3.3. Антропогенные источники поступления в биосферу.
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода, является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:
используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н2О2:
Катализатором является диоксид марганца (MnO2).
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей, а также разложение оксида ртути(II) (при τ = 100 °C):
Источники получения кислорода
Кислородные баллоны, кислородные подушки. Взрыво- и пожароопасны, а потому баллоны с кислородом запрещены к применению в больничных палатах и на дому у больных, нуждающихся в кислородотерапии.
Кислородные концентраторы. Принцип работы концентратора кислорода достаточно прост: сжатый с помощью малошумного компрессора, очищенный и профильтрованный атмосферный воздух подается на "молекулярное сито", состоящее из шариков неорганического силиката (алюминиево-кремниевого сплава). Этот "фильтр" задерживает молекулы азота, пропуская кислород. В результате содержание кислорода в газовой смеси составляет от 90 до 95%. Поток кислорода плавно регулируется и, проходя через увлажнитель и гибкую двухметровую трубку с назальным катетером, подается пациенту. Оставшаяся обедненная кислородом газовая смесь растворяется в помещении, не нарушая экологического равновесия и не уменьшая содержания кислорода в окружающематмосферном воздухе. Существенным недостатком является высокая стоимость прибора (1400-2000евро).
Кислородные коктейли. В состав кислородного коктейля входят следующие компоненты: кипяченая вода, сироп, глицерофосфат в гранулах, фитин, аскорбиновая кислота, сахар, сырой яичный белок. Через полученную смесь с помощью распылителя пропускают кислород, в результате чего образуется пена и масса стойких пузырьков, наполненных кислородом. Рекомендуется принимать 1—2 стакана такой пены, в которой содержится примерно 150— 400 см3 кислорода.
Входящий в состав кислородного коктейля сырой яичный белок делает невозможным употребление коктейля для лиц, страдающих аллергией на яйца, а также не исключает вероятности заражения сальмонеллезом.
Кислородообразующий прибор E Vita Perl - уникальный переносной прибор для бытового применения, не требующий специального технического обслуживания, исключающий возможность передозировки кислорода, простой в использовании
Основные превращения в биосфере.
Влияние на окружающую среду.
Миграция кислорода в биосфере.
Кислород – наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определённого уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода. Кислород входит в состав всех органических соединений. Он поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами, с органическим веществом, созданным продуцентами, во время дыхания (из атмосферы или водного раствора) и потребления питьевой воды. как конечные продукты биологического круговорота, часть кислорода возвращается в неживую среду так же в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза. Кислород — один из наиболее деятельных элементов земной поверхности и один из наиболее распространенных. Свободный кислород — одна из важнейших составных частей атмосферы. Много его растворено в воде, соленой и пресной, в снегах и льдах северных стран. Кроме того, мы имеем большой запас связанного кислорода в воде и в других окислах. Процессы окисления — одни из важнейших на земной поверхности.
Откуда взялся свободный кислород? Он существует только на поверхности Земли. Его нет ни в воде источников, берущих свое начало в глубоких слоях Земли, ни в выделениях вулканов. Газы, выделяемые вулканами, многократно уже подвергались анализу, особенно американцами на Сандвичевых островах, где для этого особенно удобные условия, благодаря постоянству действующих вулканов Мауна-Лоа и Мауна-Кеа. В Японии, в южной Европе, на Камчатке, всюду газы вулканов — это углекислота, хлористый водород, сернистый водород и другие, но никогда не кислород.
Рассматривая другие мыслимые источники выделения свободного кислорода на поверхности Земли, мы понемногу убеждаемся, что минеральный мир не дает нам ни одного процесса, связанного с выделением свободного кислорода. При высоких температурах первых периодов существования Земли он был всецело захвачен окислительными реакциями и выделялся в атмосфере связанным, в виде углекислоты и воды, не считая менее распространенных окислов. Даже в воде глубоких источников, как это доказал уже в конце XVII в. Пирсон в Англии, его в растворе нет, тогда как поверхностные воды Земли обычно содержат в растворе свободный кислород, заимствуемый имя из атмосферы.
