- Понятие о круговороте кислорода в природе
- Углерод в ископаемом топливе и деревьях
- Определение
- Круговорот азота в природе: схема, описание, последовательность, значение и факты
- Иная эволюция
- Кислород – основа жизни
- Общие сведения о кислороде — элементе
- История открытия кислорода
- Происхождение названия кислород
- Нахождение кислорода в природе
- Физические свойства кислорода
- Химические свойства кислорода
- Применение кислорода
- Круговорот кислорода в природе – презентация
- Вода
- Как мы используем кислород?
- Значение углерода в жизнедеятельности живой природы
- Занимательные факты про кислород
- Нитрификация и денитрификация
- Ассимиляция
- Растения — источник кислорода в атмосфере
- История открытия озона
- Эволюция и «химия» планеты
- Нахождение кислорода в природе
- Где происходит кислородный цикл?
- Как идет процесс в биосфере
- Газообмен гидросферы с атмосферой
- Движение углерода в литосфере
- Фотосинтез: особая часть большого кругооборота
- Геохимический цикл углерода
- Этапы круговорота в природе
Понятие о круговороте кислорода в природе
На Земле происходит постоянный обмен химическими элементами между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами.
Этот процесс цикличен: после перехода из одной сферы в другую элементы возвращаются в исходное состояние.
Цикл элементов происходил на протяжении всей истории Земли, которая охватывает 4,5 миллиарда лет.
Круговорот веществ — это повторяющийся повторяющийся процесс общего, взаимосвязанного превращения и движения веществ в природе, носящий более или менее циклический характер.
Общий круговорот веществ характерен для всех геосфер и состоит из отдельных процессов круговорота химических элементов, воды, газов и других веществ.
Процессы циркуляции не являются полностью обратимыми из-за диспергирования веществ, изменения состава, местной концентрации и деконцентрации.
Для обоснования и объяснения самого понятия цикла полезно сослаться на четыре основных принципа геохимии, имеющих важнейшее прикладное значение и подтвержденных неоспоримыми экспериментальными данными:
- широкое распространение химических элементов во всех геосферах;
- непрерывная миграция (перемещение) элементов во времени и пространстве;
- многообразие типов и форм существования элементов в природе;
- преобладание дисперсного состояния элементов над концентрированным, особенно для рудообразующих элементов.
Больше всего, на мой взгляд, стоит заострить внимание на процессе перемещения химических элементов.
Миграция химических элементов отражается и в гигантских тектоно-магматических процессах, преобразующих земную кору, и в тончайших химических реакциях, происходящих в живом веществе, в непрерывном прогрессивном развитии внешнего мира, что характеризует движение как форму существования материи.
Миграция химических элементов определяется рядом внешних факторов, в частности энергией солнечного излучения, внутренней энергией Земли, действием силы тяжести и внутренними факторами, зависящими от свойств элементов.
Циклы могут происходить в ограниченном пространстве и в течение коротких периодов времени, а могут охватывать всю внешнюю часть планеты и огромные периоды. При этом мелкие циклы включаются в более крупные, которые в совокупности образуют колоссальные биогеохимические циклы. Они тесно связаны с окружающей средой.
Огромные массы химических веществ переносятся водами мирового океана. В первую очередь это касается растворенных газов – углекислого газа, кислорода, азота. Холодная вода в высоких широтах растворяет атмосферные газы. Приходя с океанскими течениями в тропический пояс, он высвобождает их, так как с потеплением растворимость газов уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене жаркого и холодного времени года.
Появление жизни на планете оказало огромное влияние на природные циклы некоторых элементов. Это относится прежде всего к круговороту основных элементов органического вещества — углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов, как азот, сера и фосфор.
Живые организмы также влияют на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что общая масса живых организмов на Земле в миллионы раз меньше массы земной коры, растения и животные играют важную роль в движении химических элементов.
В биосфере существует закон глобального замыкания биогеохимического цикла, действующий на всех стадиях ее развития, а также правило нарастающего замыкания биогеохимического цикла в ходе сукцессии (сукцессия (от лат. Successio — непрерывность) — последовательный изменение экосистем, последовательно возникающих на определенном участке земной поверхности.
Обычно сукцессия происходит под влиянием процессов внутреннего развития местных сообществ и их взаимодействия с окружающей средой. Продолжительность сукцессии варьируется от десятков до миллионов лет). В процессе эволюции биосферы возрастает роль биологического компонента, замыкающего биогеохимический цикл.
