Кислород

Кислород – самый распространенный элемент биосферы – более 50% по массе.

В атмосфере Земли содержится 1,2×10¹⁵ т кислорода. За счет фотосинтеза растения ежегодно выделяют в атмосферу 2,5×10¹¹ т кислорода. Почти столько же в течение года расходуется в процессах дыхания и гниения растительных и животных остатков. При этом конечными продуктами являются СО₂ и Н₂О, а из них идет регенерация кислорода в растениях в процессе фотосинтеза. Большинство химических элементов существует в природе в виде кислородсодержащих соединений. К их числу принадлежат все важнейшие биоорганические соединения – белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, ферменты, витамины, др.

По содержанию в организме человека (62% или ~43,4 кг на 70 кг веса) кислород относится к макроэлементам. Это важнейший органоген.

 

Заслуга открытия кислорода принадлежит нескольким ученым: К Шееле, Дж. Пристли, А. Лавуазье (1768-1775). В 1775 Лавуазье пришел к выводу, что обычный воздух состоит из двух газов — газа, необходимого для дыхания и поддерживающего горение, и газа «противоположного характера» — азота. Лавуазье назвал поддерживающий горение газ oxygene — «образующий кислоты» (от греч. oxys — кислый и gennao — рождаю; отсюда и русское название «кислород»), так как он тогда считал, что все кислоты содержат кислород. Давно уже известно, что кислоты бывают как кислородсодержащими, так и бескислородными, но название, данное элементу Лавуазье, осталось неизменным.

Электронная формула кислорода:1 s² 2 s² 2 p⁴.

Возможные степени окисления: –2 ( H₂O, HNO₃, H₂SO₄, KOH, (большинство соединений); –1 ( Н₂О₂, Na₂O₂, BaO₂,перекисные соединения); +2

(OF₂ фторид кислорода); +4 ( О⁺⁴О₂(О₃) озон).

Валентность – II – в подавляющем большинстве соединений;

 

III СО(СО); Н₃О⁺ (Н–О®Н)⁺.

|

Н

Кислород – р -элемент, имеет высокую электроотрицательность, в связи с чем, образует полярные связи с другими элементами. Двухатомная молекула кислорода О₂ – бесцветный газ, жидкий кислород – светло-голубого цвета, кипит при температуре –182,9^оС. Растворимость в воденизкая: в 100 объемах воды при 20^оС растворяется 3 объема кислорода. Кислород плохо растворим в плазме крови: в 1 литре плазмы растворено
5 мл кислорода.

Молекула О₂ парамагнитна благодаря наличию двух неспаренных электронов (­О–О­), имеет структуру бирадикала; устойчива, ее энергия диссоциации 494 кДж/моль. Кислород образует соединения со всеми элементами, за исключением Не, Ne, Ar.

Молекула кислорода содержит неподеленные электронные пары, однако является малоактивным лигандом. Кислородсодержащие соединения из-за низкой подвижности неподеленных электронных пар атома кислорода также являются малоактивными лигандами. Если кислородсодержащая группа в соединении образует анион, то пожвижность электронных пар резко возрастает, что способствует образованию комплексных соединений. Например, многоатомные спирты, многоосновные органические кислоты образуют в щелочной среде устойчивые хелатные комплексы с катионами d -металлов:

3Н₂С₂О₄ + FeCl₃ + 6NaOH = Na₃[Fe(C₂O₄)₃] + 3NaCl + 6H₂O.

Главная функция в живой природе – окислительная, необходимый участник биологического окисления как свободного, так и сопряженного, в норме в клетках происходит полная утилизация О₂:

О₂ + 4 е + 4Н⁺ ® 2Н₂О

 

Окисление веществ	Þ	Аэробное, в котором основным окислителем является молекулярный кислород, поступающий в процессе дыхания, а восстановителями - поступающие с пищей органические соединения
Þ	Анаэробное, в котором окислителями и восстановителями являются органические вещества
Þ	Свободное, при котором выделяющаяся энергия переходит в тепловую и рассеивается
Þ	Сопряженное, при котором выделяющаяся энергия используется для протекания эндэргонических реакций
Þ	Ферментативное, протекающее по гетероциклическому механизму, когда окислителем является электрофил, а восстановителем - нуклеофил
Þ	Радикальное, протекающее по гомолитическому механизму, когда реагирующими частицами являются радикалы

 

Главным источником радикалов в организме является молекулярный кислород, а также вода при радиационном воздействии.

При радиоактивном воздействии вода организма подвергается радиолизу, образуя в зависимости от энергии облучения различные радикальные частицы: НО ×, ×;О , НО , а также Н₂О₂.

Окислительная способность активных форм кислорода возрастает в следующем ряду: О₂ < О < ×;О < НО < Н₂О₂ < НО ×;.

При неполном восстановлении кислорода образуются его активные токсичные формы (табл. 3).

Таблица 3