Восстановительная атмосфера — это атмосферное состояние, в котором окисление предотвращается отсутствием кислорода и других окисляющих газов или паров, и которое может содержать активно восстанавливающие газы, такие как водород , оксид углерода , метан и сероводород , которые легко окисляются, удаляя любой свободный кислород. Хотя на ранней Земле до протерозойского эона была восстановительная пребиотическая атмосфера , начиная примерно с 2,5 миллиарда лет назад в позднем неоархейском периоде , атмосфера Земли испытала значительный рост кислорода и перешла в окислительную атмосферу с избытком молекулярного кислорода ( дикислорода , O 2 ) в качестве основного окислителя .
Основная задача литейного завода — преобразование оксидов железа (очищенных железных руд) в металлическое железо. Это восстановление обычно осуществляется с использованием восстановительной атмосферы, состоящей из смеси природного газа , водорода (H 2 ) и оксида углерода . Побочным продуктом является диоксид углерода . [1]
В металлообработке восстановительная атмосфера используется в печах отжига для релаксации напряжений металла без коррозии металла. Неокисляющий газ, обычно азот или аргон , обычно используется в качестве газа-носителя, чтобы можно было использовать разбавленные количества восстановительных газов. Обычно это достигается за счет использования продуктов сгорания топлива и подбора соотношения CO:CO 2 . Однако другие распространенные восстановительные атмосферы в металлообрабатывающей промышленности состоят из диссоциированного аммиака, вакуума и/или прямого смешивания соответственно чистых газов N 2 , Ar и H 2 . [2]
Восстановительная атмосфера также используется для создания определенных эффектов на обжигаемых керамических изделиях. Восстановительная атмосфера создается в печи, работающей на топливе, путем уменьшения тяги и лишения печи кислорода. Этот пониженный уровень кислорода вызывает неполное сгорание топлива и повышает уровень углерода внутри печи. При высоких температурах углерод будет связываться с кислородом в оксидах металлов, используемых в качестве красителей в глазури, и удалять его. Эта потеря кислорода приводит к изменению цвета глазури, поскольку она позволяет видеть металлы в глазури в неокисленной форме. Восстановительная атмосфера также может влиять на цвет глиняного тела. Если в глиняном теле присутствует железо, как это происходит в большинстве керамических изделий , то на него также повлияет восстановительная атмосфера.
В большинстве коммерческих мусоросжигательных печей создаются точно такие же условия для стимулирования выброса углеродсодержащих паров. Затем эти пары окисляются в туннелях дожигания, куда постепенно впрыскивается кислород. Экзотермическая реакция окисления поддерживает температуру туннелей дожигания. Эта система позволяет использовать более низкие температуры в секции мусоросжигательной печи, где происходит объемное уменьшение твердых веществ.
Широко распространено мнение, что атмосфера ранней Земли была восстановительной. Эксперимент Миллера-Юри , связанный с некоторыми гипотезами о происхождении жизни, включал реакции в восстановительной атмосфере, состоящей из смешанной атмосферы метана , аммиака и сероводорода . [3] [4] Некоторые гипотезы о происхождении жизни предполагают восстановительную атмосферу, состоящую из цианистого водорода (HCN). Эксперименты показывают, что HCN может полимеризоваться в присутствии аммиака, давая различные продукты, включая аминокислоты . [5] Тот же принцип применим к Марсу , Венере и Титану .
Предполагается, что цианобактерии являются первыми фотоавтотрофами , которые развили оксигенный фотосинтез , который в течение второй половины архейского эона в конечном итоге истощил все восстановители в океанах Земли, на поверхности суши и в атмосфере, постепенно увеличивая концентрацию кислорода в атмосфере, изменяя ее на то, что известно как окислительная атмосфера. Этот рост кислорода первоначально привел к 300-миллионнолетнему ледниковому периоду , который опустошил тогда в основном анаэробную биосферу , заставив выжившие анаэробные колонии эволюционировать в симбиотические микробные маты с недавно эволюционировавшими аэробами . Некоторые аэробные бактерии в конечном итоге стали эндосимбионтами внутри других анаэробов (вероятно, архей ), и полученный симбиогенез привел к эволюции совершенно новой линии жизни — эукариот , которые использовали митохондриальное аэробное дыхание для обеспечения своей клеточной активности, что позволило жизни процветать и развиваться во все более сложные формы. [6] Увеличение содержания кислорода в атмосфере в конечном итоге также создало озоновый слой , который экранировал вредное ионизирующее ультрафиолетовое излучение , которое в противном случае фотодиссоциировало бы поверхностные воды и сделало бы жизнь невозможной на суше и поверхности океана.
В отличие от предполагаемой ранней восстановительной атмосферы, существуют доказательства того, что уровни кислорода в атмосфере Хадея были похожи на сегодняшние. [7] Эти результаты предполагают, что пребиотические строительные блоки были доставлены из других мест галактики. Однако результаты не противоречат существующим теориям о жизненном пути от анаэробных к аэробным организмам. Результаты количественно определяют природу молекул газа, содержащих углерод, водород и серу в самой ранней атмосфере, но они не проливают света на гораздо более поздний рост свободного кислорода в воздухе. [8]