Деятельность человека также влияет на круговорот элементов. Особенно это стало заметно в прошлом веке. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений химических циклов необходимо учитывать не только изменения природных циклов вследствие добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате нормальных циклических и/или антропогенных воздействий, но и выбросы химических веществ в среду, ранее не встречавшуюся в природе.
Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующихся процессов, в которых участвуют все компоненты экосистем. Эти процессы безотходны. В природе нет ничего бесполезного или вредного; даже извержения вулканов имеют пользу, поскольку необходимые элементы, такие как азот и сера, выбрасываются в воздух вместе с вулканическими газами.
Выделяют два основных цикла: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой цикл, продолжающийся миллионы лет, заключается в разрушении горных пород, а продукты выветривания (в том числе водорастворимые питательные вещества) переносятся водными течениями в Мировой океан, где образуют морские слои и лишь частично возвращаются в земля с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания континентов и поднятия морского дна, движение морей и океанов в течение длительного периода времени приводят к тому, что эти слои возвращаются на сушу, и процесс начинается снова.
Малый круговорот, являющийся частью большого, происходит на уровне экосистемы и состоит из питательных веществ, воды и углерода, накапливающихся в веществе растений, используемых для построения тела и жизненных процессов как самих растений, так и других организмов (обычно животные), которые их едят. Продукты разложения органического вещества под воздействием разлагателей и микроорганизмов (бактерий, грибов, червей) вновь расщепляются на минеральные компоненты, доступные растениям, и втягиваются ими в материальный поток.
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 таких циклах участвуют практически все химические элементы, и в первую очередь те, которые участвуют в построении живой клетки.
Углерод в ископаемом топливе и деревьях
Некоторая часть углерода в нашем мире находилась в подвешенном состоянии в течение сотен или даже миллионов лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть. Ископаемое топливо состоит из трансформированных остатков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод выбрасывается обратно в атмосферу в виде CO2.
Еще одно место, где углерод сохраняется в течение длительного времени, — это деревья. Поскольку деревья живут так долго, углерод не циркулирует до тех пор, пока дерево не умрет или не сгорит. Затем CO2 выбрасывается обратно в атмосферу, и цикл продолжается, поскольку этот углерод повторно используется растениями для производства продуктов питания.
Определение
Азотный цикл — это непрерывная последовательность природных процессов, в которых азот последовательно перемещается из атмосферы в почву к живым организмам и обратно в воздух или почву посредством таких процессов, как фиксация азота, нитрификация, разложение и денитрификация.
Теперь давайте рассмотрим все вышесказанное на примере из нашей жизни. Когда вы откусываете вкусный сэндвич с индейкой, салатом и помидорами, вы, вероятно, не задумываетесь о том, что хотя атомы азота из этой пищи раньше находились в коровьем фекалии, она по-прежнему имеет восхитительный вкус!
Извините, если мы испортили вам обед, но эти атомы азота — настоящие туристы, которые посещают воздух, микроорганизмы, растения, животных и почву посредством биогеохимического цикла азота или азотного цикла Земли. Давайте проследим за некоторыми атомами азота в азотном цикле и посмотрим, куда они направляются!
Круговорот азота в природе: схема, описание, последовательность, значение и факты
Азот (N, лат азотиум) — один из самых распространенных элементов на планете, циркулирующий через нас, животных, растения и другие живые организмы. В этой статье мы не только рассмотрим круговорот азота в природе, но и поделимся некоторыми фактами об этом элементе!
Иная эволюция
На данном этапе современная наука не опровергает возможность существования жизни в иных средах, чем земные условия, где кремний или мышьяк могут быть взяты за основу для построения органической молекулы. А жидкой средой в качестве растворителя может служить смесь жидкого аммиака и гелия. Что касается атмосферы, то ее можно представить в виде газообразного водорода, смешанного с гелием и другими газами.
Современная наука пока не способна смоделировать, какие метаболические процессы могут происходить в таких условиях. Однако такое направление развития жизни вполне приемлемо. Как показывает время, человечество постоянно сталкивается с расширением границ нашего понимания окружающего мира и жизни в нем.
Кислород – основа жизни
Благодаря высокой окислительной активности кислород легко соединяется с большинством элементов и веществ, образуя оксиды. Высокая окислительная способность элемента обеспечивает известный процесс горения. Кислород также участвует в медленных процессах окисления.
