Восстановительная атмосфера — это атмосферное состояние, при котором окисление предотвращается отсутствием кислорода и других окисляющих газов или паров и которое может содержать активные газы -восстановители , такие как водород , окись углерода , метан и сероводород , которые легко окисляются для удаления любых свободных газов. кислород. Хотя на ранней Земле до протерозоя существовала восстанавливающая пребиотическая атмосфера , начиная примерно 2,5 миллиарда лет назад, в позднем неоархейском периоде , в атмосфере Земли наблюдался значительный рост содержания кислорода и переход в окислительную атмосферу с избытком молекулярного кислорода ( дикислорода) . , O 2 ) в качестве основного окислителя .
Основная задача чугунолитейного производства — переработка оксидов железа (очищенных железных руд) в металлическое железо. Это восстановление обычно осуществляется с использованием восстановительной атмосферы, состоящей из некоторой смеси природного газа , водорода (H 2 ) и монооксида углерода . Побочным продуктом является углекислый газ . [1]
При обработке металлов восстановительную атмосферу используют в печах отжига для релаксации напряжений в металле без коррозии металла. В качестве газа-носителя обычно используется неокисляющий газ, обычно азот или аргон , поэтому можно использовать разбавленные количества восстановительных газов. Обычно это достигается за счет использования продуктов сгорания топлива и подбора соотношения CO:CO 2 . Однако другие распространенные восстановительные среды в металлообрабатывающей промышленности состоят из диссоциированного аммиака, вакуума и/или прямого смешивания достаточно чистых газов N 2 , Ar и H 2 . [2]
Восстановительная атмосфера также используется для оказания специфического воздействия на обжигаемые керамические изделия. Восстановительная атмосфера создается в печи, работающей на топливе , за счет уменьшения тяги и лишения печи кислорода. Этот пониженный уровень кислорода вызывает неполное сгорание топлива и повышает уровень углерода внутри печи. При высоких температурах углерод связывается и удаляет кислород из оксидов металлов, используемых в качестве красителей в глазури. Эта потеря кислорода приводит к изменению цвета глазури, поскольку позволяет видеть металлы в глазури в неокисленной форме. Восстановительная атмосфера также может повлиять на цвет глиняного тела. Если в глиняном теле присутствует железо, как и в большинстве керамических изделий , то на него также будет влиять восстановительная атмосфера.
В большинстве коммерческих мусоросжигательных заводов создаются точно такие же условия, способствующие выделению углеродосодержащих паров. Эти пары затем окисляются в туннелях дожигания, куда постепенно впрыскивается кислород. Реакция экзотермического окисления поддерживает температуру туннелей дожигания. Эта система позволяет использовать более низкие температуры в секции мусоросжигателя, где твердые частицы уменьшаются по объему.
Широко распространено мнение, что атмосфера ранней Земли сокращалась. Эксперимент Миллера-Юри , связанный с некоторыми гипотезами происхождения жизни, повлек за собой реакции в восстановительной атмосфере, состоящей из смешанной атмосферы метана , аммиака и сероводорода . [3] [4] Некоторые гипотезы происхождения жизни предполагают наличие восстановительной атмосферы, состоящей из цианистого водорода (HCN). Эксперименты показывают, что HCN может полимеризоваться в присутствии аммиака с образованием различных продуктов, включая аминокислоты . [5] Тот же принцип применим к Марсу , Венере и Титану .
Предполагается, что цианобактерии являются первыми фотоавтотрофами , развившими кислородный фотосинтез , который во второй половине архейского эона в конечном итоге истощил все восстановители в земных океанах, земной поверхности и атмосфере, постепенно увеличивая концентрацию кислорода в атмосфере, изменяя ее до известную как окислительная атмосфера. Этот рост кислорода первоначально привел к ледниковому периоду продолжительностью 300 миллионов лет , который опустошил биосферу , в которой тогда в основном доминировали анаэробы , вынудив выжившие анаэробные колонии эволюционировать в симбиотические микробные маты с недавно развившимися аэробами . Некоторые аэробные бактерии в конечном итоге стали эндосимбионтами внутри других анаэробов (вероятно, архей ), и возникший в результате симбиогенез привел к эволюции совершенно новой линии жизни — эукариотов , которые воспользовались преимуществами митохондриального аэробного дыхания для обеспечения своей клеточной активности, позволяя жизни процветать. и эволюционировать во все более сложные формы. [6] Повышенное содержание кислорода в атмосфере также в конечном итоге создало озоновый слой , который экранировал вредное ионизирующее ультрафиолетовое излучение , которое в противном случае привело бы к фотодиссоциации поверхностных вод и сделало бы жизнь невозможной на суше и на поверхности океана.
В отличие от гипотетической ранней восстановительной атмосферы, существуют доказательства того, что уровни кислорода в атмосфере Гадеи были аналогичны сегодняшним. [7] Эти результаты позволяют предположить, что пребиотические строительные блоки были доставлены из других уголков галактики. Результаты, однако, не противоречат существующим теориям о жизненном пути от анаэробных организмов к аэробным. Результаты количественно определяют природу молекул газа, содержащих углерод, водород и серу, в самой ранней атмосфере, но они не проливают свет на гораздо более позднее увеличение количества свободного кислорода в воздухе. [8]