1 августа 1774 года считается днем открытия кислорода. Об истории обнаружения и интересных свойствах кислорода рассказал доцент кафедры физической и неорганической химии, кандидат химических наук Андрей Рябых.
Как был открыт кислород?
Кислород — это один из важнейших компонентов жизни. Он входит в состав важнейшего для всех живых существ вещества — воды H2O. Газообразный кислород О2 входит в состав воздуха, где его содержится 21% по объему, что делает его вторым по содержанию газом воздуха после азота. Но, несмотря на большую распространенность кислорода в природе, его открытие произошло только во второй половине XVIII века, в те времена, когда химия становилась точной естественной наукой.
Английский химик Джозеф Пристли в 1774 году проводил эксперименты по изучению газов. 1 августа 1774 года он нагревал оксид ртути (II) HgO (это соединение ртути с кислородом) солнечными лучами, сфокусированными большим увеличительным стеклом. В результате оксид разложился на металлическую ртуть и на неизвестный газ, в котором свеча горела гораздо ярче, а тлеющий уголек вспыхивал. Сейчас мы знаем этот газ как кислород. Пристли описал свойства кислорода, отметив то, что он поддерживает горение, и сообщил о своем открытии известному французскому химику Антуану Лавуазье.
За три года до экспериментов Пристли шведский химик и аптекарь Карл Шееле в 1771 году также получил кислород путем нагревания селитр (солей азотной кислоты). Он подробно описал свойства газа в своем научном труде «Химический трактат о воздухе и огне». Но из-за проблем с издателем этот трактат был выпущен только в 1777 году. Таким образом, Карл Шееле сообщил о своем открытии кислорода позднее, чем Джозеф Пристли. Шееле также сообщил о своих научных изысканиях французу Антуану Лавуазье.
Пристли и Шееле получили и исследовали именно вещество кислород в виде газа. Значимый вклад в понимание свойств кислорода внес непосредственно Лавуазье. Именно этот ученый провел точные эксперименты и количественно описал свойства кислорода. Он повторил опыты Пристли и Шееле, а также исследовал другие вещества, например, воду. Именно Лавуазье показал, что кислород является не только газом, но и химическим элементом. Так Лавуазье установил, что атомы кислорода содержатся во многих веществах, в том числе, в воде и воздухе. Он же дал название кислороду как химическому элементу — «oxygène», что с французского переводится как «рождающий кислоту». Впоследствии на русский язык название было переведено как «кислород». Что интересно, свое название этот химический элемент получил из-за того, что в те времена было убеждение, что кислород является обязательной составной частью кислот. Что сейчас, как известно, не так.
Таким образом, честь открытия кислорода принадлежит трем ученым: Джозеф Пристли и Карл Шееле получили и описали свойства газообразного кислорода, когда как Антуан Лавуазье обосновал и доказал, что кислород является более фундаментальным понятием — химическим элементом. На основе исследований кислорода Лавуазье опроверг неверную теорию горения (флогистон) и заложил основы новой химии горения.
Для обычного человека кислород — символ жизни. А можно ли отравиться кислородом? Отчего это может быть?
Действительно, люди, равно как и множество других живых существ, являются аэробными организмами. Для их нормальной жизнедеятельности кислород необходим. Но существуют и также анаэробные организмы, например, некоторые микроорганизмы, для которых даже небольшое содержание кислорода является губительным. Поэтому такие микроорганизмы проживают в безвоздушной среде.
Но вернемся к человеку. Кислород, который мы вдыхаем, участвует в окислении питательных веществ — белков, жиров и углеводов. В результате этого процесса выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности клеток. По своей сути, окисление в организме аналогично горению: и там, и там вещества взаимодействуют с кислородом, выделяя энергию. Однако если горение — это быстрое и неконтролируемое окисление, сопровождающееся пламенем и выделением тепла, то в живых системах этот процесс происходит постепенно, под строгим контролем ферментов.
