اکسیژن فراوانترین عنصر روی زمین است. اکسیژن به صورت O2 و O3 (ازن) وجود دارد، و در تعدادی از ترکیبات از جمله مولکول های آب موجود است. می توان آن را به صورت محلول در آب مانند مولکول O2 یافت. در نتیجه، 85.7٪ از آب دریا را اکسیژن تشکیل می دهد.
اکسیژن به چه طریق و به چه صورتی با آب واکنش می دهد؟
اکسیژن گازی با آب واکنش نمی دهد. این ماده محلول در آب است و به صورت یک اکسید کننده عمل می کند:
O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-
اکسیژن می تواند مواد آلی را اکسیده کند. این فرآیند اساسا بیولوژیکی است. هر ترکیب منحصر به فرد دارای یک مکانیسم واکنشی است که با استفاده از یک تعادل الکترون می توان آن را تشریح نمود. به مثال های زیر توجه کنید (H2O حذف می شود):
Fe2+ + 0,25 O2 -> Fe(OH)3 + 2,5 H+
Mn2+ + O2 -> MnO2 + 2 H+
NH4+ + 2 O2 -> NO3- + 6 H+
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 4 H+
این مکانیسم ها نشان می دهد که آمونیوم و متان مقادیر زیادی از اکسیژن را مصرف کرده، و واکنش های اکسایش حاصله به تشکیل مقادیر بالاتر یا پایین تر اسید می انجامد. در شرایط عادی، اسید موجود در آب با HCO3-واکنش داده و CO2 را تشکیل می دهد.
اتم اکسیژن بسیار واکنش پذیر است و تقریبا با تمام عناصر دیگر، به استثنای هلیم، نئون، آرگون و کریپتون، به تشکیل اکسید می پردازد. همچنین مقادیر زیادی از ترکیبات آن موجود است که با آب واکنش می دهند.
انحلال پذیری اکسیژن و ترکیبات آن
حلالیت اکسیژن در آب در دمای 25 درجه ی سانتی گراد و فشار 1 بار 40 میلی گرم بر لیتر است. در هوایی با ترکیبات طبیعی، فشار جزئی اکسیژن 0.2 اتمسفر است. که همین امر انحلال پذیری 40 را نتیجه می دهد. یعنی در فشار 0.2 ، 8 میلی گرم O2 در یک لیتر از آبی که با هوا تماس پیدا می کند حل می شود.
حلالیت اکسیژن به شدت وابسته به دما است و در دماهای بالاتر کاهش می یابد. حلالیت اکسیژن، با مقدار مواد جامد محلول، همبستگی منفی دارد. در نتیجه، حلالیت اکسیژن در آب شیرین، بسته به درجه ی حرارت، از حلالیت آن در آب دریا که 1-3 میلی گرم بر لیتر است بیشتر می شود.
سطح اشباع رودخانه ها و دریاچه ها در مناطق کوهستانی معمولا کمتر از زمینهای پست است، زیرا این فاکتور به فشار بستگی دارد.
علت وجود اکسیژن در آب چیست؟
همانطور که قبلا توضیح داده شد، زمانی که آب با هوا تماس پیدا کند، اکسیژن به طور طبیعی در آن حل می شود. اکسیژن نیز برای مقاصد تجاری استعمال می شود. سالانه حدود 100 میلیون تن از این عنصر را برای اهداف صنعتی از هوا استخراج می کنند. از کل این مقدار، 55٪ در تولید فولاد، 25 درصد در صنایع شیمیایی، و باقی مانده نیز در بیمارستان، برای شروع کار موشک و برای برش فلز استعمال می شود.
در صنایع شیمیایی از واکنش میان اکسیژن و اتیلن استفاده می شود، و اتیلن اکسید حاصله به عنوان یک ضد یخ و پلی استر مورد استفاده قرار می گیرد. اکسیژن بسیار واکنش پذیر است و بنابراین می توان از آن برای تجزیه ی مواد خطرناک استفاده کرد. همچنین ممکن است به عنوان یک سفید کننده استفاده شود. اکسیژن موجود در ترکیبات ازن برای ضدعفونی آب آشامیدنی استفاده شده است. استعمال صنعتی اکسیژن موجب آلودگی آب نمی شود.
