Описание круговорота кислорода в природе. Кислород в природе (49,4% в Земной коре). Круговорот кислорода в природе. Применение кислорода, его биологическая роль

Был открыт кислород (O2). В результате опыта, проводимого в закрытом сосуде с оксидом ртути, под действием солнечных лучей, направляемых линзой, произошло ее разложение: 2HgO → O2 + 2Hg. Это газообразное вещество характеризуется плотностью при нормальных условиях 0,00142897 г/см³, молярным объемом 14,0 см³/моль, температурой плавления минус 218,2 °С и температурой кипения минус 182,81 °С. Молярная масса равняется 15,9994 г/моль. Основная характеристика кислорода — это его способность окислять различные вещества. Являясь активным неметаллом, O2 взаимодействует со всеми металлами с образование основных и амфотерных оксидов, а также со всеми неметаллами (кроме галогенов), в результате получаются кислотные или несолеобразующие окислы.

Кислород входит в состав более полутора тысяч веществ, так как является наиболее распространенным на Земле химическим элементом. Он входит в состав различных химических соединений (их насчитывается более полутора тысяч). В твердой земной коре содержание O2 равняется 47,4 %. В морских и на его долю в связанном состоянии приходится 88,8 % массовых. В атмосфере кислород находится в свободном состоянии, объемная доля его равняется, примерно, 21 %, а массовая — 23,1 %. Он является важнейшим составляющим органических веществ, которые присутствуют в каждой живой клетке. По объему в них он занимает 25 %, а по массе 65 %. Круговорот кислорода в природе обусловлен его химической активностью.

Цикл представляет собой ряд изменений вещества, в результате которых оно возвращается в исходную точку, а весь путь повторяется. Кислородный цикл является биогеохимическим движением. Посредством него O2 проходит через биотическую сумму всех экосистем (биосфера или зона жизни на Земле) и абиотические (литосфера, атмосфера и гидросфера) среды. Круговорот кислорода описывает его движение в гидросфере (масса воды, находящаяся под землей и над ее поверхностью), атмосфере (воздух), в биосфере (глобальная сумма всех экосистем) и литосфере (земная кора). Нарушения этого цикла в гидросфере может привести к развитию гипоксических (с низким содержанием O2) зон в крупных озерах и океане. Основным движущим фактором является фотосинтез.

Экологические системы (экосистемы), имеют много биогеохимических циклов, работающих в их составе. Например, круговорот воды, круговорот кислорода, круговорот азота, углерода и т.д. Все химические элементы проходят путь, являющийся частью биогеохимических циклов. Они являются составной частью живых организмов, но также движутся через абиотические среды экосистем. Это вода (гидросфера), земная кора (литосфера) и воздух (атмосфера). Живые организмы наполняют оболочку Земли, называемую биосферой. Все питательные вещества, такие как углерод, азот, кислород, фосфор и сера, используются ими и являются частью замкнутой системы, поэтому они перерабатываются, а не теряются и не пополняются постоянно, как, например, в открытой системе.

Крупнейшим резервуаром O2 (99,5%) является кора и где он содержится в силикатных и оксидных минералах. Круговорот кислорода обеспечил попадание лишь небольшой части в виде свободного O2 в биосферу (0,01%) и в атмосферу (0,36%). Основным источником атмосферного свободного O2 является фотосинтез. Его продуктами являются органические вещества и свободный кислород, образующиеся из углекислого газа и воды: 6CO2 + 6H2O + энергия → C6H12O6 + 6O2.

За круговорот кислорода в биосфере отвечают наземные растения, а также фитопланктон океанов. Крошечные морские цианобактерии (сине-зеленые водоросли) Prochlorococcus, размером 0,6 мкм, были обнаружены в 1986 году. На их долю приходится более половины продуктов фотосинтеза в открытом океане. Дополнительным источником свободного атмосферного кислорода служит явление фотолиз (химическая реакция, протекающая под действием фотонов). В результате атмосферная вода и диссоциируют на составляющие атомы, водород (H) и азот (N) удаляются космос, а O2 остается в атмосфере: 2H2O + энергия → 4H + O2 и 2N2O + энергия → 4N + O2. Потребляется свободный кислород атмосферы живыми организмами в процессах дыхания и распада. Литосфера использует свободный O2 в результате химического выветривания и поверхностных реакциях. Например, он расходуется на образование (ржавчины): 4FeO + O2 → 2Fe2O3 или оксидов других металлов и неметаллов.