Свободный кислород — один из наиболее деятельных, наиболее активных элементов. Процессы соединения с кислородом, процессы окисления дают громадное количество химических соединений, исчисляемых тысячами. Сюда входят окислы углерода и серы, железа и марганца, как особенно обильные. Благодаря этому громадное количество кислорода постоянно связывается, и процентное его содержание в атмосфере должно было бы постоянно уменьшаться, если бы не единственная в своем роде реакция освобождения кислорода в хлорофильных зернах зеленых растений.
Биохимическая реакция освобождения кислорода — единственная реакция, дающая атмосфере значительные количества этого важнейшего газа. Не надо забывать той роли, которую играют в данном процессе солнечные лучи, как источник анергии.
Дерево, содержащее в своей древесине 2500 м3 углерода, для того, чтобы ее построить, должно было освободить от углекислоты 12 млн. м3 воздуха. Урожай зерна, который мы снимаем с наших полей, дает до 14400 млн. кг углерода, причем наши пшеничные поля, для того, чтобы сконцентрировать в своем зерне всю эту массу углерода, должны ежегодно освобождать от углекислоты не менее 24000000000000 м3 воздуха, заменяя всю имеющуюся в них углекислоту равным объемам свободного кислорода.
Исходя из этого, мы можем легко установить общий круговорот кислорода:
1. Свободный кислород воздуха.
2. Процессы дыхания, горения, коррозии металлов (ржавление) и прочие реакции окисления связывают свободный кислород воздуха, уменьшают запас его в атмосфере, обогащая последнюю углекислотой.
3. Кислород углекислоты освобождается при усвоении растениями углерода угольной кислоты и возвращается атмосфере.
4. Кислород участвует в образовании растениями углеводов, жиров и белков, а также и многих других соединений, вовлекаясь при этом в круговорот жизненных явлений.
5. При дыхании кислород органических соединений превращается в кислород углекислоты и воды или же остается связанным, входя в состав продуктов, вырабатываемых растениями.
6. Связанный кислород органических соединений или углекислоты становится материалом для питания растений, животных и человека.
Если мы признаем, что весь свободный кислород атмосферы выделен зелеными растениями, то ясно, что до появления этих растений его не было. Следовательно, в атмосфере было больше углекислоты, чем теперь, и общий состав ее не мог поддерживать дыхания животных, которых в то время и не могло быть на Земле.
Задача растений — не только в том, чтобы использовать в явлениях жизни энергию солнечных лучей, чтобы непрестанно вводить в ее круговорот частицы углерода, обогащенного этой энергией, но и в том, чтобы создать атмосферу, которая поддеживала бы нормальную жизнь
Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5* 1015 m, что составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы; в человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода. Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.
Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана
Содержание кислорода
Почему этот показатель важен: уровень содержания кислорода показывает объем газообразного кислорода (O2), растворенного в водном растворе. Кислород поступает в воду следующим образом: при диффузии с окружающим воздухом, при аэрации (быстром движении воды) и в результате фотосинтеза. При анализе на содержание кислорода в воде необходимо брать пробы только путем зачерпывания воды и немедленно их тестировать. Именно поэтому этот тест должен проводиться во время полевых исследований прямо на месте отбора проб воды.
Влияние показателя на окружающую среду: нормальное содержание кислорода в воде является неотъемлемым атрибутом ее высокого качества. Кислород является жизненно необходимым элементом для всех живых организмов. Процессы естественной очистки потока воды необходимы для поддержания аэробных форм жизни, которые начинают отмирать при снижении концентрации кислорода ниже уровня 5,0 мг/литр.
Биохимическая потребность в кислороде
Почему этот показатель важен: Биохимическая потребность в кислороде отражает концентрацию органических веществ в воде. Этот показатель равен объему кислорода, который был бы потреблен, если бы вся органическая среда, содержащаяся в 1 литре воды, была окислена бактериями и простейшими одноклеточными организмами. При низких значениях этого показателя водные формы жизни находятся под угрозой.
Круговорот кислорода в природе
В природе кислород образуется в процессе фотосинтеза, который происходит в зелёных растениях на свету. В целях сохранения кислорода в воздухе вокруг городов и крупных промышленных центров создаются зоны зелёных насаждений.
Фотосинтез
Свет, хлорофилл
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2↑
Углекислый глюкоза кислород
газ
