«Круговорот кислорода в природе» Курсовая работа

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова
Химический факультет
Кафедра общей химии
Курсовая работа
«Круговорот кислорода в природе»
Выполнила студентка I курса группы 112
геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова
Сидорина Юлия Николаевна
Москва
2007 г.
Содержание.
1. Понятие круговорота.................................................................................................................2
2. Круговорот кислорода...............................................................................................................4
2.1. Общие сведения о кислороде-элементе....................................................................4
2.2. Круговорот кислорода................................................................................................7
Список используемой литературы.............................................................................................12
1
1. Понятие круговорота.
Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли
постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический
характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в
первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории
Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.
Круговорот веществ - многократно повторяющийся процесс совместного,
взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или
менее цикличный характер. Общий круговорот веществ характерен для всех геосфер и
складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов, воды, газов и
других веществ. Процессы круговорота не полностью обратимы из-за рассеивания
веществ, изменения его состава, местной концентрации и деконцентрации.
Для обоснования и пояснения самого понятия круговорота полезно обратиться к
четырем важнейшим положениям геохимии, которые имеют первостепенное прикладное
значение и подтверждены бесспорными опытными данными:
а) повсеместное распространение химических элементов во всех геосферах;
б) непрерывная миграция (перемещение) элементов во времени и в пространстве;
в) многообразие видов и форм существования элементов в природе;
г) преобладание рассеянного состояния элементов над концентрированным, особенно
для рудообразующих элементов.
Более всего, на мой взгляд, стоит остановить свое внимание на процессе
перемещения химических элементов.
Миграция химических элементов находит отражение в гигантских тектономагамтических процессах, преобразующих земную кору, и в тончайших химических
реакциях, протекающих в живом веществе, в непрерывном поступательном развитии
окружающего мира, характеризуя движение как форму существования материи. Миграция
химических
элементов
определяется
многочисленными
внешними
факторами,
в
частности, энергией солнечного излучения, внутренней энергией Земли, действием силы
тяжести и внутренними факторами, зависящими от свойств самих элементов.
Круговороты могут происходить на ограниченном пространстве и на протяжении
небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную часть планеты и
огромные периоды. При этом малые круговороты входят в более крупные, которые в
своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они
тесно связаны с окружающей средой.
2
Гигантские массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В
первую очередь это относится к растворенным газам - диоксиду углерода, кислороду,
азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с
океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость
газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при
смене теплых и холодных сезонов года.
Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление
жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов
органического вещества - углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно
важных элементов как азот, сера и фосфор. Живые организмы оказывают влияние и на
круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса
живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и
животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов. Существует
закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий
на всех этапах её развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического
круговорота в ходе сукцессии1. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль
биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота.
Деятельность человека также оказывает влияние на круговорот элементов.
Особенно заметным оно стало в последнее столетие. При рассмотрении химических
аспектов глобальных изменений в круговоротах химических элементов следует учитывать
не только изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления
присутствующих в них химических веществ в результате обычных циклических и/или
вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических
веществ, ранее не существовавших в природе.
Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих
процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются
безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических
извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные
элементы, например, азот, сера.
Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый
(биотический).
Сукцессия (от лат. succesio – преемственность) - последовательная смена экосистем, преемственно
возникающих на определенном участке земной поверхности. Обычно сукцессия происходит под влиянием
процессов внутреннего развития сообществ, их взаимодействия с окружающей средой. Длительность
сукцессии составляет от десятков до миллионов лет.
1
3
Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что
горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе
растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где
они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками.
Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна,
перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти
напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и
состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе
растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих растений,
так и других организмов (как правило, животных), которые поедают их. Продукты
распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов
(бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных
растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.
Таким образом, круговорот химических веществ из неорганической среды через
растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием
солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом.
В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те,
которые участвуют в построении живой клетки.
2. Круговорот кислорода в природе.
2.1. Общие сведения о кислороде-элементе.
История открытия. Официально считается, что кислород был открыт английским
химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 путём разложения оксида ртути в герметично
закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью
мощной линзы):
2HgO (t)→ 2Hg + O2↑
Однако, Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество. Он
считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ
«дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся
французскому химику Антуану Лавуазье.
Несколькими годами ранее (возможно, в 1770-м) кислород получил шведский
химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал
4
получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё
открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже,
чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем
кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы
французского химика Петра Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и
последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа Антуан Лавуазье,
воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное
значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и
тормозившая развитие химии флогистонная теория2. Лавуазье провел опыт по сжиганию
различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу
сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало
Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление)
вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теории
флогистона.
