Гіпермаркет Знань>>Хімія>>Хімія 10 клас>> Колообіг Оксигену, Нітрогену, Карбону в природі

Хімічні елементи у вільному стані існують у формі простих речовин. Так, елемент Оксиген утворює дві прості речовини — кисень 0₂ та озон 0₃.

Пригадайте, що являє собою кисень 0₂, які характерні властивості він має, для чого використовується і яку роль відіграє у природі.

Озон. Якщо на кисень подіяти електричним розрядом, то з'являється характерний запах свіжості — утворюється газуватий озон:

30₂ ⇔20₃;     ΔH = 283,6 кДж.

Кисень поглинає енергію і перетворюється на озон, а озон самовільно розкладається, утворюючи кисень.

Обидві прості речовини — кисень 0₂ і озон 0₃ — утворені одним і тим самим хімічним елементом — Оксигеном, а властивості у них різні.

Отже, кисень 0₂ і озон 0₃ — алотропні форми елемента Оксигену.

Біля поверхні Землі озону мало. Його концентрація у повітрі коливається (вночі менша, вдень більша). Влітку і навесні його в повітрі у 3,5 раза більше, ніж узимку і восени. Над полярними частинами Землі вміст озону в повітрі вищий, ніж над екватором, в атмосфері міст — вищий, ніж у сільській місцевості. 3 віддаленням від поверхні Землі концентрація озону збільшується і досягає максимуму на висоті 20 — 25 км. Там утворюється так званий озоновий шар.

Озоновий шар відіграє значну роль у збереженні життя на нашій планеті. Він затримує найбільш згубну для людини, тварин і рослин частину ультрафіолетової радіації Сонця, яка спричинює онкологічні (ракові) захворювання шкіри. Окрім того, озоновий шар разом з вуглекислим газом С0₂ поглинає інфрачервоне випромінювання Землі і тим самим запобігає її охолодженню. Так озоновий шар забезпечує збереження життя на Землі.

Виникає запитання, звідки ж береться озон в атмосфері і як саме він захищає нас.

Озон утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок поглинання киснем ультрафіолетового випромінювання Сонця:

0₂ + hv → О + О

О + 0₂ → 0₃

Крім того, поглинаючи променисту енергію Сонця (фотони), молекули кисню переходять у збуджений стан (помічено зірочкою) і під час дальшої взаємодії зі звичайним киснем також утворюють озон:

0₂ + hv → 0*₂

0₂ + 0₂ → 0₃ + 0

О + 0₂ → 0₃

Озон, що утворився, огортає Землю з усіх боків. Але молекули озону існують недовго. Відбувається зворотна реакція фотохімічного розкладу озону, яка, власне, являє собою поглинання озоном фотонів:

0₃ + hv → 0₂ + О

Отже, в атмосфері існує цикл озону — збалансовані утворення і розклад його. Результатом існування цього циклу є перетворення ультрафіолетового випромінювання Сонця на теплову енергію. Але для нас головна «заслуга» озону полягає в тому, що він, «жертвуючи собою», поглинає ультрафіолетове випромінювання і тим самим не допускає високоенергетичні фотони Сонця до Землі.

Озоновий шар не є стабільним. Він може самовільно то збільшуватись, то зменшуватись над певною місцевістю по кілька разів на рік. Під впливом природних факторів (фото-хімічного розкладу, виверження вулканів, значного переміщення великих повітряних мас), а більшою мірою під впливом забруднення навколишнього середовища він зазнає руйнування, внаслідок чого утворюються так звані «озонові дірки», які збільшують ультрафіолетове навантаження на все живе на Землі.

Причиною техногенного руйнування озонового шару є забруднення атмосфери оксидами нітрогену, наявність яких у 20 разів збільшує токсичність озону. Так, масове викидання в атмосферу вихлопних газів реактивних літаків, що містять оксиди нітрогену, руйнує озоновий шар. Окрім того, використання хлоро- і флуоровмісних речовин (фреонів) у холодильних машинах також спричинює руйнування озонового шару. Адже фреони, якщо потрапляють в атмосферу, реагують лише з озоном, бо відносно інших речовин вони інертні. Внаслідок цього над місцевістю може утворитися «озонова дірка». 

Над Україною (окрім південної частини) загальний вміст озону за останні 20 років зменшився на 6 %, і утворилася і аномальна зона.  Вам про це слід пам'ятати!  Особливо небезпечна «озонова дірка» влітку. У цей період дуже потерпають очі, тому треба користуватися сонцезахисними окулярами. Варто утримуватися і від загару, щоб не зашкодити шкірі.

Як ви гадаєте, чому кисень і озон, що складаються з одного й того самого хімічного елемента, мають різні властивості, тобто у чому полягає суть алотропії?

