Выделение кислорода - Oxygen evolution

Кислород эволюция это процесс генерации молекулярных кислород (O2) автор химическая реакция, обычно из воды. Выделение кислорода из воды осуществляется кислородным фотосинтез, электролиз воды и термическое разложение различных оксидов. Биологический процесс поддерживает аэробную жизнь. Когда в промышленности требуется относительно чистый кислород, его выделяют перегонкой сжиженного воздуха.[1]

Кислородная эволюция в природе

Основная статья: Комплекс, выделяющий кислород

Фотосинтетическое выделение кислорода - это фундаментальный процесс, посредством которого кислород образуется в земных биосфера. Реакция является частью светозависимые реакции фотосинтеза в цианобактерии и хлоропласты из зеленые водоросли и растения. Он использует энергию свет расщепить молекулу воды на ее протоны и электроны для фотосинтеза. Свободный кислород, образующийся как побочный продукт этой реакции, выделяется в атмосфера.[2]

Окисление воды катализируется марганец -содержащий кофактор содержалась в фотосистема II известный как кислород-выделяющий комплекс (OEC) или водоразделительный комплекс. Марганец важен кофактор, и кальций и хлористый также необходимы для прохождения реакции.[3] Стехиометрия этой реакции следующая:

2H2O ⟶ 4e− + 4H+ + O2

Протоны попадают в просвет тилакоида, тем самым способствуя генерации протонного градиента через тилакоидную мембрану. Этот протонный градиент является движущей силой для АТФ синтез через фотофосфорилирование и связывание поглощения световой энергии и окисления воды с созданием химической энергии во время фотосинтеза.[4]

История открытия

Лишь в конце 18 века Джозеф Пристли случайно обнаружил способность растений «восстанавливать» воздух, который был «поврежден» горением свечи. Он продолжил эксперимент, показав, что воздух «восстановлен» растительность был "совсем не неудобно для мышь." Позже он был награжден медалью за свои открытия, которые: «... ни один овощ не растет напрасно ... но очищает нашу атмосферу». За экспериментами Пристли последовали Ян Ингенхауз, голландский врач, который показал, что «восстановление» воздуха работает только при наличии светлых и зеленых частей растений.[3]

В 1796 году Ингенхауз предположил, что CO2 (углекислый газ ) расщепляется во время фотосинтеза с выделением кислорода, в то время как углерод в сочетании с водой с образованием углеводы. Хотя эта гипотеза была привлекательной и разумной и, следовательно, широко принималась в течение долгого времени, позже она оказалась неверной. Аспирант К. Б. Ван Ниль в Стэндфордский Университет обнаружили, что фиолетовые серные бактерии уменьшить углерод до углеводов, но накапливать сера вместо выделения кислорода. Он смело предположил, что по аналогии с серобактериями, образующими элементарную серу из H2S (сероводород ) растения будут образовывать кислород из H2О (вода). В 1937 году эта гипотеза была подтверждена открытием, что растения способны производить кислород в отсутствие CO.2. Это открытие было сделано Робин Хилл, и, как следствие, выделение кислорода под действием света в отсутствие CO2 был назван Реакция Хилла. Наши текущие знания о механизме выделения кислорода во время фотосинтеза были дополнительно подтверждены в экспериментах по отслеживанию изотопы кислорода от воды до газообразного кислорода.[3]

Электролиз воды

Вместе с водород (ЧАС2) кислород выделяется электролиз воды.

Диаграмма, показывающая общий химическое уравнение.

Электроны (e−) передаются от катода к протонам с образованием газообразного водорода. В половина реакции в балансе с кислотой:

2 ч+ + 2e− → H2

На положительно заряженном аноде окисление происходит реакция, генерируя газообразный кислород и высвобождая электроны к аноду, чтобы замкнуть цепь:

2 ч2О → О2 + 4 часа+ + 4e−

Объединение любой пары половин реакции приводит к одинаковому общему разложению воды на кислород и водород:

Общая реакция:
2 ч2O → 2 H2 + O2

Химическое производство кислорода

Генераторы кислорода химические состоят из химических соединений, выделяющих O2 при некоторой стимуляции, обычно при нагревании. Они используются на подводных лодках и коммерческих самолетах, обеспечивая аварийный кислород. Кислород образуется при высокотемпературном разложении хлората натрия:[1]

2 NaClO3 → 2 NaCl + 3 O2

Перманганат калия также выделяет кислород при нагревании, но выход небольшой.

2 КМно4 → MnO2 + K2MnO4 + O2

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-037941-8.
  2. ^ Яно, Джунко; Керн, Ян; Yachandra, Vittal K .; Нильссон, Хокан; Короидов, Сергей; Мессинджер, Йоханнес (2015). "Глава 2 Светозависимое производство кислорода в фотосинтезе"В книге Питера М. Х. Кронека и Марты Э. Соса Торрес (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие кислород и другие жевательные газы. Ионы металлов в науках о жизни. 15. Springer. С. 13–43. Дои:10.1007/978-3-319-12415-5_2.
  3. ^ а б c Рэйвен, Питер Х .; Рэй Ф. Эверт; Сьюзан Э. Эйххорн (2005). Биология растений, 7-е издание. Нью-Йорк: W.H. Издатели Freeman and Company. С. 115–127. ISBN  0-7167-1007-2.
  4. ^ Раваль М., Бисвал Б., Бисвал Ю. (2005). «Тайна выделения кислорода: анализ структуры и функции фотосистемы II, водно-пластохинон оксидоредуктазы». Фотосинтез Исследования. 85 (3): 267–93. Дои:10.1007 / s11120-005-8163-4. PMID  16170631.

внешняя ссылка