Роль кислорода в природе как сильного окислителя незаменима в процессах жизнедеятельности живых организмов. Благодаря этому химическому процессу происходит окисление веществ и выделение энергии. Живые организмы используют его для своего существования.
Общие сведения о кислороде — элементе
История открытия кислорода
Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путем разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечный свет с помощью мощной линзы):
2HgO(t)→ 2Hg + O2 ↑
Однако Пристли поначалу не осознавал, что открыл новое простое вещество. Он считал, что выделил один из компонентов воздуха (и назвал этот газ «дефлогистизированным воздухом»). Пристли сообщил о своем открытии выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье.
Несколькими годами ранее (вероятно, в 1770 г.) кислород был получен шведским химиком Карлом Шееле. Он прокалил селитру серной кислотой, а затем разложил образовавшуюся окись азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал свое открытие в книге, вышедшей в 1777 году (именно потому, что книга вышла позже, чем Пристли объявил об открытии, последний считается первооткрывателем кислорода). Шееле также рассказал о своем опыте Лавуазье.
Важным этапом, способствовавшим открытию кислорода, стала работа французского химика Пьера Байена, опубликовавшего работы по окислению ртути и последующему разложению ее оксида.
Наконец, Антуан Лавуазье наконец выяснил, что имел в виду полученный газ, используя информацию Пристли и Шееле. Его работа имела огромное значение, так как благодаря ей была свергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии теория флогистона (флогистон (от греч phloguesto — легковоспламеняющийся, горючий) — гипотетическое «огненное вещество», которое якобы заполняет все горючие вещества и выделяется из них при горении).
Лавуазье провел эксперименты по горению различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты о весе сгоревших элементов. Вес пепла превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в результате чего масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теории флогистона.
Таким образом, заслуга открытия кислорода фактически принадлежит Пристли, Шееле и Лавуазье.
Происхождение названия кислород
Название оксигениум («кислород») происходит от греческих слов, означающих «производящий кислоту»; это связано с первоначальным значением термина «кислота». Ранее этот термин использовался для обозначения оксидов.
Нахождение кислорода в природе
Кислород — самый распространенный элемент на Земле; его доля (в различных соединениях, главным образом в силикатах) составляет около 47,4% массы твердой земной коры. Морская и пресная вода содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода — 20,95% (по объему). Элемент кислород входит в состав более чем 1500 соединений в земной коре.
Физические свойства кислорода
В нормальных условиях плотность газообразного кислорода составляет 1,42897 г/л. Температура кипения жидкого кислорода (жидкость синего цвета) составляет -182,9 °С. В твердом состоянии кислород существует как минимум в трех кристаллических модификациях.
При 20°С растворимость газообразного О2 составляет: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие жидкости (например, перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость кислорода значительно выше.
Химические свойства кислорода
Химические свойства элемента определяются его электронной конфигурацией: 2s22p4. Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2 означает, что газообразный кислород при комнатной температуре химически совершенно неактивен.
В природе он претерпевает медленную трансформацию в ходе процессов распада. Кроме того, кислород при комнатной температуре способен вступать в реакцию с гемоглобином крови (точнее с гемом железа(II) (гем – производное порфирина, содержащее атом двухвалентного железа в центре молекулы), что обеспечивает перенос кислорода из дыхательных путей в другие органы.
Кислород реагирует без нагревания со многими веществами, например со щелочами и щелочноземельными веществами, и вызывает образование ржавчины на поверхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белым фосфором, некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.
При даже незначительном нагревании химическая активность кислорода сильно возрастает. При воспламенении он реагирует взрывоопасно с водородом, метаном, другими горючими газами и множеством простых и сложных веществ. Известно, что при нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе горят многие простые и сложные вещества, образуются различные оксиды, пероксиды и супероксиды, например SO2, Fe2O3, H2O2, BaO2, KO2.
Если смесь кислорода и водорода хранить в стеклянной посуде при комнатной температуре, в результате экзотермической реакции образуется вода
2H2 + O2 = 2H20 + 571 кДж
ходит крайне медленно; По расчетам, первые капли воды должны появиться в сосуде примерно через миллион лет. Но при введении в сосуд со смесью этих газов платины или палладия (играющего роль катализатора), а также при его воспламенении реакция протекает со взрывом.