Алотропія кисню й озону зумовлена різною кількістю атомів Оксигену в молекулах речовин — 0₂ і 0₃.

Кругообіг Нітрогену в пироді

Хімічні елементи, як і вся природа, перебувають у постійному русі. Процеси відбуваються в усіх трьох оболонках Землі — літосфері, гідросфері, атмосфері. Значну роль у процесах,  що відбуваються у природі, обирає біосфера — зона існування живих організмів. Так, вам відомо, що Нітроген входить до складу білків і, отже, зумовлює існування рослин, тварин, взагалі життя на 3eмлі.

У природі Нітроген зустрічається як у вільному стані, так і у зв'язаному. У вільному стані Нітроген у вигляді азоту входить до складу повітря (об'ємна частка N₂ становить 78 %, масова — 75,6 %). Оскільки азот з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У вигляді неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в ґрунті. Проте у вигляді складних органічних сполук — білків — він увіходить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.

З Нітрогену складається азот N₂, його багато в повітрі. Проте безпосередньо з повітря Нітроген у вигляді азоту засвоюють лише деякі бактерії, а всі інші організми здатні засвоювати Нітроген тільки у складі сполук.

Рослини засвоюють Нітроген неорганічних сполук, які у ґрунті, у вигляді йонів NH₄ і NO₃. У рослинах здійснюється синтез білків. Рослини частково поїдаються травоїдними тваринами, і білкові речовини потрапляють до організму тварин. Під час гниття залишків рослин і тварин під впливом спеціальних бактерій відбуваються складні біохімічні процеси, внаслідок яких органічні сполуки, що містять Нітроген, перетворюються на неорганічні сполуки Нітрогену, які повертаються в ґрунт. Ці сполуки знову засвоюються рослинами, і цикл перетворень замикається (мал.9).

Прянишников Дмитрой Миколайович
(1865—1948)
Видатний російський учений, академік, спеціаліст у галузі агрохімії, фізіології рослин і рослинництва. Розробив теорію нітратного живлення рослин (1916), наукові основи вапнування кислих грунтів, гіпсування солонців, застосування мінеральних добрив у землеробстві. Встановив, що нітратний нітроген (N0₃^-) тільки після відновлення до аміаку може бути використаний рослиною для синтетичного процесу. Розробив проблему використання фосфоритів безпосередньо на добриво і довів можливість переробки їх на суперфосфат, склав фізіологічну характеристику вітчизняних калійних добрив. Розробляв проблему розміщення добрив у сівозмінах, питання норм, строків і техніки внесення добрив у грунт, виробництва складних мінеральних добрив.

Крім того, під час грози атмосферний азот сполучається з киснем, утворюючи N0, що окиснюється киснем повітря до N0₂ і   зрештою перетворюється на нітратну кислоту (кислі дощі), яка потрапляє в ґрунт і там унаслідок взаємодії з мінералами переходить у нітрати.

Зв'язування атмосферного азоту в основному здійснюється в біосфері за рахунок життєдіяльності бульбочкових бактерій, що живуть на корінні деяких бобових рослин (конюшина, люцерна, люпин та ін.).

Існують у природі й зворотні процеси: одночасно відбувається розкладання нітрогеновмісних речовин і виділення вільного азоту в атмосферу (також робота спеціальних бактерій). Перетворення Нітрогену органічних сполук на вільний азот відбувається і під час лісових пожеж.

Отже, в природі постійно відбуваються процеси утворення сполук з атмосферного азоту і розкладання цих сполук до вільного азоту, тобто відбувається кругообіг Нітрогену.

Збираючи врожай, людина втручається у цей процес, Порушуючи природну рівновагу, збіднюючи ґрунт Нітрогеном. Тому й треба постійно вносити Нітроген у ґрунт у вигляді азотних добрив.

Ви вже знаєте, що вивченням питань живлення рослин і підвищенням їхньої урожайності за допомогою застосування добрив займається агрохімія. Великий внесок у розвиток цієї науки зробили французький учений Ж. Б. Буссенго німецький хімік Ю. Лібіх і російський учений Д. М. Прянишников.

Кругообіг Карбону в природі

Природні сполуки, до складу яких входить Карбон, постійно зазнають змін, внаслідок яких здійснюється кругообіг Карбону.

Важлива роль у кругообігу Карбону належить оксиду карбону(IV), що входить до складу атмосфери Землі. Цей газ надходить в атмосферу внаслідок багатьох процесів-виверження вулканів, горіння палива, розкладання вапняку, дихання людини,  тварин  і  рослин, процесів бродіння  і гниття.