Круговорот кислорода также включает цикл между биосферой и литосферой. Морские организмы в биосфере служат источниками (CaCO3), который богат O2. Когда организм умирает, его оболочка выносится на мелководье морского дна, где находится в течение долгого времени и образует известняк (осадочная порода земной коры). Процессы выветривания, инициированные биосферой, могут также извлекать свободный кислород из литосферы. Растения и животные извлекают питательные вещества из осадочных пород и выделяют кислород.

>>

Круговорот Оксигена в природе. Применение кислорода

В этом параграфе речь идет:

Совокупность процессов, происходящих в природе, при которых атомы или ионы элемента в результате реакций переходят от одних веществ к другим, называют круговоротом элемента.

Круговорот Оксигена.

Если главным веществом в круговороте Оксигена выбрать кислород, то можно выделить такие звенья круговорота (схема 8):

Расходование, или связывание, кислорода (процессы дыхания, сгорания топлива и горючего, окисление различных веществ в природе, в технологических процессах);

Взаимопревращение оксигенсодержащих соединений;

Схема 8. Круговорот Оксигена (основные звенья)

Образование кислорода (процесс фотосинтеза, разложение воды в верхних слоях атмосферы).

Неизменность содержания кислорода в атмосфере свидетельствует о том, что процессы связывания и выделения кислорода компенсируют друг друга.

Оксиген способствует круговороту других элементов, поскольку образует с ними многочисленные соединения.

Схема 9. Применение кислорода

Кислород используют в различных отраслях , причем в больших количествах (схема 9). В металлургии он ускоряет процесс выплавки стали и улучшает ее качество. Этот газ необходим в производстве многих химических соединений, используется в специальных устройствах для резки и сварки металлов (водороднокислородные, ацетиленово-кислородные горелки).

Баллоны, наполненные кислородом (рис. 66) или его смесью с инертным газом гелием, используют космонавты, военные летчики, пожарники, водолазы.

Рис. 66. Баллон с кислородом

Кислородные подушки применяют при некоторых заболеваниях для облегчения дыхания. С помощью сжиженного кислорода создают необходимые условия для сгорания горючего в космических ракетах.

Широко используется и кислород, входящий в состав воздуха. При его участии сгорает топливо на теплоэлектростанциях, горючее в двигателях автомобилей, обжигают металлические руды на заводах цветной металлургии.

Это интересно

Отравление угарным газом CO происходит потому, что он реагирует с гемоглобином, и поступление кислорода в организм прекращается.

Во время сжигания топлива и горючего образуется и попадает в воздух значительное количество угарного (CO) и сернистого (SO 2) газов. Эти вещества негативно влияют на растения, вызывают и обостряют болезни у людей. Поэтому в каждой стране работу промышленности, энергетики, транспорта организуют так, чтобы уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу. Охрана воздуха от техногенных загрязнений является важным государственным делом.

Биологическая роль кислорода.

Кислород необходим живым существам для дыхания. Попадая через легкие в организм, этот газ соединяется с гемоглобином (компонент крови) и поступает во все органы и ткани. При участии кислорода происходят различные реакции. Некоторые из них сопровождаются выделением теплоты; благодаря этому поддерживается постоянная температура тела.

Выводы

В природе атомы Оксигена в результате химических реакций постоянно переходят от одних веществ к другим; происходит круговорот этого элемента.

Кислород широко используется в промышленности, технике, медицине, а в составе воздуха - в теплоэнергетике, автотранспорте, других областях.

Кислород необходим живым существам. Попадая в организм во время дыхания, он принимает участие во многих химических реакциях. Кислород также является продуктом фотосинтеза.

?
154. Как вы понимаете термин «круговорот»?
155. Напишите два-три уравнения реакций, при которых происходит связывание кислорода.
156. Какие меры должно предпринимать человечество для сохранения баланса кислорода в атмосфере?
157. Известно, что вместо определенного объема кислорода, потребляемого при дыхании, в воздух поступает такой же объем углекислого газа. Определите объемную долю кислорода в выдыхаемом воздухе, если объемная доля углекислого газа в нем составляет 5 %.

Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. - К.: ВЦ «Академія», 2008. - 136 с.: іл.

