§ 18. Кислород и озон в природе

Определения и обозначения

Кислород как химический элемент — это вид атомов, который обозначают латинской буквой O. Атомы кислорода входят в состав воды, минералов и множества других природных веществ. Поэтому кислород широко распространён, даже если рядом нет газа, которым мы дышим. Различие между элементом и веществом помогает верно описывать состав природных объектов.

Простое вещество кислород имеет формулу O₂: каждая его молекула состоит из двух атомов кислорода. В природе он присутствует в воздухе и растворён в воде, где им могут пользоваться водные организмы. Запас кислорода в атмосфере пополняется прежде всего при фотосинтезе. Запись O₂ показывает именно молекулы газа, а не все атомы элемента в природе.

Озон — простое вещество с формулой O₃, молекула которого содержит три атома кислорода. Он встречается в атмосфере, причём основная его часть находится в стратосфере — слое атмосферы выше той, где мы живём. Озон нельзя считать просто другой записью кислорода O₂: это вещество с иным составом молекул и другими свойствами. Его расположение и способность поглощать ультрафиолет делают озон важным для жизни на Земле.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Кислород образует две такие формы: O₂ и O₃, то есть кислород и озон. Атомы у них принадлежат одному элементу, но число атомов в молекуле различается, поэтому различаются и свойства веществ. Это понятие помогает понять, почему кислород и озон — не разные элементы, хотя ведут себя неодинаково.

Как это устроено

Кислород широко распространён, потому что его атомы легко входят в состав многих соединений. В воде они соединены с атомами водорода, а в минералах — с атомами других элементов. Поэтому химический элемент кислород обнаруживается в большом числе природных веществ, хотя они не обязательно содержат свободный газ O₂. Чем разнообразнее состав природных соединений, тем больше способов встретить в них атомы кислорода.

В атмосферу кислород поступает главным образом благодаря фотосинтезу. Растения, водоросли и некоторые бактерии используют энергию света, чтобы создавать органические вещества, и при этом выделяют O₂. Кислород расходуется, когда организмы дышат, вещества горят или медленно окисляются, например при ржавлении железа. Эти процессы идут постоянно, поэтому атмосферный запас зависит и от образования, и от потребления газа.

Содержание кислорода в воздухе не уменьшается непрерывно, потому что его потребление в природе сопровождается фотосинтезом, при котором газ образуется. Это не означает, что каждое отдельное дыхание или горение немедленно компенсируется равным выделением кислорода рядом. Речь идёт о взаимосвязанных процессах в масштабах природы и времени. Их связь входит в круговорот веществ, благодаря которому состав атмосферы остаётся близким к устойчивому.

Озон образуется в атмосфере, когда излучение или электрические разряды воздействуют на молекулы кислорода и помогают перестроить их. В результате могут возникать молекулы O₃ из атомов кислорода. Озон распределён неравномерно: условия для его образования и разрушения меняются с высотой, поэтому основная его часть сосредоточена в стратосфере. Это не сплошная оболочка из чистого озона, а область атмосферы, где его содержание сравнительно повышено.

Озоновый слой важен, потому что озон поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы больше этого излучения достигало поверхности Земли, оно могло бы повреждать клетки и вредить организмам. Поэтому состояние озонового слоя имеет значение для всей природы, а не только для отдельных видов. При этом озон у поверхности земли в высокой концентрации не полезен: его защитная роль связана прежде всего с нахождением в стратосфере.

Кислород и озон в природе

Сравнивайте вещества по одной строке таблицы: так легче увидеть, что у них общего и чем они различаются. Для вопроса о строении смотрите на состав молекул, а для роли в природе — на последнюю строку. Помните, что таблица сравнивает простые вещества O₂ и O₃, а не все соединения, в которые входит химический элемент кислород.

Разбор задач

Задача 1. В каких природных объектах кислород встречается как элемент, а в каких — как простое вещество?

Нужно отличить атомы кислорода в составе соединений от молекул свободного газа O₂. Не стоит определять форму кислорода только по тому, есть ли он в объекте: важно выяснить, с какими атомами он связан. Сравним воду, минерал и воздух. Каждый пример проверим по химической записи и составу.

1. В молекуле воды H₂O есть атомы кислорода, соединённые с атомами водорода. Значит, в воде присутствует элемент кислород, но вода не является простым веществом O₂.
2. В минералах кислород также обычно входит в состав соединений с другими элементами. Это пример распространения элемента в связанном виде.
3. В воздухе есть молекулы O₂, состоящие только из атомов кислорода. Здесь кислород встречается как простое вещество.

Ответ: в воде и минералах кислород обычно находится в составе соединений как химический элемент, а в воздухе — в составе молекул простого вещества O₂. Чтобы проверить себя, спросите: кислород связан с атомами других элементов или молекула состоит только из атомов O? В первом случае речь идёт об элементе в составе соединения, во втором — о простом веществе. Одна и та же запись O в составе формулы не означает, что там находится газ O₂.

Задача 2. Почему содержание кислорода в атмосфере не уменьшается постоянно?

В условии названы процессы, при которых кислород расходуется: дыхание организмов и окисление веществ. Чтобы объяснить, почему его доля не падает постоянно, нужно найти процесс, возвращающий O₂ в атмосферу. Такой процесс — фотосинтез. Сопоставим образование и потребление газа, не предполагая, что они уравновешиваются в каждом месте и каждую секунду.

1. При дыхании организмы используют кислород, а при окислении он расходуется на превращение веществ. Горение тоже потребляет O₂.
2. При фотосинтезе растения, водоросли и некоторые бактерии, используя энергию света, выделяют кислород. Значит, в природе есть источник пополнения атмосферного запаса.
3. Эти процессы связаны в круговороте веществ: кислород образуется и расходуется в разных местах и в разное время. Их взаимосвязь помогает поддерживать состав атмосферы близким к устойчивому.

Ответ: кислород не исчезает из атмосферы постоянно, потому что фотосинтез пополняет его запас, а дыхание, окисление и горение расходуют. Проверка рассуждения проста: нужно назвать и процессы потребления, и источник образования O₂. Не следует утверждать, что фотосинтез сразу компенсирует каждое отдельное дыхание или горение. Баланс поддерживается совокупностью процессов в природе.

Задача 3. Сравните кислород O₂ и озон O₃ по составу, распространению в атмосфере и значению для организмов.

Здесь сравниваются две формы одного элемента, поэтому начнём с формул. Затем укажем, где каждая из них встречается в атмосфере, и свяжем расположение с её ролью. Важно не смешивать кислород, необходимый для дыхания, и озон, защищающий от части ультрафиолета. Сравнение по одинаковым признакам делает вывод точным.

1. Молекула O₂ состоит из двух атомов кислорода, а O₃ — из трёх. Это простые вещества одного химического элемента, то есть аллотропные формы.
2. Кислород содержится в воздухе вблизи поверхности Земли и в атмосфере в целом. Озон есть в атмосфере в небольших количествах, но основная его часть сосредоточена в стратосфере.
3. Кислород используют для дыхания многие организмы. Стратосферный озон поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения и тем самым защищает живые организмы.

Ответ: O₂ и O₃ различаются числом атомов в молекуле, распространением и ролью, но оба состоят из атомов элемента кислород. Проверьте себя: не называйте озон газом, которым организмы обычно дышат, и не приписывайте кислороду O₂ защитную функцию озонового слоя. Роль озона связана с поглощением части ультрафиолета в стратосфере. Именно сочетание состава, местонахождения и значения позволяет правильно сравнить эти вещества.

Типичные ошибки

Ошибка: считать кислород в составе воды тем же газом O₂, который находится в воздухе. Её допускают, потому что в обеих записях встречается обозначение O, но вода H₂O — соединение, а O₂ — простое вещество. Проверьте себя по формуле: есть ли в молекуле атомы других элементов? Если да, перед вами соединение с кислородом, а не газ O₂.

Ошибка: считать кислород и озон разными химическими элементами. Путаница возникает из-за разных свойств и формул веществ. Однако молекулы обоих веществ состоят только из атомов кислорода: O₂ содержит два атома, O₃ — три. Чтобы проверить ответ, сравните состав молекул, а не только названия и свойства.

Ошибка: представлять озон равномерно распределённым по всей атмосфере. Можно ошибочно вообразить озоновый слой как одинаковую прослойку или считать, что озона больше всего у поверхности Земли. На самом деле его содержание меняется с высотой, и основная часть находится в стратосфере. Проверка — уточнить, где расположена основная часть озона, а не говорить о его одинаковом количестве повсюду.

Ошибка: путать озоновый слой с кислородом, которым дышат организмы. Обе формы содержат атомы кислорода, поэтому их значение иногда смешивают. Но кислород O₂ нужен для дыхания многих организмов, а стратосферный озон прежде всего поглощает часть ультрафиолетового излучения. Проверьте себя вопросом: о газе для дыхания или о защите от ультрафиолета идёт речь?

Связь с другими темами

Для этой темы нужно различать химический элемент, атом и простое вещество: обозначения O, O₂ и O₃ отвечают на разные вопросы о составе. Кислород и озон также связаны с фотосинтезом и дыханием: один процесс пополняет атмосферный запас O₂, а другой его расходует. Эти взаимосвязанные процессы входят в круговорот веществ в природе. Позже знания о кислороде пригодятся при изучении окисления и горения, а сведения об озоне — при разговоре об охране окружающей среды.

Что запомнить

• Кислород как химический элемент обозначают O, а простое вещество кислород — O₂.
• Озон O₃ и кислород O₂ — аллотропные формы химического элемента кислорода.
• Кислород входит в состав воды, минералов и многих других природных веществ.
• Фотосинтез пополняет запас кислорода в атмосфере, а дыхание и окисление его расходуют.
• Озон образуется в атмосфере под действием излучения и электрических разрядов.
• Озоновый слой поглощает значительную часть опасного для живых организмов ультрафиолетового излучения.