероксид-иона, как мы уже знаем, может вызвать  массу различных реакций, в том  числе возможность образования  гидроксильных радикалов, оказывает  токсическое действие на живой организм. Оказалось, что живые организмы  прекрасно защищаются от нежелательного действия специальными ферментами, получившими название супероксиддисмутаз. Супероксиддисмутазы известны с 1939 года, а роль их в организме раскрыта лишь в 1969 году Кордом и Фридовичем. Они обнаружили, что известный уже свыше 30 лет медьсодержащий белок - эритрокупреин способен вести каталитическую дисмутацию супероксид-иона.

В частности, если бы не было супероксиддисмутазы, то оксигемоглобин окислял бы весь адреналин, управляющий  нашим стрессовым состоянием. Супероксиддисмутаза  ингибирует этот процесс и регулирует содержание адреналина в крови.

Супероксиддисмутаз  известно довольно много. Это могут  быть белковые молекулы, содержащие не только медь, но и другие металлы. Супероксиддисмутазные  тесты широко используются для изучения химических и биохимических реакций.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

XI. Роль кислорода в природе

В процессе обмена веществ для большинства представителей животного мира значительную роль играет кислород. Он участвует в  дыхании — цепочке химических реакций, по характеру своему напоминающих горение. Высокомолекулярные энергоемкие соединения, например углеводы, под воздействием кислорода переходят в низкомолекулярные, бедные энергией — такие, как двуокись углерода и вода. При этом часть энергии высвобождается. Процесс дыхания по начальным и конечным его продуктам можно представить формулой C₆H₁₂O₆+6O₂ → 6CO₂+6H₂O+674 ккал, при этом на окисление 180 г (1 моль = грамм-молекула) глюкозы требуется 192 г кислорода, расходующегося затем на образование 264 г углекислого газа и 108 г воды. Таким образом, при дыхании кислород постепенно перерабатывается в другой газ — углекислый. Только тогда, когда возможен процесс, высвобождающий энергию, организм может удовлетворять свою потребность в кислороде и освобождаться от двуокиси углерода. Постоянный газовый обмен со средой имеет для животных первостепенное значение, так как создание запасов кислорода в организме невозможно. Если окружающая среда бедна кислородом, наступает сначала одышка, удушье, а затем и смерть.

11.1 Продукты окисления

Постоянному потреблению кислорода и выделению двуокиси углерода почти всеми живыми существами противостоит процесс фотосинтеза который протекает в зеленых частях растений. Его можно выразить такой реакцией: 6CO₂+12H₂O+674 ккал → C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O. При этом с помощью солнечной энергии из углекислого газа и воды получается высокомолекулярное соединение — глюкоза, а высвобождаемый из воды кислород выделяется зелеными растениями. Если растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, значит, должно существовать некоторое равновесие между процессами дыхания и ассимиляции. Рассматривая области обитания животных и растений, мы можем увидеть, что обмен кислорода и углекислого газа, этот круговорот веществ, происходит всегда и везде. Часто поглощение или выделение кислорода и углекислого газа определяет границы ареалов организмов. Заселение какой-либо области животными нередко приводит к недостатку в ней кислорода и повышенному содержанию углекислого газа. И тогда содержание кислорода становится фактором, ограничивающим дальнейшее заселение среды.

11.2 Кислород в воздухе

Наземные животные поглощают кислород из воздуха и  в воздух же выделяют углекислый газ. В среднем в воздухе содержится 21% (по объему) кислорода — это  намного больше, чем в воде, где  его не более 1% (по объему). Данные цифры позволяют предположить, что различное содержание кислорода в этих двух средах имеет экологические последствия. Благодаря движению воздушных масс происходит постоянное перемешивание воздуха, и содержание кислорода и углекислого газа обычно выравнивается. Снижение концентрации кислорода на больших высотах происходит параллельно со снижением давления воздуха. В высокогорных областях содержание кислорода в воздухе служит границей распространения многих видов животных. Людям, поднимающимся высоко в горы, необходимо поддерживать нужное количество кислорода при помощи специальных устройств — кислородных аппаратов. На низких и средних высотах может также наблюдаться непродолжительное изменение соотношения кислорода и углекислого газа в воздухе. Например, в не потерявших листву лесах в безветренные ночи содержание двуокиси углерода может возрасти даже в десять раз, что происходит за счет процесса дыхания. Но на областях распространения животных это не сказывается, так как потом за счет дневного фотосинтеза все снова приходит в норму. Доказано, что в распространении видов животных, обитающих на поверхности суши, кислород не играет решающей роли. Но приходится сомневаться, всегда ли так будет. Данные о загрязнении воздушного пространства в промышленных центрах привели к необходимости интенсивного исследования газов окружающей среды. Стало известно, что содержание углекислого газа, составляющее обычно только 0,03% (по объему), может возрасти в безветренные дни над большими городами в десятки раз. Эта двуокись углерода является одним из выделяющихся в большом количестве конечных продуктов сгорания угля и нефти. Количество двуокиси углерода в пространстве распределяется при этом так: 36% приходится на области ассимиляции и на заселенные животными пространства, 14 — на океаны и около 50% содержится в атмосфере, где количество углекислого газа наиболее постоянно. В наш век содержание двуокиси углерода в атмосфере возросло на 15%, и если ее увеличение будет происходить и дальше такими же темпами, то можно ожидать, что к 2020 году количество углекислого газа в атмосфере удвоится. Можно себе представить, что означают эти процессы в поглощении кислорода. Так, при сгорании 100 л бензина расходуется количество кислорода, достаточное для дыхания одного человека в течение года. По последним данным, один гектар соснового леса дает в год около 30 т кислорода — столько, сколько требуется в год для дыхания девятнадцати человек. Гектар лиственного леса выделяет около 16, а гектар сельскохозяйственных угодий — от 3 до 10 т кислорода в год. К 1980 году потеря лесных угодий в Федеративной Республике Германии составила 500 тыс. гектаров, в то время как кислород в ней потребляли дополнительно свыше десяти миллионов человек. Соотношение между углекислым газом и кислородом в атмосфере значительно изменено, и мы уже стоим на пороге, выводящем нас за пределы тех условий, в которых возможно существование человека.