Химия, 8 класс Дата__________

Урок №___

Тема урока: Свойства и применение кислорода. Круговорот кислорода в природе

Цель урока: изучить физические и химические свойства кислорода, дать общее понятие об оксидах, реакциях горения; рассмотреть

практическую значимость и применение; доказать, что кислород - один из важнейших элементов на Земле.

З адачи урока:

Образовательные :

Расширить представления обучающихся о кислороде.

Познакомить со свойствами и применением кислорода.

Совершенствовать умения составлять уравнения химических реакций.

Воспитательные :

Формировать умения работать в парах у каждого обучающегося, считаться с мнением соседа и отстаивать свою точку зрения корректно, выполняя упражнения.

Воспитывать бережное отношение к своему здоровью, окружающей природе, учить понимать прекрасное, ценить произведения искусства.

Развивающие :

Способствовать продолжению развития устойчивого интереса к химической науке и практике.

Совершенствовать навыки самостоятельной работы, развивать умения наблюдать, формулировать высказывания.

Способствовать развитию исследовательских навыков, соблюдая правила техники безопасности.

Совершенствовать умения обобщать и делать выводы.

Планируемые результаты:

личностные: готовность и способность учащихся к саморазвитию, самоопределению; ответственное отношение к учению; способность ставить цели и строить жизненные планы; формирование коммуникативной культуры, ценности здорового и безопасного образа жизни;

метапредметные: уметь ставить цель и планировать пути её достижения, выбирая более рациональные способы решения данной проблемы; учиться корректировать свои действия в связи с изменением создавшейся ситуации; уметь создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных и познавательных задач; уметь осознанно использовать речевые средства в соответствии с задачей коммуникации для выражения своих мыслей и потребностей; уметь организовывать совместную работу со сверстниками в парах; уметь находить информацию в различных источниках; владеть навыками самоконтроля, самооценки;

предметные:

знать : основные химические понятия «катализаторы», «оксиды», «реакции горения», «реакции окисления»; физические и химические свойства кислорода; области применения кислорода.

уметь: отличить кислород от других газов; составлять уравнения реакций горения веществ в кислороде; записывать химические формулы оксидов и давать им названия; объяснять, как происходит круговорот кислорода в природе .

Тип урока: урок формирования умений и навыков.

Форма работы: фронтальная, групповая, работа в парах, игровая.

Методы обучения: словесный, частично-поисковый, наглядный, демонстрационный, интерактивный.

Приемы обучения : постановка проблемных вопросов.

Оборудование: компьютер, проектор, презентация «Свойства и применение кислорода. Круговорот кислорода в природе», пробирка с

газоотводной трубкой, колба, стеклянная пластина, пинцет, ложка для сжигания веществ, штатив, спиртовка, универсальная

индикаторная бумага, химический стакан.

Реактив ы: красный фосфор, вода.

Литература:

Для учителя:

Горковенко М. Ю. Поурочные разработки по химии 8 класс к учебникам О. С. Габриеляна, Л. С. Гузея, Г. Е. Рудзитиса. - М: «ВАКО», 2004;

Радецкий А. М., Горшкова В. П. Дидактический материал: химия 8-9 классы - М: Просвещение, 1997.

Для ученика:

Химия: неорганическая химия: учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. - М: «Просвещение», 2014 г.

Интернет-ресурсы:

http://www.e-osnova.ru/

ХОД УРОКА

І. Организационный момент. (1 мин.) (Слайд №1)

Учитель: Добрый день! Прошу всех садиться. Я поздравляю вас еще с одним чудесным днем. И мы с вами продолжаем творить волшебство на уроках химии.

ІІ. Актуализация знаний. (7 мин.).

Фронтальный опрос «А ну-ка, химики» . (Слайд №2)

Учитель: Сегодня на уроке мы изучим свойства и применение кислорода. Круговорот кислорода в природе. Но перед тем как

приступить к изучению новой темы, вам следует ответить на следующие вопросы: 2 обучающихся получают задание на карточках и

Выполняют его у доски:

На какой диаграмме распределение массовых долей элементов отвечает

количественному составу (NH 4 ) 3 PO 4 ? Ответ: 4.

Фронтальный опрос

Химический знак кислорода? Ответ: О

Относительная атомная масса кислорода? Ответ: 16.

Химическая формула кислорода? Ответ: О2.