В организме кислород O2 в конечном итоге превращается в воду H2O. Но этот процесс идёт не сразу: сначала образуются опасные промежуточные частицы — активные формы кислорода (АФК). Примерами АФК являются супероксид-ион O2-, пероксид водорода H2O2, гидроксильный радикал OH. Они гораздо химически активнее, чем атмосферный кислород. АФК способны атаковать структурные компоненты клеток организма, например, мембраны, ДНК. Они разрывают химические связи в биологических молекулах, создают новые. Все это приводит к гибели клетки и потенциальным мутациям организма. Когда АФК становится слишком много, они начинают массово разрушать клетки. Это состояние называют «окислительный стресс». Оно связано со старением, болезнями Альцгеймера и Паркинсона.
- «Старый мужчина, страдающий деменцией» (1896, цветная литография). Авторство: https://wellcomeimages.org/indexplus/obf_images/48/f4/16baadbd8b96c9a3d9c07c67c55c.jpg CC-BY-4.0, CC BY 4.0
При этом в здоровом организме налажены антиоксидантные системы (ферменты и низкомолекулярные вещества), которые успешно нейтрализуют разные АФК и переводят их в менее опасные формы. Вследствие этого концентрация активных форм всегда держится в безопасных пределах. Но иногда в антиоксидантной системе защиты организма может произойти нарушение, тогда возможен выход концентрации АФК из-под контроля. Как следствие, возникает окислительный стресс.
Также существует интересная теория свободнорадикального старения, согласно которой человек стареет как раз потому, что дышит кислородом, так как с возрастом антиоксидантная система ослабевает, и АФК неизбежно шаг за шагом наносят вред, приводя к износу биологических структур и разным заболеваниям. Поэтому важно иметь в своем рационе антиоксиданты — вещества, которые помогают нам нейтрализовать опасные формы кислорода. Также стоит отметить и положительную функцию АФК. Так, существует теория, что иммунная система способна локально вызвать контролируемое производство АФК в месте, где проникли возбудители заболеваний, чтобы победить угрозу организму.
Вышесказанное относится к самым обычным условиям — дыхание воздухом с содержанием кислорода в 21% по объему. А что будет, если увеличить содержание кислорода или вовсе заменить воздух на чистый кислород? Однозначно, это не пойдет на пользу. Существует такое медицинское состояние — гипероксия. Оно возникает, когда организм пересытился кислородом. Как результат, неизбежно начинается избыточное накопление вредоносных АФК, ведь естественная антиоксидантная система не рассчитана на крайне высокое содержание кислорода во вдыхаемом воздухе. Начинаются обширные биохимические нарушения, сопровождаемые сильными и опасными проявлениями: тошнота, судороги, помутнение сознания, кровоизлияния во внутренние органы.
Есть данные по изучению поведения мышей в среде чистого кислорода. Такая атмосфера оказалась губительной для них: высокое содержание кислорода запустило каскадный окислительный стресс. В клетках мышей зафиксировали высочайшее содержание АФК. Поэтому переизбыток кислорода является опасным даже для аэробов, которым кислород необходим для нормальной жизни.
Здесь прекрасно работает принцип, высказанный еще в XVI веке знаменитым швейцарским алхимиком, врачом и философом Парацельсом: «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным».
Правда ли, что в организме человека больше всего кислорода нужно для мозга? Какие органы больше всего в нем нуждаются?
- Мозг человека. Источник: https://www.flickr.com/photos/flamephoenix1991/8376271918. Авторство: https://www.flickr.com/photos/flamephoenix1991/ CC BY-SA 2.0
Да, это так. Мозг потребляет примерно 20% всего вдыхаемого кислорода. Для непрерывной деятельности нейрона и всего мозга в целом требуется очень много энергии, которая выделяется при окислении глюкозы в клетках мозга. При кислородном голодании уже в среднем через 5 минут наступают необратимые повреждения мозговой структуры. Ныряльщики могут задерживать дыхание дольше, но для этого нужны длительные тренировки.
Кроме мозга еще сердце и печень усиленно потребляют кислород. Сердцу требуется примерно 15% кислорода, ведь оно очень часто сокращается, обеспечивая кровообращение. Печени необходимо около 20% кислорода для переработки веществ, токсинов и управлением метаболизма.
В каких ситуациях может возникнуть кислородное голодание? Может ли такое состояние произойти от занятий спортом?
