Выделение кислорода
кислорода Выделение — это процесс образования молекулярного кислорода (O 2 ) в результате химической реакции , обычно из воды. Выделение кислорода из воды происходит за счет кислородного фотосинтеза , электролиза воды и термического разложения различных оксидов. Биологический процесс поддерживает аэробную жизнь. Когда в промышленности требуется относительно чистый кислород, его выделяют путем перегонки сжиженного воздуха. [1]
Эволюция кислорода в природе
[ редактировать ]Фотосинтетическое выделение кислорода — фундаментальный процесс образования кислорода в земной биосфере . Реакция является частью светозависимых реакций фотосинтеза у цианобактерий и хлоропластов зеленых водорослей и растений . Он использует энергию света для разделения молекулы воды на протоны и электроны для фотосинтеза. Свободный кислород, образующийся как побочный продукт этой реакции, выбрасывается в атмосферу . [2] [3]
Окисление воды катализируется марганецсодержащим содержащимся кофактором, в фотосистеме II , известным как кислородвыделяющий комплекс (ОЕС) или водорасщепляющий комплекс. Марганец является важным кофактором , а кальций и хлорид . для протекания реакции также необходимы [4] Стехиометрия этой реакции следующая:
- 2Н 2 О ⟶ 4е − + 4Ч + + Около 2
Протоны высвобождаются в просвет тилакоида , способствуя тем самым генерации протонного градиента через мембрану тилакоида. Этот протонный градиент является движущей силой синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) посредством фотофосфорилирования и сочетания поглощения световой энергии и окисления воды для создания химической энергии во время фотосинтеза. [5]
История открытия
[ редактировать ]Лишь в конце XVIII века Джозеф Пристли случайно обнаружил способность растений «восстанавливать» воздух, «поврежденный» горением свечи. Он продолжил эксперимент, показав, что воздух, «восстановленный» растительностью , «совсем не неприятен для мышей ». Позже он был награжден медалью за открытие того, что «...ни один овощ не растет зря... но очищает и очищает нашу атмосферу». Эксперименты Пристли были дополнительно оценены Яном Ингенхаузом , голландским врачом, который затем показал, что «восстановление» воздуха работает только в присутствии светлых и зеленых частей растений. [4]
Электролиз воды
[ редактировать ]Вместе с водородом (H 2 выделяется кислород ) при электролизе воды . Целью электролиза воды является сохранение энергии в виде газообразного водорода, экологически чистого топлива. «Реакция выделения кислорода (OER) является основным узким местом [электролиза воды] из-за вялой кинетики этой реакции четырехэлектронного переноса». [6] Все практические катализаторы гетерогенны .
Электроны (е − ) передаются от катода к протонам с образованием газообразного водорода. Полуреакция , уравновешенная кислотой:
- 2 часа + + 2е − → Ч 2
На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления , в результате которой образуется газообразный кислород и высвобождаются электроны на анод, чтобы замкнуть цепь:
- 2 Н 2 О → О 2 + 4 Н + + 4е −
Объединение любой пары полуреакций приводит к одинаковому общему разложению воды на кислород и водород:
- Общая реакция:
- 2 Ч 2 О → 2 Ч 2 + О 2
Химическое производство кислорода
[ редактировать ]Хотя некоторые оксиды металлов в конечном итоге выделяют O2 при нагревании, эти превращения обычно требуют высоких температур. Некоторые соединения выделяют O2 при умеренных температурах. Химические генераторы кислорода состоят из химических соединений, которые выделяют O 2 при стимуляции, обычно при нагревании. Они используются на подводных лодках и коммерческих самолетах для аварийного обеспечения кислородом. Кислород образуется при высокотемпературном разложении хлората натрия : [1]
- 2 NaClO 3 → 2 NaCl + 3 O 2
Перманганат калия также выделяет кислород при нагревании, но выход скромный.
- 2 KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Яно, Джунко; Керн, Ян; Ячандра, Виттал К.; Нильссон, Хокан; Короидов Сергей; Мессингер, Йоханнес (2015). «Глава 2 Светозависимое производство дикислорода при фотосинтезе ». Питер М. Х. Кронек и Марта Э. Соса Торрес (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие дикислород и другие жевательные газы . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 15. Спрингер. стр. 13–43. дои : 10.1007/978-3-319-12415-5_2 . ISBN 978-3-319-12414-8 . ПМК 4688042 . ПМИД 25707465 .
- ^ Грейф, Пол; Шенборн, Матиас; Капоне, Маттео; Ассунсао, Рикардо; Нарзи, Даниэле; Гвидони, Леонардо; Дау, Хольгер (2023). «Электронно-протонное узкое место фотосинтетической эволюции кислорода» . Природа . 617 (7961): 623–628. Бибкод : 2023Natur.617..623G . дои : 10.1038/s41586-023-06008-5 . ПМЦ 10191853 . ПМИД 37138082 .
- ^ Перейти обратно: а б Рэйвен, Питер Х.; Рэй Ф. Эверт; Сьюзан Э. Эйххорн (2005). Биология растений, 7-е издание . Нью-Йорк: Издатели WH Freeman and Company. стр. 115–127. ISBN 0-7167-1007-2 .
- ^ Раваль М., Бисвал Б., Бисвал У. (2005). «Тайна эволюции кислорода: анализ структуры и функции фотосистемы II, водно-пластохинон оксидоредуктазы». Исследования фотосинтеза . 85 (3): 267–93. Бибкод : 2005PhoRe..85..267R . дои : 10.1007/s11120-005-8163-4 . ПМИД 16170631 . S2CID 12893308 .
- ^ Сун, Цзяцзя; Вэй, Чао; Хуанг, Чжэнь-Фэн; Лю, Чунтай; Цзэн, Линь; Ван, Синь; Сюй, Чжичуань Дж. (2020). «Обзор основ проектирования электрокатализаторов выделения кислорода». Обзоры химического общества . 49 (7): 2196–2214. дои : 10.1039/C9CS00607A . hdl : 10356/153346 . ПМИД 32133479 . S2CID 212416753 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Физиология растений онлайн, 4-е издание: Тема 7.7 — Эволюция кислорода
- Эволюция кислорода - Конспект лекций Энтони Крофтса, UIUC
- Эволюция атмосферы - Конспект лекций, Регенты Мичиганского университета.
- Как получить кислород и водород из воды с помощью электролиза