Относительная молекулярная масса кислорода? Ответ: 32.

В соединениях кислород обычно какой валентности? Ответ: II.

Расскажите о нахождении кислорода в природе. Ответ: Кислород - самый распространенный химический элемент в земной коре. Кислород - самый распространенный на Земле элемент, на его долю приходится около 49% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода - 85,5% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 21% по объёму и 23% по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород. Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет 20,9%, по массовой доле - около 65 %.

Перечислите способы получения кислорода в лаборатории? Ответ:

В лаборатории кислород получают следующими

способами:

1) Разложение перманганата калия. 2KMnO4 = K2MnO4+MnO2+O2

2) Разложение перекиси водорода. 2H2O2 = 2H2O + O2

3) Разложение бертолетовой соли. 2KClO3 = 2KCl + 3O2

8. Перечислите способы получения кислорода в промышленности. Ответ: В промышленности кислород получают:

1) Электролиз воды. 2H2O = 2H2 + O2

2) Из воздуха. ВОЗДУХ давление, -183˚C=O2 (голубая жидкость).

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия (марганцовка) KMnO4. Кислород мало растворим в воде и тяжелее воздуха, поэтому его можно получать двумя способами:

9. Установите соответствие между способом получения кислорода и уравнением химической реакцией. Работа в парах. (Слайд №3)

Ответ: А-4; Б-2; В-1; Г-5; Д-3.

10. Что называют катализаторами? Где эти вещества применяются? Ответ: Вещества, которые ускоряют химические реакции,

но сами при этом не расходуются, называют катализаторами. Катализаторы широко применяют в химической промышленности. С

их помощью удается повысить производительность химических процессов, снизить себестоимость выпускаемой продукции и более

полно использовать сырье.

ІІІ. Изучение нового материала. (12 мин.) (Слайд №4)

Учитель: Физические свойства. Кислород - бесцветный газ, без вкуса и запаха, относительно малорастворим в воде (в 100 объемах

Воды при температуре 20 ºС растворяется 3,1 объема кислорода). Кислород немного тяжелее воздуха: 1л кислорода при нормальных

условиях весит 1,43 г, а 1л воздуха - 1,29г. (Нормальные условия - сокращенно: н.у. - температура 0ºС и давление 760 мм.рт.ст., или

1 атм. ≈ 0,1 МПа). При давлении 760 мм.рт.ст. и температуре -183ºС кислород сжижается, а при снижении температуры до -218,8ºС

затвердевает.

(Слайд №5) Химические свойства. Кислород при нагревании энергично реагирует со многими веществами, при этом выделяются

Теплота и свет. Такие реакции называют реакциями горения. Если опустить в сосуд с кислородом O 2 тлеющий уголек, то он

Раскаляется добела и сгорает, образуя оксид углерода(IV ) С O 2 . Чтобы определить, какое образовалось вещество, в сосуд наливают

Известковую воду - раствор гидроксида кальция Са(ОН) 2 . Она мутнеет, так как при этом образуется нерастворимый карбонат

Кальция СаС O 3 :

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

(Слайд №6) Сера горит в O 2 ярким синим пламенем с образованием газа с резким запахом - оксида серы(IV )

S + O 2 = SO 2

(Слайд №7) Демонстрационный опыт «Горение фосфора в кислороде»

Техника безопасности (провести инструктаж!) Опыт следует проводить под тягой. Следует соблюдать правила обращения с

Нагревательными приборами. Не допускать попадания горящего фосфора на рабочую поверхность стола. Не вдыхать выделяющийся

Дым фосфорного ангидрида.

Фосфор Р сгорает в O 2 ярким пламенем с образованием белого дыма, состоящего из твердых частиц оксида фосфора(V).

4P + 5O 2 = 2P 2 O 5

(Слайд №8) В кислороде горят и такие вещества, которые обычно считают негорючими, например железо. Если к тонкой стальной

Проволоке прикрепить спичку, зажечь ее и опустить в сосуд с кислородом, то от спички загорится и железо. Горение железа

Происходит с треском и разбрасыванием ярких раскаленных искр - расплавленных капель железной окалины Fe3O4. В этом

Соединении два атома железа трехвалентны и один двухвалентен. Поэтому реакцию горения железа в кислороде можно выразить

Следующим уравнением:

3 Fe + 2 O 2 = FeO * Fe 2 O 3 или Fe 3 O 4

(Слайд №9) Взаимодействие вещества с кислородом относится к реакциям окисления .