Кислород реагирует с азотом N2 либо при высокой температуре (около 1500-2000 °С), либо путем пропускания электрического разряда через смесь азота и кислорода. В этих условиях оксид азота (II) образуется обратимо):
Н2 + О2 = 2НО.
Образующийся NO затем реагирует с кислородом с образованием коричневого газа (диоксида азота):
2НО + О2 = 2НО2
Из неметаллов кислород ни при каких обстоятельствах непосредственно не взаимодействует с галогенами, а из металлов — с серебром, золотом, платиной и металлами платиновой группы.
С наиболее активным неметаллическим фтором кислород образует соединения в положительных степенях окисления. В соединении O2 F2 степень окисления кислорода равна +1, а в соединении O2F – +2. Эти соединения относятся не к оксидам, а к фторидам. Фториды кислорода можно синтезировать лишь косвенным путем, например действием фтора F2 на разбавленные водные растворы КОН.
Применение кислорода
Использование кислорода весьма разнообразно. Основное количество кислорода воздуха используется в металлургии. Кислородное дутье (вместо воздуха) в доменных печах позволяет значительно ускорить доменный процесс, сэкономить кокс и получить более качественный чугун. Кислородная очистка применяется в кислородных конвертерах при переработке чугуна в сталь.
Чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом, используется при производстве многих других металлов (меди, никеля, свинца и др.). Кислород используется для резки и сварки металлов. В этом случае используется сжатый газообразный кислород, хранящийся под давлением 15 МПа в специальных стальных баллонах. Баллоны с кислородом окрашены в синий цвет, чтобы отличать их от баллонов с другими газами.
Жидкий кислород является мощным окислителем и используется в качестве компонента ракетного топлива. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива. Легко окисляющиеся материалы, такие как опилки, вата, угольный порошок и др., пропитанные жидким кислородом (эти смеси называются оксиликвитами), применяются в качестве взрывчатых веществ, например при прокладке дорог в горах.
Круговорот кислорода в природе – презентация
Вода
В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы находятся преимущественно в солено-горькой форме воды морей и океанов – около 97%. Остальное — пресная вода, ледники, подземные и грунтовые воды.
Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет около 500 000 куб км. Возвращается он в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, проходя через почву и грунтовые воды.
Роль воды в биосфере и история ее развития такова, что все живое с момента ее появления полностью зависело от воды. В биосфере вода неоднократно проходила циклы разложения и рождения через живые организмы.
Круговорот воды – это в основном физический процесс
Однако важную роль в этом играет животный мир и особенно растительный. Испарение воды с поверхности листьев деревьев таково, что, например, с одного гектара леса испаряется до 50 тонн воды в сутки
Если испарение воды с поверхности водоемов естественно для круговорота, то такой процесс является единственным и важнейшим способом ее сохранения для континентов с лесными зонами. Здесь циркуляция происходит как бы по замкнутому циклу. Осадки образуются за счет испарения с поверхности почвы и растений.
Во время фотосинтеза растения используют водород в молекуле воды для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И наоборот, в процессе дыхания живые организмы подвергаются процессу окисления и вода образуется заново.
Когда мы описываем круговорот различных видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа благодаря своей многомиллиардной истории выживания справляется с регуляцией и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают друг друга. В результате температура окружающей среды повышается. Какие последствия могло иметь такое увеличение, кроме ускоренного таяния ледников и испарения воды с поверхности моря, суши и растений?
Как мы используем кислород?
Сделайте глубокий вдох, а затем выдохните. Все живые существа дышат посредством процесса, называемого дыханием, при котором вдыхается кислород и выдыхается углекислый газ. Кислород также используется, когда растения и животные умирают. В процессе разложения поглощается кислород и выделяется углекислый газ.
Химические реакции также требуют кислорода. Вы когда-нибудь оставляли свой велосипед под дождем и замечали, что на нем начинает образовываться ржавчина? Появление ржавчины на железе – следствие процесса окисления, при котором потребляется кислород. Пожар был бы невозможен без кислорода. В процессе сгорания используется кислород и выделяется углекислый газ.
Люди и другие живые существа постоянно выделяют углекислый газ в атмосферу. Точно так же, как автомобили, дымоходы, промышленные трубы, пожары, вулканы и так далее. Если будет избыток углекислого газа и недостаток кислорода, большинство живых существ погибнет.