اثرات زیست محیطی اکسیژن بر آب کدام اند؟
اکسیژن مواد دیگر را اکسیده می کند. این اتفاق برای مثال در طول آتش سوزی، حتی در موجودات زنده، در طول تخریب باکتریایی و در هنگام تبدیل فایل های فلزی رخ می دهد. همه گیاهان و حیوانات برای تنفس نیازمند اکسیژن هستند. اکسیژن بسیار ضروری است، زیرا بخشی از DNA و تقریبا تمام ترکیبات دیگری که از نظر بیولوژیکی مهم هستند، می باشد.
در ریه ها، اکسیژن به اتم های آهن متصل می شود، که عناصر مرکزی هموگلوبین هستند. در مجموع 200 cm3 اکسیژن می تواند توسط این مکانیسم در خون حل شود؛ واضح است که این مقدار از مقدار محلول در آب تجاوز می کند. اکسیژن همراه با ذخایر انرژی باعث فعالیت ماهیچه ای و تولید گرما می شود. این فرایند دی اکسید کربن آزاد می کند، که ساطع شده و سپس توسط گیاهان جذب می شود. گیاهان در طول فتوسنتز اکسیژن اضافی تولید می کنند. گیاهان حاوی بین 4.1 و 4.4 درصد اکسیژن هستند (جرم خشک).
اکسیژن محلول از عوامل مهم برای ثبات آب و بقای موجودات آبی است. ممکن است میکرو ارگانیسم ها با استفاده از اکسیژن، مواد آلی را در آب تجزیه کنند. مصرف اکسیژن در واحد زمان را با BOD (تقاضای بیوشیمیایی اکسیژن) نشان می دهند. آلاینده های آلی ممکن است تاثیرات منفی بر موجودات آبی بگذارند، زیرا BOD را کاهش می دهند. آلودگی حرارتی هم همین مشکل را به دنبال دارد، زیرا حلالیت اکسیژن در آب گرم کمتر است. این امر ممکن است از نتایج تخلیه ی اضافات خنک کننده های آب در آبهای سطحی باشد.
در دریاچه های یوتروفیک و مناطق دریایی نسبتا محصور در خشکی، با افزایش عمق، غلظت اکسیژن به شدت کاهش می یابد. در برخی از موارد، شرایط حتی ممکن است بی هوازی باشد. تغییرات درجه حرارت فصلی در دریاچه ها، از نمونه های طبیعی اثرات دما بر غلظت اکسیژن در آب و اثرات زیست محیطی می باشد. در فصل زمستان، دما و غلظت اکسیژن موجود در آب در همه جا یکسان است. در فصل تابستان، آب در لایه های سطحی گرم تر از آب های عمیق تر بوده و در نتیجه حلالیت اکسیژن آن نیز پایین تر است. جلبک ها و گیاهان در لایه های سطحی برخلاف این روند فعالیت می کنند.
آنها در دمای بالا مقدار زیادی اکسیژن تولید می کنند، که باعث می شود آب از اکسیژن اشباع شود. این گیاهان خیلی سریع میمیرند، و توسط میکرو ارگانیسم هایی که از اکسیژن استفاده می کنند تجزیه می شوند. این میکرو ارگانیسم ها در حال حاضر در لایه های سطحی منابع آب به وفور یافت می شوند. با این حال، مواد آلی اغلب در بخش های پایینی آب ته نشین شده و به صورت رسوبات باقی می مانند.
این امر ممکن است موجب کمبود اکسیژن در فرایند تجزیه شود. هنگامی که یک تعادل زیست محیطی در دریاچه ها برقرار شود، ممکن است این مشکلات حل شود. با این حال، به هنگام تخلیه، کود دهی بیش از حد و غیره، مواد مغذی به آب اضافه می شود که باید تجزیه شوند و جلبک شکوفه را افزایش دهند و ممکن است غلظت اکسیژن را کاهش داده و به سطحی برسانند که هیچ ارگانیسمی در آن زنده نمی ماند. این پدیده معمولا با نام اتروفیکاسیون شناخته می شود (مواد مغذی غنی= eutrophic ، مواد مغذی فقیر= oligotrophic). غلظت حیاتی اکسیژن برای ماهی 4 میلی گرم O2در هر لیتر آب است.