(Слайд №10) Горение - это химическая реакция, при которой происходит окисление веществ с выделением теплоты и света.

В большинстве случаев при взаимодействии веществ с кислородом образуются оксиды. (Слайд №11) Оксиды - это сложные

Вещества, которые состоят из двух элементов, одним из которых является кислород.

(Слайд №12) Известны химические элементы, которые непосредственно с кислородом не соединяются. К ним относятся золото Au и

Некоторые другие. Оксиды этих элементов получают косвенным путем.

(Слайд №13) Применение кислорода. Основано на его химических свойствах. В больших количествах кислород используют для

Ускорения химических реакций в разных отраслях химической промышленности и в металлургии. Например, при выплавке чугуна

Для повышения производительности доменных печей в них подают воздух, обогащенный кислородом.

(Слайд №14) При сжигании смеси ацетилена или водорода с кислородом в специальных горелках температура пламени достигает

3000 º С. Такое пламя используется для сварки металлов. Если берут кислород в избытке, то пламенем можно резать металл.

(Слайд №15) Жидкий кислород применяют в ракетных двигателях.

(Слайд №16) В медицине кислород служит для облегчения затрудненного дыхания. В этом случае кислородом заполняют

Специальные подушки. Кислородные маски необходимы в высотных полетах, в космосе и при работе под водой.

(Слайд №17) Кислород расходуется в громадных количествах на многие химические реакции, например на сжигание топлива.

(Слайд №18) Из сказанного видно, что очень много кислорода расходуется на разнообразную деятельность человека, тратится на

Процессы дыхания человека, животных, растений, а также на процессы гниения. Человек при дыхании в течение 1 мин в среднем

Употребляет 0,5 дм ³ кислорода, в течении суток - 720 дм ³ , а в год - 262,8 м ³ кислорода, что все жители земного шара (5 миллиардов)

В течение года для дыхания используют 1578 миллиардов кубических метров кислорода. Если такой объем кислорода при нормальном

Давлении поместить в железнодорожные цистерны, то поезд был бы протяженностью более 300 млн км, что равняется расстоянию до

Солнца и обратно.

(Слайд №19) Но все же общая масса кислорода в воздухе заметно не изменяется. Это объясняется процессом фотосинтеза,

Происходящим в зеленых растениях на свету. В результате этого процесса выделяется кислород.

С фотосинтезом вы уже знакомились в курсе ботаники. Упрощенно процесс фотосинтеза изображают так:

6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 .

Так в природе происходит непрерывный круговорот кислорода.

(Слайд №20) В целях сохранения кислорода в воздухе вокруг городов и крупных промышленных центров создаются зоны зеленых

Насаждений. Специальная служба систематически контролирует содержание кислорода в воздухе. При необходимости применяют

Меры по устранению загрязнения воздуха.

(Слайд №21) Физкультминутка. (1 мин.)

Руки кверху поднимаем,
А потом их отпускаем.
А потом их развернем
И к себе скорей прижмем.
А потом быстрей, быстрей
Хлопай, хлопай веселей.

IV. Закрепление знаний. (6 мин.)

(Слайд №22) Задание №1. «Правда или ложь? Если знаешь - разберешь»

Для кислорода верны следующие утверждения:

а) Кислород – бесцветный газ, без вкуса и запаха .

б) Кислород немного легче воздуха.

в) В кислороде горят и такие вещества, которые обычно считают негорючими, например железо.

г) Известны химические элементы, которые непосредственно с кислородом соединяются. К ним относятся золото Au и некоторые другие.

д) Применение кислорода основано на его физических свойствах.

е) Непрерывный круговорот кислорода непосредственно связан с таким процессом, как фотосинтез.

Ответ: а; в; е.

(Слайд №23) Задание №2. «Скорая помощь»

Вставьте пропущенные вещества в уравнениях реакций:

а) …….. + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

б) S + ……. = SO 2

в) ….. + 2 O 2 = FeO * Fe 2 O 3 или Fe 3 O 4

Ответ: а)CO 2 б)O 2 в) 3 Fe

(Слайд №24) Задание №3. «Мозговой штурм»

Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций.