Значение углерода в жизнедеятельности живой природы
Углерод имеет особое значение в природе не просто так: его уникальные свойства серьезно выделяют его среди других химических элементов системы. Углерод образует прочные химические связи как внутри себя (между собственными атомами), так и с другими элементами. Однако, несмотря на свою прочность, эти соединения легко разрушаются в достаточно мягких условиях. В природе существует специфическая экономика благодаря углероду: с помощью углерода и определенного количества типов связей восстанавливаются ферменты, участвующие в разложении и синтезе органического вещества. Немаловажно и то, что углерод — один из трех элементов (наряду с кислородом и водородом), составляющих не более и не менее 98% общей массы жизни на Земле.
В рамках принятой научной общественностью гипотезы А. И. Опарина предполагается, что самые первые органические соединения на нашей планете возникли абиогенным путем. Основными источниками углерода были такие соединения, как HCN (цианистый водород) и CH4 (метан).
Именно эти вещества в основном содержались в атмосфере Земли в начале времен. На данный момент углерод (в составе соединения CO2) прекрасно усваивается посредством фотосинтеза — сложного процесса, происходящего в клетках зеленых растений. Животные преимущественно используют углерод в виде готовых органических соединений.
Наиболее распространенным соединением углерода является диоксид углерода (CO2). Растворенный практически во всех жидкостях (особенно в воде) на Земле, углекислый газ выполняет важную функцию поддержания кислой среды. А такое соединение, как СаСО3, является важнейшим в скорлупе и наружных покровах беспозвоночных или в скорлупе яиц.
Занимательные факты про кислород
- Кислород применяют на металлургических заводах, при электрорезке и сварке; без него процесс производства хорошего металла не состоялся бы.
- Кислород, сконцентрированный в баллонах, позволяет исследовать глубины океана и космоса.
- Всего одно взрослое дерево может обеспечить кислородом трех человек одновременно в течение года.
- Благодаря развитию промышленности и автомобилестроения содержание этого газа в атмосфере сократилось вдвое.
- Когда люди нервничают, они потребляют в несколько раз больше кислорода, чем когда чувствуют себя умиротворенными и спокойными.
- Чем выше земная поверхность находится над морем, тем меньше кислорода и его содержание в атмосфере, из-за этого в горах трудно дышать; с непривычки человек может испытать кислородное голодание, кому и даже смерть.
- Динозавры смогли жить благодаря тому, что уровень озона в древности был в три раза выше, чем сегодня; теперь их кровь просто не будет должным образом насыщена кислородом.
Нитрификация и денитрификация
Нитрификация – это окисление аммиака до нитритов и нитратов. Процесс происходит в два этапа. Причины фаз последовательные: Фаза I: возбудителями являются бактерии рода Nitrosomonas: они имеют овальную, иногда кокковидную форму. Размеры 1,5-3 микрона. Монотрихи (или лофотрихи) подвижны и не образуют спор. Аммиак окисляется до нитрита по реакции:
2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + Энергия
II фаза – возбудителями являются бактерии рода Nitrobacter – мелкие тонкие палочки (0,5 х 1 мкм). Клетки подвижные (монотриховые) или неподвижные. В колонии часто наблюдается полиморфизм (клетки разной формы). Нитробактерии обычно размножаются почкованием.
2NH O2 + O2 2HNO3 + Энергия
Бактерии используют энергию для усвоения углекислого газа.
Нитрифицирующие микроорганизмы — хемоавтотрофы, облигатные аэробы и аминоавтотрофы.
В природе как автотрофы они участвуют в накоплении первичного органического вещества. Почвообразователи. Они участвовали в образовании месторождений природных нитратов (например, в пустыне Атакама в Чили).
Количество нитратов в почве является показателем плодородия. Однако нитраты легко вымываются из почвы, поэтому слишком высокая нитрификационная способность почвы может привести к потере большого количества доступного азота.
Денитрификация. В этом процессе нитраты восстанавливаются до молекулярного азота.
Возбудители: Бактерии вида Paracoccus Denitrificans.
Химия: восстановление нитратов происходит по диссимиляционному типу:
НО3 НО2 Н2
Н2О Н2О
Ключевые ферменты в процессе: нитратредуктаза, нитритредуктаза
Биологическое значение: использование нитратного кислорода в качестве акцептора водорода при окислении углеводов (анаэробное нитратное дыхание).