عموما اکسیژن به صورت O2 خالص، در مقداری منتشر نمی شود که برای هیچ یک از ارگانیسم های هوازی خطرناک باشد. از لحاظ تئوری، چنین غلظت هایی قابل حصول هستند و فشار جزئی حیاتی برای هر گونه متفاوت است.
اتم اکسیژن را می توان در تعدادی از ترکیبات آلی و معدنی سمی یافت. به عنوان مثال هایی برای ترکیبات سمی اکسیژن، می توان هایپر اکسیدها و پراکسید ها را نام برد. برخی از مواد در شرایط کم اکسیژن در آب سمی هستند، زیرا تنفس موجودات افزایش یافته و در نتیجه مواد با سرعت بیشتری جذب می شوند. برای موجودات بی هوازی اجباری، غلظت بالای اکسیژن سمی است.
ازن زمانی که در تروپوسفر موجود باشد، یک آلاینده ی زیست محیطی محسوب می شود. در استراتوسفر به عنوان یک لایه ی محافظ عمل می کند که منعکس کننده ی اشعه ی ماوراء بنفش خورشیدی است. بدون این لایه ی ازن، زندگی بر روی زمین غیر ممکن خواهد بود. تعدادی از گونه های گیاهی به غلظت های بالای ازن در هوا حساس هستند. این علائم استرس واضحی را نشان نمی دهد، بلکه در قالب محدودیت هایی در رشد گیاهان خود را نشان می دهد.
اکسیژن دارای سه ایزوتوپ پایدار و پنج ایزوتوپ ناپایدار است.
عوارض بهداشتی اکسیژن موجود در آب کدام اند؟
غلظت کل اکسیژن در بدن انسان حدود 60 درصد از وزن کل بدن است. این مقدار ممکن است به شدت متفاوت باشد، چرا که به طور عمده در مولکول های آب موجود است. همانطور که قبلا برای دیگر موجودات زنده توضیح دادیم، انسان اکسیژن را از طریق ریه ها جذب کرده، سپس آن را از طریق خون به ارگان های مختلف منتقل می کند. این اکسیژن توسط مویرگ های بسیار خوب به ارگان ها تحویل داده می شود.
اتم اکسیژن بخشی از هیدروکسیل، کربونیل، و دیگر گروه های کاربردی است و به صورت ترکیب با هموگلوبین از طریق خون منتقل شده و پس از آن به صورت میوگلوبین در عضلات ذخیره می شود. حضور اکسیژن در آب آشامیدنی مطلوب است، زیرا به تشکیل پوشش های محافظ در داخل لوله های فلزی انتقال آب کمک می کند. برای حصول این امر به غلظت 6/8 میلی گرم بر لیتر نیاز است.
رادیکال های اکسیژن مسئول بیماری های اکتسابی مانند سرطان و بیماری های قلبی و عروقی هستند.
هنگامی که غلظت اکسیژن موجود در هوا کمتر از 3٪ باشد، عموما مرگ از طریق خفگی رخ می دهد. در غلظت کمتر از 7٪، شخص ممکن است آگاهی اش را از دست بدهد. اکسیژن بیش از حد ممکن است کشنده باشد. غواصان ورزشی که اکسیژن خالص تنفس می کنند اغلب دچار گرفتگی می شوند. نوزادانی که در محل پرورش اطفال زودرس اکسیژن بیش از حد دریافت می کنند، عموما کور می شوند.
اکسیژن به صورت ازن ممکن است به ریه ها آسیب برساند. اشکال سمی اکسیژن عبارتند از هایپر اکسیدها، پراکسیدها و رادیکالهای هیدروکسیل.
