Есть и еще одна важная причина. Кислород играет исключительную роль в существовании на Земле жизни и всей человеческой цивилизации. На поверхности планеты – в земной коре – связанный кислород является самым распространенным элементом. В составе минералов, в виде соединений с другими элементами он составляет 47 % от массы земной коры!

В атмосфере Земли кислород находится в свободном (не связанном) состоянии: здесь его 21 % по объему или 23 % по массе.

Толщина земной атмосферы составляет несколько сотен километров. Разумеется, уже в 100 км от поверхности Земли атмосфера очень разрежена, тем не менее, ее состав определяется с помощью спутников. Если взять глобус диаметром 35 см и представить вокруг него двухсантиметровый слой, то мы получим некоторое понятие о масштабах земной атмосферы. Ее объем составляет более чем 4·10¹⁸ м³. Огромное количество кислорода (86 - 89 % по массе с учетом растворенных в воде солей) содержит гидросфера Земли – моря и океаны.

Основная масса кислорода в атмосфере планеты возникла только после появления на Земле первых фотосинтезирующих одноклеточных организмов – прокариот, известных под названием сине-зеленые водоросли. Процесс этот начался около 2 млрд. лет тому назад (см. рис. 6-1). Под действием солнечного света (отсюда название – фотосинтез) прокариоты усваивали из углекислого газа углерод и кислород. Из воды они усваивали только водород, одновременно выделяя в атмосферу свободный кислород в качестве побочного продукта жизнедеятельности.

Прокариоты не нуждались в свободном кислороде – такой тип бескислородного "дыхания" называется анаэробным. Возможно, кислород нужен был прокариотам и как средство борьбы с анаэробными бактериями-конкурентами. Кислород накапливался в атмосфере и реагировал с элементами и их соединениями, находящимися на поверхности и в атмосфере молодой Земли.

Рис. 6-1. Одна из гипотез возникновения современной атмосферы Земли. Обратите внимание на связь между изменением состава атмосферы и сменой биологических эпох. (По книге П. Эткинса "Молекулы").

Таким образом, весьма ценный для нас с вами кислород, которым мы дышим и без которого не в состоянии прожить и нескольких минут, когда-то был загрязняющим веществом в атмосфере. Это грандиозное "загрязнение" атмосферы кислородом оставило свой след в геологическом строении Земли. Когда выделяемый прокариотами кислород окислил находящееся на поверхности планеты железо, Земля во многих местах покрылась красноватой ржавчиной - оксидами железа. Именно из оксидов железа состоят железные руды. Их мощные залежи и сегодня напоминают об этой эпохе.

Вероятно, это правило действует и поныне для всех живых существ. Не пройдет и одного-двух миллиардов лет, как выяснится "геологический смысл жизни" человечества. В чем он, этот смысл? Попробуйте подумать на эту тему (см. задачу 6.22 в конце этой главы).

Но вернемся к атмосфере Земли. Каким же образом в нашу эпоху восполняются потери кислорода в природе? Это происходит благодаря растениям, которые сохранили способность под действием солнечных лучей (фотосинтетически) превращать углекислый газ и воду в кислород и углеводы (строительный материал клеток растений). Процесс образования в растениях углеводов (целлюлозы, крахмала и других) можно записать таким общим уравнением (здесь n – некое целое число, достаточно большое):

Вспомните предыдущую главу, где мы рассчитали потери кислорода при работе сравнительно маломощного автомобильного двигателя, и вы поймете, почему лесные массивы зачастую называют легкими планеты. Очень важную роль играют и водоросли океана. Все растения Земли в течение года создают около 300 млрд. т кислорода. Таким образом, все блага и само существование человеческой цивилизации целиком зависят от зеленых растений.

Кислород – газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Если на весах уравновесить пустой стакан, а затем через трубку наполнить его кислородом, то равновесие нарушится.

Кислород слабо растворим в воде – в 1 л воды при 20° С растворяется 31 мл кислорода (0,004% по массе). Тем не менее, этого количества хватает для дыхания рыб, живущих в водоемах.

Жидкий кислород – подвижная, слегка голубоватая жидкость, кипящая при -183 ° С. Твердый кислород – синие кристаллы, плавящиеся при еще более низкой температуре -218,7 ° С.

Природный кислород содержит три изотопа: ¹⁶₈O (99,76%), ¹⁷₈O (0,04%), ¹⁸₈O (0,20%).

Самый "легкий" изотоп (кислород-16) имеет атомную массу 15,9949. Два других изотопа имеют массу 16,999 и 17,999. Но "тяжелых" изотопов в природном кислороде крайне мало, поэтому его атомная масса составляет "среднее" значение 15,9994. В свободном виде кислород обычно существует в виде двухатомных молекул О₂.

Структуру молекулы кислорода в первом приближении можно представить следующим образом:

** В реальности молекула кислорода имеет более сложное строение. Экспериментально показано, что в ней имеются неспаренные электроны. Это установлено изучением магнитных свойств кислорода (кислород притягивается магнитом!), Дело в том, что наличие парамагнетизма у молекулы свидетельствует о присутствии в ней неспаренных электронов. Удалось найти и теоретическое объяснение таких необычных свойств молекулы кислорода с помощью современной теории молекулярных орбиталей. В соответствии с этой теорией, при образовании химической связи атомные орбитали (АО) отдельных атомов никуда не "исчезают" - они становятся молекулярными орбиталями (МО). В каждом атоме кислорода на внешнем уровне 4 орбитали: одна s- и три p-, на которых располагаются 6 электронов (...2s² 2p⁴). При образовании молекулы О₂ образуется 8 МО, на которых должны расположиться 12 электронов. Как видно из приведенной ниже диаграммы (МО показаны в виде горизонтальных черточек и расположены снизу вверх по возрастанию энергии), молекулярных орбиталей не хватает для того, чтобы расположить на них все электроны парами. Поэтому два электрона вынуждены оставаться неспаренными (по правилу Гунда):

Трудно сказать, как при этом правильно изображать структурную формулу молекулы кислорода. Можно рассмотреть два варианта:

Судя по длине связи в молекуле О₂ (1,207 ангстрема), вариант с кратными связями ближе к истине. Например, известно, что длина простой связи О–О в молекуле перекиси водорода Н₂О₂ намного больше: 1,48 ангстрема.

Однако валентность (II) для кислорода в подавляющем большинстве его соединений не вызывает никаких сомнений.