З повітря С0₂ у значних кількостях поглинається наземними рослинами та фітопланктоном Світового океану. Процес поглинання С0₂ відбувається тільки на світлі — фотосинтез, внаслідок якого утворюються органічні сполуки, що містять Карбон. Внаслідок фотосинтезу в атмосферу виділяється кисень 0₂:

                         _hv
nС0₂ + mН₂0 ------------> С_n(Н₂0)_m + n0₂↑
                           _{хлорофіл}

Із рослин, які поїдаються тваринами, Карбон переходить у тваринні організми. Тварини виділяють Карбон у вигляді вуглекислого газу під час дихання. Рослини і тварини з часом відмирають, починають гнисти, окиснюватись і частково перетворюватись на С0₂, що повертається у повітря й знову поглинається рослинами. А частково рослинні та тваринні рештки у ґрунті перетворюються на горючі копалини — кам'яне вугілля, нафту, природний газ. Горючі копалини використовують як паливо, внаслідок згоряння якого С0₂ знову повертається в атмосферу.

Вуглекислий газ із атмосфери поглинається також водою Світового океану й реагує з гірськими породами під час їх руйнування. Відтак утворюються вапняки, доломіти та інші карбонати. Така різноманітність процесів забезпечує постійний кругообіг Карбону в природі.

Проте через різке збільшення спалювання різних видів палива вміст вуглекислого газу в атмосфері дедалі збільшується, а вміст кисню зменшується. Порушення рівноваги між вмістом кисню й вуглекислого газу в атмосфері може призвести до так званого «парникового ефекту» (шар С0₂ відіграє таку саму роль, як скло в теплиці). Це доволі загрозливе явище. Річ у тім, що вуглекислий газ вільно пропускає на Землю випромінювання Сонця, але сильно затримує теплове випромінювання Землі. Порушується нормальна тепловіддача Землі у космічний простір, а це спричинює потепління клімату.

Потепління клімату Землі може викликати танення льодовиків і призвести до підвищення рівня Світового океану. В результаті позатоплюються всі низько розташовані частини материків — низини, що межують з океаном і густозаселені. Почнеться танення вічної мерзлоти, що спричинить заболочування великих територій, випадання рясних дощів, а це позначиться на сільському господарстві тощо.

Відомо, що головним регулятором співвідношення вуглекислого газу і кисню в атмосфері Землі є фотосинтез. Ще 50 років тому це співвідношення було оптимальним: об'ємна частка кисню в атмосфері становила 21 %, вуглекислого газу — 0,03 %. Нині нормальне співвідношення порушується. Господарська діяльність людини, з одного боку, призводить до посилення викидів С0₂ в атмосферу, а з другого — до знищення «природних лабораторій», в яких здійснюється фотосинтез, тобто поглинається вуглекислий газ (вирубування лісів, масова загибель фітопланктону тощо). Отже, нині проблема охорони навколишнього середовища, у тому числі й повітря, дуже гостра, без її розв'язання людство не зможе вижити.

Карбон у природі
Масова частка елемента Карбону на Землі порівняно незначна, становить 0,1 %. Проте його значення в житті природи виключно велике. На відміну від Силіцію він зустрічається в природі як у вільному стані у вигляді простих речовин (алмаз, графіт), так і у зв'язаному — у вигляді численних мінералів: карбонатів, нафти, торфу, природного газу, сланців, вугілля тощо. Карбон міститься в атмосферному повітрі у вигляді вуглекислого газу (об'ємна частка С0₂ 0,03 %). Окрім того, всі рослинні й тваринні організми складаються з речовин, в утворенні яких головна роль належить Карбону. У гідросфері оксид карбону(IV) С0₂ у розчинному вигляді міститься в деяких мінеральних водах (Свалява, Лужанська, Єсентуки, Боржомі). Отже, цей елемент — один із найпоширеніших на Землі — в літосфері, атмосфері, гідросфері, хоча загальний вміст його й невеликий.

Сполуки, що містять у своєму складі Карбон, заведено називати органічними.

Виняток становлять оксиди карбону, карбіди, карбонатна кислота, карбонати та деякі інші сполуки Карбону, що вважаються неорганічними.

Різноманітність і величезна кількість органічних речовин зумовили виділення хімії сполук Карбону, тобто органічної хімії, в окремий розділ сучасної хімії, вивчення якого ви починаєте.

Завдання для самоконтролю
1.  Як відбувається кругообіг Карбону в природі? Яку роль у цьому процесі відіграє фотосинтез?
2.  Що таке «парниковий ефект»? Які заходи потрібні, щоб протидіяти цьому явищу? Відповідь мотивуйте.

Н.М. Буринська, Л.П. Величко, Хімія, 10 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Повний перелік тем з хімії, календарний план по всім предметам згідно шкільної програми, домашня робота, курси та завдання з хімії для 10 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.