برای زدودن اکسیژن از آب، کدام یک از تکنولوژی های تصفیه ی آب را می توان استفاده کرد؟
از دلایلی که ممکن است شخصی بخواهد برای حذف اکسیژن از آب اقدام کند این است که اکسیژن ممکن است لوله های آب را خراب کند. با فرایندهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی می توان این مشکل را حل کرد، برای مثال صمغ های تبادل یون. اصل اساسی این روش، واکنش بین هیدروژن و اکسیژن است: 2H2 + O2 -> 2H2O . این واکنش ممکن است توسط ترکیبات مختلفی کاتالیز شده و در نتیجه خود به خود به پایان برسد. اگر به مقدار کافی هیدروژن وجود داشته باشد، ممکن است صمغ های یونی که پالادیوم به آن ها افزوده شده است، غلظت اکسیژن آب را کاهش دهند.. -> N2 + 2 H2O O2 + N2H4: هیدرازین یک ترکیب کاهشی محتمل دیگر است که ممکن است به جای هیدروژن استفاده شود: O2 + N2H4 -> N2 + 2 H2O. .
یک روش ساده تر که نمی توان در هر شرایطی استعمال نمود حذف حرارتی اکسیژن است. قابلیت انحلال گاز در آب در دمای تبخیر برابر صفر است. اصل تخلیه گاز حرارتی بر مبنای این واقعیت است. این فرایند به صورت تخلیه گازهای تحت فشار کمی بیش از فشار طبیعی (تا 5 بار)، و یا به صورت تخلیه گاز های خلاء تحت فشار کمی کمتر از فشار طبیعی عمل می کند. از سوی دیگر، غنی سازی آب با اکسیژن ممکن است به حذف آلاینده ها کمک کند.
می توان توسط هوادهی مصنوعی، مثلا با هدایت آب به آبشار ها، با شستشوی آب از طریق هواده های سطحی، با قرار دادن هوا در فیلتر های فشار، با اضافه کردن هوا از طریق افزایش جریان آب (به عنوان مثال در مکان های خطرناک) و یا هوادهی با اکسیژن خالص به این مقصود دست یافت. هوادهی در کارخانه های تصفیه آب و حتی در رودخانه های وسیع قابل اجرا است. اکسیژن دارای اثر پاکسازی است، چون برای میکرو ارگانیسم ها ضروری است و چون ترکیبات را اکسیده می کند. بنابراین، آلودگی آب را توسط BOD یا COD (تقاضای شیمیایی اکسیژن) نشان می دهند.
مقدار BOD که اغلب استعمال می شود، غلظت اکسیژنی را نشان می دهد که توسط میکرو ارگانیسم ها ظرف پنج روز در 20 درجه ی سانتی گراد در یک محیط هوازی استعمال می شود تا مواد آلی را به دی اکسید کربن، آب و زیست توده ی جدید تبدیل کنند. و به عنوان میلی گرم O2 در هر لیتر فاضلاب بیان می شود. ضرب این عدد در حجم فاضلاب، مقدار مواد خطرناک را به دست می دهد. BOD در واحد زمان را بار BOD می نامند. موادی که به سختی تجزیه پذیر هستند، به دلیل کوتاه بودن زمان اندازه گیری، حذف شده اند.
COD نشان دهنده ی مقدار اکسیژن (میلی گرم) لازم برای اکسید کردن تمام مواد اکسید شونده، در هر لیتر از فاضلاب است. این مواد نه تنها مواد آلی که به راحتی قابل تجزیه هستند، بلکه ترکیباتی را هم که به سختی قابل تجزیه هستند و ترکیبات مقاوم (برای مثال ترکیبات کلر آلی) را نیز شامل می شود و در نتیجه از مقدار BOD تجاوز می کند.
ازن می تواند برای تصفیه آب استفاده شود؛ برای مثال برای ضدعفونی استخر شنا و یا آب آشامیدنی. این ماده نسبت به گاز کلر ضد عفونی کننده ی قوی تری است، اما حفاظت در مقابل باکتری تنها تا مدت زمان مختصری بر جای می ماند. ازن فرم ناپایدار اکسیژن است و به همین دلیل به سرعت به O2تبدیل می شود، که مطلوب است، زیرا ازن به ریه آسیب می زند.