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой
Пристли, Шееле и Лавуазье.
Происхождение названия. Название oxygenium («кислород») происходит от
греческих слов, обозначающих «рождающий кислоту»; это связано с первоначальным
значением термина «кислота». Ранее этим термином называли оксиды.
Нахождение в природе. Кислород - самый распространенный на Земле элемент, на
его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится
около 47,4 % массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное
количество связанного кислорода - 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного
кислорода составляет 20,95 % (по объему). Элемент кислород входит в состав более 1500
соединений земной коры.
Физические свойства. При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897
г/л. Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет) -182,9 °C. В
твердом состоянии кислород существует по крайней мере в трех кристаллических
модификациях. При 20°C растворимость газа О2: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл
этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие жидкости
Флогисто́н (от греч. phlogistos - горючий, воспламеняемый) - гипотетическая «огненная субстанция»,
якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении.
2
5
(например,
перфторбутилтетрагидрофуран),
в
которых
растворимость
кислорода
значительно более высокая.
Химические свойства элемента определяются его электронной конфигурацией:
[He]2s22p4 . Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2 приводит
к тому, что при комнатной температуре газообразный кислород химически довольно
малоактивен. В природе он медленно вступает в превращения при процессах гниения.
Кроме того, кислород при комнатной температуре способен реагировать с гемоглобином
крови (точнее с железом (II) гема3), что обеспечивает перенос кислорода от органов
дыхания к другим органам.
Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без нагревания,
например, с щелочными и щёлочноземельными, вызывает образование ржавчины на
поверхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белым фосфором, с
некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.
При нагревании, даже небольшом, химическая активность кислорода резко
возрастает. При поджигании он реагирует со взрывом с водородом, метаном, другими
горючими газами, с большим числом простых и сложных веществ. Известно, что при
нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе многие простые и сложные вещества
сгорают, причем образуются различные оксиды, пероксиды и супероксиды, такие как SO2,
Fe2O3, Н2О2, ВаО2, КО2.
Если смесь кислорода и водорода хранить в стеклянном сосуде при комнатной
температуре, то экзотермическая реакция образования воды 2Н2 + О2 = 2Н2О + 571 кДж
протекает крайне медленно; по расчету, первые капельки воды должны появиться в сосуде
примерно через миллион лет. Но при внесении в сосуд со смесью этих газов платины или
палладия (играющих роль катализатора), а также при поджигании реакция протекает со
взрывом.
С азотом N2 кислород реагирует или при высокой температуре (около 1500-2000
°C), или при пропускании через смесь азота и кислорода электрического разряда. При
этих условиях обратимо образуется оксид азота (II): N2 + O2 = 2NO. Возникший NO затем
реагирует с кислородом с образованием бурого газа (диоксида азота): 2NO + О2 = 2NO2.
Из неметаллов кислород напрямую ни при каких условиях не взаимодействует с
галогенами, из металлов - с серебром, золотом, платиной и металлами платиновой группы.
С самым активным неметаллом фтором кислород образует соединения в
положительных степенях окисления. Так, в соединении O2F2 степень окисления кислорода
+1, а в соединении O2F - +2. Эти соединения принадлежат не к оксидам, а к фторидам.
3
Гем - производное порфирина, содержащего в центре молекулы атом двухвалентного железа.
6
Фториды кислорода можно синтезировать только косвенным путем, например, действуя
фтором F2 на разбавленные водные растворы КОН.
Применение. Применение кислорода очень разнообразно. Основные количества
получаемого из воздуха кислорода используются в металлургии. Кислородное (а не
воздушное) дутьё в домнах позволяет существенно повышать скорость доменного
процесса, экономить кокс и получать чугун лучшего качества. Кислородное дутьё
применяют в кислородных конвертерах при переделе чугуна в сталь. Чистый кислород
или воздух, обогащённый кислородом, используется при получении и многих других
металлов (меди, никеля, свинца и др.). Кислород используют при резке и сварке металлов.
При этом применяют сжатый газообразный кислород, хранимый под давлением 15 МПа в
специальных стальных баллонах. Баллоны с кислородом окрашены в голубой цвет для
отличия от баллонов с другими газами.
Жидкий кислород — мощный окислитель, его используют как компонент
ракетного топлива. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона один из самых мощных
окислителей ракетного топлива. Пропитанные жидким кислородом такие легко
окисляющиеся материалы, как древесные опилки, вата, угольный порошок и др. (эти
смеси называют оксиликвитами), используют как взрывчатые вещества, применяемые,
например, при прокладке дорог в горах.
2.2. Круговорот кислорода.
Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде
содержится 88,8% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,95% по
объему, а в земной коре 47,4% по весу.
Кислород в атмосфере Земли начал накапливаться в результате деятельности
первичных фотосинтезирующих организмов, появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет
назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала около 1% кислорода;
постепенно из восстановительной она превращалась в окислительную и примерно 400
млн. лет назад приобрела современный состав. Наличие в атмосфере кислорода в
значительной степени определило характер биологической эволюции. Аэробный (с
участием О2) обмен веществ возник позже анаэробного (без участия О2), но именно
реакции биологического окисления, более эффективные, чем древние энергетические
процессы брожения4 и гликолиза5, снабжают живые организмы большей частью
Броже́ние (тж. сбра́живание, фермента́ция) - это, в наиболее строгом смысле, анаэробный метаболический
распад молекул питательных веществ, например глюкозы, без окисления в чистом виде.
4
7
необходимой им энергии. Исключение составляют облигатные анаэробы, например,
некоторые паразиты, для которых кислород является ядом. Использование кислорода,
обладающего высоким окислительно-восстановительным потенциалом, в качестве
конечного
акцептора
электронов
в
цепи
дыхательных
ферментов,
привело
к
возникновению биохимического механизма дыхания современного типа. Этот механизм и
обеспечивает энергией аэробные организмы.
Указанная концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной
благодаря процессу фотосинтеза (рис. 1). В этом процессе зеленые растения под
действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород:
6CO2 + 6H2O + энергия света = C6H12O6 + 6O2
Выше приведено суммарное уравнение фотосинтеза; на самом же деле, кислород
выделяется в атмосферу на первой его стадии – в процессе фотолиза воды.
Наряду с
этим,
мощным
источником
кислорода
является,
по-видимому,
фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием
ультрафиолетовых лучей солнца.
Рис.1. Условная схема фотосинтеза.
Глико́лиз - анаэробный ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках,
сопровождающийся синтезом АТФ и завершающийся образованием пировиноградной кислоты или
молочной кислоты. Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.
5
8
Кислород - основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех
важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток - белков, нуклеиновых
кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В
каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента
(в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная
ткань - 28,5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг
кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы
дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в
кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от
массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др. В
экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношение суммарного
дыхания (то есть суммарных окислительных процессов) сообщества организмов к его
суммарной биомассе.
В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его
соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в
процессах обмена веществ и дыхании. Большинство организмов получают энергию,
необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных
веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов
дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.
Незначительное количество атмосферного кислорода участвует в цикле образования
и разрушения озона при сильном ультрафиолетовом излучении:
O2 → O2*
O2* + O2 → O3 + O
2O3 → 3O2
O + O2 → O3
Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не
оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов,
оксидов железа и др.
Геохимический круговорот кислорода связывает газовую и жидкую оболочки с
земной корой. Его основные моменты: выделение свободного кислорода при фотосинтезе,
окисление химических элементов, поступление предельно окисленных соединений в
глубокие зоны земной коры и их частичное восстановление, в том числе за счет
соединений углерода, вынос оксида углерода и воды на поверхность земной коры и
вовлечение их в реакцию фотосинтеза. Схема круговорота кислорода в несвязанном виде
представлена ниже.
9
Рис.2. Схема круговорота кислорода в природе.
Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент
совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды (рис. 3). В процессе
круговорота вода испаряется с поверхности океана, водяные пары перемещаются вместе с
воздушными течениями, конденсируются, и вода возвращается в виде атмосферных
осадков на поверхность суши и моря. Различают большой круговорот воды, при котором
вода, выпавшая в виде осадков на сушу, возвращается в моря путем поверхностного и
подземного стоков; и малый круговорот воды, при котором осадки выпадают на
поверхность океана.
Из приведенных примеров круговоротов и миграции элемента видно, что глобальная
система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к
саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет
биосфера.
В то же время хозяйственная деятельность человека вызывает деформацию
природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды.
Эти
изменения
происходят
значительно
быстрее,
чем
совершаются
процессы
генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные
действия
настолько
непродуманны
или
несовершенны,
что
создают
острую
экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое
целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-
1
Рис. 3. Схема круговорота воды в природе.
геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного
прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.
1
Список литературы.
1. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол.,
с.-х. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1998
2. Каменский А.А., Соколова Н.А., Валовая М.А. Основы биологии. Полный курс
общеобразовательной средней школы/ А.А. Каменский, Н.А. Соколова, М.А.
Валовая. – М.: Издательство «Экзамен», 2004 – 448 с.
3. Интернет-ресурс http://ru.wikipedia.org/
1