Возбудителями процесса денитрификации являются гетеротрофы, аминоавтотрофы, факультативные анаэробы.
Роль процесса в природе весьма неоднозначна. С одной стороны, процесс приводит к потере доступных форм азота из почвы. С другой стороны, возбудители процесса выделяют в прикорневую зону различные биологически активные вещества, что вызывает стимуляцию роста корней.
Ассимиляция
Упомянутая ранее денитрификация представляет собой диссимиляционный процесс восстановления нитратов, но ее можно осуществлять путем ассимиляции. Другими словами, ассимиляция — это тоже денитрификация, но другого рода. Ассимиляция связана с жизнедеятельностью растений, некоторых грибов и прокариот, способных существовать в нитратной среде. Этот процесс всегда требует энергии.
Аммоний и нитраты из почвы, поглощаемые микробными и бактериальными клетками, временно выпадают из круговорота азота и включаются в специальные клеточные полимеры, а неорганические азотсодержащие вещества за это время становятся органическими при включении в состав молекулы растительных клеток. Под действием фермента нитратредуктазы нитрат превращается в нитрит, а под действием другого фермента — нитритредуктазы — нитрит превращается в аммиак, входящий в состав аминокислот, и тогда азот может вернуться в атмосферу.
Растения — источник кислорода в атмосфере
На начальном этапе формирования атмосферы на нашей планете имеющийся кислород находился в связанном состоянии, в виде углекислого газа (углекислого газа). Со временем появились растения, способные поглощать углекислый газ.
Этот процесс стал возможен благодаря появлению фотосинтеза. Со временем, в процессе жизни растений, за миллионы лет, в атмосфере Земли накопилось большое количество свободного кислорода.
По оценкам исследователей, раньше массовая доля достигала около 30%, что в полтора раза больше, чем сейчас. Растения, как в прошлом, так и в настоящем, существенно повлияли на круговорот кислорода в природе и тем самым обеспечили разнообразную флору и фауну на нашей планете.
Значение кислорода в природе не только огромно, но и решающее. Система обмена веществ животного мира находится в явной зависимости от наличия кислорода в атмосфере. В его отсутствие жизнь, какой мы ее знаем, становится невозможной. Среди жителей планеты останутся только анаэробные (способные жить без кислорода) организмы.
Интенсивная циркуляция кислорода в природе обеспечивается тем, что он находится в трех агрегатных состояниях в сочетании с другими элементами. Поскольку это сильный окислитель, он очень легко переходит из свободной формы в связанную. И только благодаря растениям, расщепляющим углекислый газ посредством фотосинтеза, он доступен в свободной форме.
Процесс дыхания животных и насекомых основан на выработке несвязанного кислорода для окислительно-восстановительных реакций с последующей выработкой энергии для обеспечения жизнедеятельности организма. Наличие кислорода в природе, связанного и свободного, обеспечивает полноценное функционирование всего живого на планете.
История открытия озона
До 1 августа 1774 года человечество не имело представления о существовании кислорода. Своим открытием мы обязаны учёному Джозефу Пристли, который открыл его, разлагая оксид ртути в герметично закрытом сосуде, просто концентрируя солнечные лучи через огромную линзу на ртути.
Этот учёный так и не осознал до конца свой вклад в мировую науку и считал, что открыл не одно новое вещество, а лишь компонент воздуха, который он гордо называл дефлогистизированным воздухом.
Открытие кислорода ознаменовал выдающийся французский учёный Карл Лавуазье, который взял за основу выводы Пристли: он провёл ряд экспериментов и доказал, что кислород — отдельное вещество. Таким образом, открытие этого газа принадлежит одновременно двум учёным – Пристли и Лавуазье.
Эволюция и «химия» планеты
Развитие жизни на планете основывалось на составе атмосферы Земли, составе минералов и наличии жидкой воды.
На основе существующей «химии» планеты эволюция пришла к углеродной органической жизни, основанной на воде как растворителе химических веществ, а также использовании кислорода в качестве окислителя для производства энергии.
Нахождение кислорода в природе
Среди всех элементов на нашей планете кислород занимает наибольшую долю. Распространение кислорода в природе весьма разнообразно. Он присутствует как в связанном, так и в свободном виде. Как правило, как сильный окислитель, он остается в связанном состоянии. Присутствие кислорода в природе как отдельного несвязанного элемента зафиксировано только в атмосфере планеты.
Содержится в виде газа и представляет собой комбинацию двух атомов кислорода. Составляет около 21% от общего объема атмосферы.
Помимо своей нормальной формы, кислород воздуха имеет изотропную форму в виде озона. Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода. Голубой цвет неба напрямую связан с присутствием этого соединения в верхних слоях атмосферы. Благодаря озону жесткое коротковолновое излучение нашего Солнца поглощается и не достигает поверхности.
При отсутствии озонового слоя органическая жизнь была бы уничтожена, как жареная еда в микроволновой печи.
В гидросфере нашей планеты этот элемент связан двумя молекулами водорода и образует воду. С учетом растворенных солей доля кислорода в морях, океанах, реках и грунтовых водах составляет около 86-89.
В земной коре кислород находится в связанном виде и является наиболее распространенным элементом. Его доля составляет около 47%. Присутствие кислорода в природе не ограничивается корой планеты; этот элемент входит в состав всех органических существ. Его доля достигает в среднем 67% от общей массы всех элементов.
Где происходит кислородный цикл?
Производство и циркуляция кислорода, как мы упоминали ранее, происходит в четырех основных областях на Земле:
- В атмосфере (воздухе) в процессе фотолиза образуется кислород, который затем образует озоновый слой, защищающий планету от вредного солнечного излучения.
- Биосфера (глобальная экосистема Земли) — это место, где живут люди, растения и животные, и где в процессе фотосинтеза вырабатывается наибольшее количество кислорода.
- Гидросфера – фитопланктон, обитающий на поверхности океанов и морей, также использует фотосинтез для производства кислорода.
- Литосфера является крупнейшим резервуаром, содержащим наибольшее количество кислорода. Кислород содержится внутри камней и минералов, поэтому у нас нет к нему доступа. Но некоторые растения и животные могут извлекать из горных пород минералы, которые позволяют им выделять кислород.
Как идет процесс в биосфере
Оболочка соединяет все известные сферы присутствия жизни. В нем постоянно происходят обменные процессы. Химические реакции и преобразование энергии поддерживают существование живых существ. Круговорот углерода в биосфере является наиболее значительным и обширным.
Газообмен гидросферы с атмосферой
Гидросфера обменивается углекислым газом с атмосферой Земли. Не весь растворенный газ возвращается. Часть его поглощается бактериями в верхних слоях. Ими питаются микроорганизмы. Создается пищевая цепочка. Элемент переходит из неорганического состояния в органическое.
Мертвые живые существа опускаются на дно. Под давлением воды отложения сжимаются. Глубинные микроорганизмы и бактерии перерабатывают ил.
Они влияют на цикл элемента. Формируются минеральные ресурсы: газ, нефть, уголь. Углерод перешел из органического состояния в неорганическое. В таком виде он сохраняется миллионы лет.
Верхние слои содержат больше растворенного кислорода. В нижних – элементарный диоксид и азот. Баланс нестабильный. С повышением температуры концентрация газов меняется. При изменении видового состава бактерий и микроорганизмов кислород перемещается вниз, а азот и СО2 вверх. Газообмен с воздушной рубашкой нарушается.
Движение углерода в литосфере
Диоксид вещества попадает в почву через мелкие поры. Часть его растворяется в воде или испаряется. Другая перерабатывается аэробными бактериями. Плодородный слой обогащается. Растения развиваются в благоприятной среде. После смерти гумус снова обогащается. Это бесконечный переход: неорганическое – органическое – неорганическое.
Слои утолщаются и становятся плотнее. С течением времени под воздействием внешних факторов образуются осадочные минералы. Они содержат это вещество. Нефть, газ, все виды угля, торф, известняк, мел сохраняют элемент в неорганическом состоянии длительное время.
Важно! Элемент в составе минералов временно не участвует в круговороте! Углеродный цикл никогда не бывает полностью замкнутым
Фотосинтез: особая часть большого кругооборота
По сути, этот процесс можно сравнить с ядерной реакцией. Более совершенного и экономичного механизма получения соединений не существует.
Фотосинтез является частью круговорота элементов в биосфере. Он превращает неорганические вещества в органические. Насыщение атмосферы выделяющимся кислородом регулирует газовый баланс. В результате этого процесса образуются питательные вещества: сахар, крахмал. Растения потребляют то, что сами производят.
Фотосинтез имеет две фазы: световую и тёмную. Под воздействием солнечной энергии на первой фазе клетки накапливают углекислый газ и воду. На этом этапе кислород отделяется от молекулы воды. Газ выбрасывается в атмосферу.
Темновая стадия протекает без доступа солнечного света. Углекислый газ связывается. Дополнительными продуктами являются органические соединения (углеводы). Углекислый газ в природе является одновременно строительным материалом, а также источником питания, веществом, исцеляющим планету.
Геохимический цикл углерода
Геохимический цикл углерода — это, по сути, диаграмма, отражающая количество углерода, циркулирующего между слоями: атмосферой, геосферой и гидросферой. Измерения производятся в течение года и составляют миллиарды тонн. Более того, эта цифра также включает 5,5 гигатонн, которые попадают в атмосферу, когда люди сжигают ископаемое топливо.
По сути, геохимический круговорот углерода представляет собой совокупность процессов перехода углеводов из одного так называемого геохимического резервуара в другой. Стоит отметить, что живые организмы играют главную роль в этом процессе.
Важно знать, что геохимический цикл углерода выполняет ряд функций:
- Оно всегда происходит через гидросферу и атмосферу и поэтому серьезно влияет на все процессы в окружающей среде и в первую очередь на представителей биосферы;
- В ходе формирования и развития планеты произошедшие катастрофические изменения существенно повлияли на развитие цикла.
В настоящее время наиболее изученным является четвертичный период геохимического цикла. В нем произошли изменения, которые напрямую связаны с изменением климата. Именно поэтому ученым гораздо легче проследить этот период, поскольку он четко фиксируется вечной мерзлотой в Арктике и Антарктике.
Этапы круговорота в природе
Вы окружены азотом! Фактически, 78% воздуха, которым вы дышите, состоит из азота, но как он попадает из воздуха в ваш бутерброд? Хороший вопрос! Вот последовательность шагов, которые атом азота совершает на своем пути в азотном цикле:
- Начнем с воздуха, которым вы дышите. Когда азот находится в воздухе, он называется атмосферным азотом и имеет форму N2 (молекула азота, состоящая из двух атомов). Растения мало что могут сделать с атмосферным азотом. Но в почве есть азотфиксирующие микроорганизмы, которые могут превращать азот в форму, которая может использоваться растениями посредством процесса, называемого азотфиксацией. Давайте посмотрим, как происходит фиксация азота:
- Атмосферный азот попадает в почву, где азотфиксирующие бактерии на корнях некоторых растений преобразуют его в аммоний (азот, связанный с атомами водорода, NH4+). Есть некоторые свободноживущие бактерии (не на корнях растений), которые также являются азотфиксаторами.
- Молния может превращать атмосферный азот в оксиды азота, другой тип азота, связанный с атомами кислорода. Это представляет собой лишь небольшой процент фиксации азота.
- Бактерии и археи в почве преобразуют аммоний в нитрит (NO2-), а затем в нитрат (NO3-) путем нитрификации, причем в основном это бактерии, преобразующие аммоний в нитрат. Нитраты представляют собой азот, связанный с атомами кислорода.
- Теперь, когда атмосферный азот заменен нитратами, посмотрим, что будет дальше. Ассимиляция — это когда растения используют азот для различных целей, например, для построения листьев или создания ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Животные и другие организмы поедают растения, в их организм также поступает азот.
- Со временем растения, животные и другие организмы умирают и разлагаются, выделяя азот обратно в почву. Бактерии и грибы помогают расщеплять мертвые организмы, а в результате аммонификации азот снова превращается в аммоний. Аммоний снова преобразуется бактериями в нитриты и нитраты (снова возвращаемся к шагу 2).
- Специальные бактерии могут превращать нитраты обратно в атмосферный азот посредством процесса, называемого денитрификацией, при котором азот из почвы выбрасывается обратно в атмосферу. И вы вернулись на шаг 1!
Так как же атомы азота попали в ваш сэндвич с индейкой? Азот в воздухе был преобразован в азот, который могли использовать растения, например салат и помидоры на сэндвиче. Однажды индейка съела несколько растений, и в ее организм попал азот. Но прежде чем все это произошло, тот же атом азота был съеден коровой и вернулся в землю в виде фекалий, где его использовали растения, которые ела индейка!
Читайте также: Что такое Луна: просто спутник земли или планета