11.3 Кислород в почве

Земная кора сложена в основном из  восьми элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K; На долю остальных  84 элементов приходится менее 1%  массы земной коры. Среди главнейших по распространенности элементов особая роль в земной коре принадлежит кислороду. Его особая роль состоит в том, что его атомы составляют 47% массы коры и почти 90% объема важнейших породообразующих минералов. В связи с этим, известны ученый Гольдшмидт имел все основания назвать данную данную кору «оксисферой». Биосфера, в наши дни охватившая всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, всегда черпала неограниченные ресурсы кислорода именно из этих, твердой и жидкой, оксисфер Земли. Кислородная атмосфера, без  которой немыслима высокоорганизованная жизнь на Земле, вероятно, является производной этих  оксисфер.     

11.4 Кислород в воде

поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов. Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами. Поэтому существует много причин, вызывающих повышение или снижение концентрации в воде растворенного кислорода. Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О₂. Содержание РК зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. При каждом значении температуры существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам, составленным для нормального атмосферного давления. Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100%. Растворимость кислорода возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В эвтрофированных и сильно загрязненных органическими соединениями водных объектах может иметь место значительный дефицит кислорода. Уменьшение концентрации РК до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыб и других гидробионтов. В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена 6 мг/л (для ценных пород рыбы) либо 4 мг/л (для остальных пород). Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение). Контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).

11.5 Озоновый слой 

 В воздухе всегда присутствует  озон,  концентрация  которого  у  земной поверхности составляет в среднем 10-6%.  Озон  образуется  в  верхних  слоях атмосферы из  атомарного  кислорода  в  результате  химической  реакции  под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

    Озоновый  «экран» расположен в стратосфере,  на высотах  от  7-8  км.  На полюсах, 17-18 километров на  экваторе  и примерно  до  50  километров  над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей. Слой  озона  удивительно  тонок.  Если  бы  этот  газ  сосредоточить  у поверхности Земли, то  он  образовал  бы  пленку  лишь  в  2-4  мм  толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов).  Однако  и эта пленка надежно защищает нас,  почти  полностью  поглощая  опасные  ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод  (глубже 10  м)  и  в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация. Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы. Озон – активный газ и может  неблагоприятно  действовать  на  человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он  не  оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в  крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в  результате  фотохимических превращений выхлопных газов автомашин. Озон, также,  регулирует жесткость космического  излучения.  Если  этот газ хотя бы  частично  уничтожается,  то,  естественно  жесткость  излучения резко  возрастает,   а,   следовательно,   происходят   реальные   изменения растительного и животного мира.

11.6 Химические свойства озона

бразование озона  проходит по обратимой реакции:

3O₂ + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O₃.

Молекула О₃ неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут ^[4] превращается в O₂ с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.

В присутствии  небольших количеств HNO₃ озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах (—78 °С) практически не разлагается.

Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.

2 Cu²⁺_(aq) + 2 H₃O⁺_(aq) + O_3(g) → 2 Cu³⁺_(aq) + 3 H₂O_(l) + O_2(g)

Озон повышает степень окисления оксидов:

NO + O₃ → NO₂ + O₂

Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:

NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂

с образованием азотного ангидрида N₂O₅:

NO₂ + NO₃ → N₂O₅

Озон реагирует  с углеродом при нормальной температуре с образованием двуокиси углерода:

C + 2 O₃ → CO₂ + 2 O₂

Озон не реагирует  с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:

2 NH₃ + 4 O₃ → NH₄NO₃ + 4 O₂ + H₂O

Озон реагирует  с сульфидами с образованием сульфатов:

PbS + 4 O₃ → PbSO₄ + 4 O₂

С помощью озона  можно получить Серную кислоту как из элементарной серы, так и из двуокиси серы: