تطور الأكسجين

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تطور الأكسجين هو العملية الكيميائية لإنتاج الأكسجين ثنائي الذرة (O₂ ) عن طريق تفاعل كيميائي ، عادةً من الماء ، وهو أكثر مركبات الأكسيد وفرةً في الكون . ويحدث تطور الأكسجين على الأرض من خلال عمليات حيوية مثل التمثيل الضوئي الأكسجيني ، والتفكك الضوئي ، والتحليل الكهربائي المائي ، والتحلل الحراري لأكاسيد وأحماض أكسجينية مختلفة . وعندما يتطلب الأمر أكسجينًا نقيًا نسبيًا في الصناعة، يُستخلص بتقطير الهواء المسال. [ 1 ]

يُعدّ إنتاج الأكسجين الطبيعي ضروريًا للعمليات البيولوجية لجميع أشكال الحياة المعقدة على الأرض، إذ أصبح التنفس الهوائي أهم عملية كيميائية حيوية في الديناميكا الحرارية للكائنات حقيقية النوى منذ تطورها عبر التكافل خلال حقبة البروتيروزويك ، ولا يمكن لهذا الاستهلاك أن يستمر إلا إذا تم تجديد الأكسجين دوريًا عن طريق عملية التمثيل الضوئي. لم تؤثر أحداث الأكسجة المختلفة عبر تاريخ الأرض على التغيرات في الغلاف الحيوي فحسب ، بل أحدثت أيضًا تغييرات جوهرية في كيمياء الغلاف الجوي . وقد أدى تحول الغلاف الجوي للأرض من غلاف جوي مختزل ما قبل حيوي غني بالميثان وكبريتيد الهيدروجين إلى غلاف جوي مؤكسد يشكل النيتروجين والأكسجين الحر فيه 99% من التركيب المولي ، إلى تغيرات مناخية كبيرة وتسبب في العديد من الظواهر الجليدية والعصور الجليدية العالمية .

في الصناعات ، يعتبر تفاعل تطور الأكسجين (OER) عاملاً محدداً في عملية توليد الأكسجين الجزيئي من خلال التفاعلات الكيميائية مثل تحليل الماء والتحليل الكهربائي ، ويُعد التحفيز الكهربائي المحسن لتفاعل تطور الأكسجين مفتاحًا لتقدم عدد من تقنيات الطاقة المتجددة مثل الوقود الشمسي وخلايا الوقود المتجددة وبطاريات الهواء المعدنية .

تطور الأكسجين في الطبيعة

يُعدّ إنتاج الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي العملية الأساسية التي يتم من خلالها توليد الأكسجين في الغلاف الحيوي للأرض . ويُشكّل هذا التفاعل جزءًا من التفاعلات الضوئية في عملية التمثيل الضوئي في البكتيريا الزرقاء والبلاستيدات الخضراء للطحالب والنباتات . ويستغل طاقة الضوء لفصل جزيء الماء إلى بروتوناته وإلكتروناته اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. ويُطلق الأكسجين الحر، الناتج كمنتج ثانوي لهذا التفاعل، في الغلاف الجوي . [ 2 ] [ 3 ]

يُحفَّز أكسدة الماء بواسطة عامل مساعد يحتوي على المنغنيز موجود في النظام الضوئي الثاني ، ويُعرف باسم مُركَّب توليد الأكسجين (OEC) أو مُركَّب تحليل الماء. يُعدّ المنغنيز عاملًا مساعدًا هامًا ، كما أن الكالسيوم والكلوريد ضروريان لحدوث التفاعل. [ 4 ] وتكون نسبة التفاعل كما يلي:

2H 2 O ⟶ 4e − + 4H + + O 2

تُطلق البروتونات في تجويف الثايلاكويد ، مما يُسهم في توليد تدرج بروتوني عبر غشاء الثايلاكويد. يُعد هذا التدرج البروتوني القوة الدافعة لتخليق الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) عبر الفسفرة الضوئية ، وربط امتصاص الطاقة الضوئية بأكسدة الماء لإنتاج الطاقة الكيميائية أثناء عملية التمثيل الضوئي. [ 5 ]

تاريخ الاكتشاف

لم يكتشف جوزيف بريستلي قدرة النباتات على "استعادة" الهواء الملوث بحرق شمعة إلا في أواخر القرن الثامن عشر . ثم تابع تجربته مُثبتًا أن الهواء "المُستعاد" بواسطة النباتات " ليس مزعجًا على الإطلاق للفأر " . لاحقًا، مُنح بريستلي وسامًا لاكتشافاته التي تُؤكد أن "لا نبات ينمو عبثًا... بل يُنقي ويُطهر غلافنا الجوي". وقد خضعت تجارب بريستلي لمزيد من التقييم من قِبل الطبيب الهولندي يان إنجنهاوس ، الذي أثبت أن "استعادة" الهواء لا تتم إلا بوجود الضوء وأجزاء النباتات الخضراء. [ 4 ]

التحليل الكهربائي للماء

ينتج الأكسجين، إلى جانب الهيدروجين (H₂ ) ، من خلال التحليل الكهربائي للماء . والهدف من التحليل الكهربائي للماء هو تخزين الطاقة على شكل غاز الهيدروجين، وهو وقود نظيف الاحتراق. يُعد تفاعل إنتاج الأكسجين (OER) العائق الرئيسي أمام التحليل الكهربائي للماء نظرًا لبطء حركية هذا التفاعل الذي يتطلب نقل أربعة إلكترونات. [ 6 ] جميع المحفزات العملية غير متجانسة .

رسم بياني يوضح المعادلة الكيميائية العامة .

تنتقل الإلكترونات (e− ) من المهبط إلى البروتونات لتكوين غاز الهيدروجين. نصف التفاعل ، مع موازنة الحمض، هو:

2 H + + 2e − → H 2

عند المصعد المشحون إيجابياً، يحدث تفاعل أكسدة ، ينتج عنه غاز الأكسجين ويطلق الإلكترونات إلى المصعد لإكمال الدائرة الكهربائية:

2 ح 2 يا → يا 2 + 4 ح + + 4ه −

يؤدي دمج أي من نصفي التفاعل إلى نفس التحلل الكلي للماء إلى أكسجين وهيدروجين:

رد الفعل العام:
2 H₂O → 2 H₂ + O₂

توليد الأكسجين الكيميائي

على الرغم من أن بعض أكاسيد المعادن تُطلق الأكسجين عند تسخينها، إلا أن هذه التحولات تتطلب عادةً درجات حرارة عالية. وتُطلق بعض المركبات الأكسجين عند درجات حرارة معتدلة. تتكون مولدات الأكسجين الكيميائية من مركبات كيميائية تُطلق الأكسجين عند تحفيزها، عادةً بالحرارة. وتُستخدم هذه المولدات في الغواصات والطائرات التجارية لتوفير الأكسجين في حالات الطوارئ. يُنتج الأكسجين من خلال التحلل الحراري لكلورات الصوديوم : [ 1 ]

2 NaClO 3 → 2 NaCl + 3 O 2

يُطلق برمنجنات البوتاسيوم الأكسجين أيضًا عند تسخينه، لكن الناتج متواضع:

2 KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 غرينوود، نورمان ن .؛ إيرنشو، آلان (1997). كيمياء العناصر (  الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ↑ يانو، جونكو؛ كيرن، يان؛ ياشاندرا، فيتال ك.؛ نيلسون، هاكان؛ كورويدوف، سيرجي؛ ميسينجر، يوهانس (2015). "الفصل 2: ​​إنتاج الأكسجين الجزيئي المعتمد على الضوء في عملية التمثيل الضوئي ". في: بيتر إم إتش كرونيك ومارثا إي سوسا توريس (محرران). استدامة الحياة على كوكب الأرض: الإنزيمات المعدنية التي تتحكم في الأكسجين الجزيئي والغازات الأخرى . أيونات المعادن في علوم الحياة. المجلد 15. سبرينغر. الصفحات 13-43 . doi : 10.1007/978-3-319-12415-5_2 . ISBN   978-3-319-12414-8. PMC 4688042 . PMID 25707465 .  
  3. ↑ غريف، بول؛ شونبورن، ماتياس؛ كابوني، ماتيو؛ أسونساو، ريكاردو؛ نارزي، دانييلي؛ غيدوني، ليوناردو؛ داو، هولغر (2023). "عنق الزجاجة للإلكترون-بروتون في تطور الأكسجين الضوئي" . مجلة نيتشر . 617 (7961): 623-628 . Bibcode : 2023Natur.617..623G . doi : 10.1038/ s41586-023-06008-5 . PMC 10191853. PMID 37138082 .  
  4. 1 2 رافين، بيتر هـ.؛ راي ف. إيفرت؛ سوزان إي. إيشهورن (2005). بيولوجيا النباتات، الطبعة السابعة . نيويورك: دار نشر دبليو إتش فريمان وشركاه. الصفحات 115-127 . ISBN  0-7167-1007-2.
  5. ↑ رافال م، بيسوال ب، بيسوال يو (2005). "لغز تطور الأكسجين: تحليل بنية ووظيفة النظام الضوئي الثاني، مختزلة الماء-بلاستوكينون المؤكسدة". أبحاث التمثيل الضوئي . 85 (3): 267-293 . Bibcode : 2005PhoRe..85..267R . doi : 10.1007/s11120-005-8163-4 . PMID 16170631. S2CID 12893308 .  
  6. ^ أغنية جياجيا. وي، تشاو؛ هوانغ، تشن فنغ؛ ليو، تشونتاي؛ تسنغ، لين؛ وانغ، شين؛ شو، تشيتشوان ج. (2020). “مراجعة لأساسيات تصميم المحفزات الكهربائية لتطور الأكسجين”. مراجعات المجتمع الكيميائي . 49 (7): 2196-2214 . دوى : 10.1039 / C9CS00607A . اتش دي ال : 10356/153346 . بميد 32133479 . S2CID 212416753 .