- Тренировка. Источник: https://img.freepik.com/free-photo/people-working-out-indoors-together-with-dumbbells_23-2149175410.jpg
Кислородное голодание (гипоксия) возникает при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе, крови или тканях организма. К симптомам можно отнести беспокойство, головную боль, учащение сердцебиения, помутнение сознания, синюшность кожи. Причины гипоксии могут быть самыми разнообразными. Например, загрязненный воздух, заболевания дыхательной системы, попадания инородных тел в дыхательные проходы.
Большие спортивные нагрузки также могут вызвать кислородное голодание. Кровеносная система при перегрузках перестает успевать разносить кислород к тканям и органам. Это усиливает состояние усталости, ведь организм недополучает энергию из-за недостатка окислителя — кислорода. Если бесконтрольно продолжать тренировки в таком состоянии, то можно получить сильную слабость или обморок.
Говорят, что деревья — зеленые легкие планеты. Правда ли, что они вырабатывают большую часть кислорода на Земле, или это миф?
- Лес. Авторство: Eniisi Lisika. Собственная работа, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=119578485
Миф. Наибольшую долю газообразного кислорода производит фитопланктон (микроскопические водоросли в морях и океанах) — это, по разным оценкам, от 50 до 80% всего кислорода атмосферы нашей планеты, поскольку площадь водных покровов больше, чем суши. Зеленые деревья производят оставшийся газ. И водоросли и деревья генерируют кислород за счет процесса оксигенного фотосинтеза. Они поглощают углекислый газ, воду и солнечный свет. В результате образуются органические вещества и побочный продукт — кислород. Растение избавляется от него, выделяя его в атмосферу.
Что интересно, ночью растение поглощает кислород из атмосферы, чтобы проводить темновые процессы клеточного дыхания.
Правда ли, что в будущем на Земле может исчезнуть кислород? В чем причина этого и каковы могут быть последствия?
Как это ни печально, но это правда. Кислород, пригодный для дыхания, закончится тогда, когда исчезнут его источники — водоросли, деревья. Это произойдет в далеком будущем. Через миллиарды лет, когда Солнце увеличится в размерах и усилит свою светимость, превращаясь в красный гигант, океаны начнут испаряться, растительность выгорать, а жизнь погибать.
Но существует гипотеза, что кислород может закончиться несколько раньше. Главный источник кислорода — фотосинтез. Если процесс фотосинтеза заблокируется, то кислород перестанет вырабатываться. Помимо солнечной энергии, для фотосинтеза требуется вода и углекислый газ. Если по каким-либо причинам углекислого газа в атмосфере станет гораздо меньше, то фотосинтез станет невозможным. Для реализации этого сценария потребуется как минимум один миллиард лет. В любом случае, отсутствие кислорода губительно скажется на аэробных организмах.
Все привыкли, что кислород — это газ. А где можно посмотреть жидкий и твердый кислород?
- Жидкий кислород. Авторство: U.S. Air Force/Staff Sgt. Jim Araos. https://www.eielson.af.mil/News/Photos/igphoto/2000167301/ (image link), Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57048011
Действительно, при обычных условиях простое вещество кислород О2 — это бесцветный газ без запаха и вкуса. Чтобы перевести газ в жидкость (сконденсировать), нужно охладить газообразный кислород до температуры минус 183 градуса по Цельсию, при этом получается жидкость светло-голубого цвета. В лаборатории это сделать можно, например, с помощью охлаждения газа жидким азотом, который имеет температуру кипения в минус 196 градусов по Цельсию. Как раз с помощью глубокого охлаждения воздуха в специальных колоннах с последующим разделением жидких компонентов получают чистый кислород в промышленности.
Жидкий кислород можно сделать твердым (закристаллизовать), если продолжить охлаждать жидкость до температуры примерно минус 219 градусов по Цельсию. Твердый кислород представляет собой кристаллы синего цвета. Разумеется, чтобы «посмотреть» на жидкий и твердый кислород, нужно специализированные холодильные установки.
Правда ли, что человек на 2/3 состоит из кислорода?
Правда. В среднем взрослый человек состоит из воды на 60–70% массы. Молекула воды H2O на 88,9% состоит из кислорода — ведь атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода. Например, у человека весом 70 кг около 40 кг кислорода содержится только в воде! Если добавить кислород из белков, жиров, ДНК, его доля достигнет примерно 61 — 64% массы тела — это больше, чем углерода (18%) или водорода (10%). А вот по содержанию атомов лидирует водород H.