а) CO 2 + H 2 O = C 6 H 12 O 6 + O 2

б) P + O 2 = P 2 O 5

(Слайд №25) Задание №4. «Ассоциации»

С каким применением кислорода ассоциируется данное изображение?

(Слайд №26) 1) в металлургии;

(Слайд №27) 2) в авиации для двигателей;

(Слайд №28) 3) в авиации для дыхания;

(Слайд №29) 4) для резки металлов;

(Слайд №30) 5) для сварки металлов;

(Слайд №31) 6) на взрывных работах;

(Слайд №32) 7) в медицине.

(Слайд №33) V. Домашнее задание. (1 мин.)

§20,21; №6-9 (с.60). Решите задачи 1-2 (с.60).

Творческое задание: подготовить сообщение №10 с. 60 «Что делается в вашей местности для поддержания определенного содержания

Кислорода в воздухе? В чем может заключаться ваше участие в этой деятельности?»

(Слайд №33) VI. Рефлексия. (1 мин.)

Учитель:

С егодня я узнал...

было трудно…

я понял, что…

я научился…

я смог…

было интересно узнать, что…

меня удивило…

мне захотелось…

VII. Подведение итогов урока. (1 мин.)

(Слайд №34) В чём горят дрова и газ,
Фосфор, водород, алмаз?
Дышит чем любой из нас
Каждый миг и каждый час?
Без чего мертва природа?
Правильно, без…. Обучающиеся: кислорода

Учитель: Правильно. Спасибо за урок! До свидания! (Слайд №35)

Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных. Массовая доля кислорода в земной коре составляет около 47%.

Кислород - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он немного тяжелее воздуха. Кислород играет исключительно важную роль в природе. При участии кислорода совершается один из важнейших жизненных процессов - дыхание . Важное значение имеет и другой процесс, в котором участвует кислород - тление и гниение погибших животных и растений; при этом сложные органические вещества превращаются в более простые (в конечном результате в CO 2 , воду и азот) , а последние вновь вступают в общий круговорот веществ в природе.

Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.

В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О 2 . Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.

Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (О 2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализации органических остатков (гниения различных веществ). Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации.

В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д.

Основная доля кислорода продуцируется растениями суши - почти 3/4, остальная часть - фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота - около 2 тыс. лет.

Установившиеся в биосфере объемы потоков кислорода и кислородосодержащих соединений в современных условиях нарушаются техногенными миграциями. Промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы, сброшенные в природные воды (реки, озера, моря, океаны), связывают растворенный в воде кислород, что также нарушает объемы кислородных потоков в биосфере. Загрязнение почв, сведение лесов уменьшает обмен кислородом и диоксидом углерода между атмосферой и сушей. Однако запасы кислорода на планете неисчерпаемы. Он входит в состав кристаллических решеток минералов и высвобождается из них при помощи живого вещества. Поэтому для поддержания установившихся объемов кислородных потоков в биосфере необходимо сохранение живого вещества как главной геохимической силы.

Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Кислород атмосферы накоплен в результате деятельности зеленых растений. Потребовалось около 2,5–3 млрд.лет для создания современного состава атмосферы, содержащей 21% кислорода.

Весь свободный кислород в атмосфере оценивается в 1,6×10 9 т. Это его количество потребляется на дыхание живыми организмами за 2 тыс.лет, что и составляет время полного круговорота кислорода в биосфере.

Круговорот кислорода в биосфере (Клауд, Джибор, 1972)

У верхней границы тропосферы под влиянием космических излучений из кислорода образуется озон. Следовательно, озоновый экран, предохраняющий жизнь от смертоносных излучений, также результат деятельности живого вещества, то есть жизнь сама защищает себя от смерти. Этот факт подтверждает гипотезу Ген, по которой глобальные процессы, определяющие пределы жизни, регулируются только биологическими процессами самой биосферы.

Работа по экологии

на тему:

Биогеофизические круговороты веществ в природе

Работу выполнила

Ученица 11-А класса

Лучник Татьяна

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:

1. повсеместное распространение

химических элементов во всех геосферах;

2. непрерывная миграция (перемещение) элементов во времени и в пространстве;

3. многообразие видов и форм существования элементов в природе;

4. 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 тектономагматических 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.

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 сукцессии. 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).

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.

Круговорот кислорода в природе.

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.

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:

6CO 2 + 6H 2 O + энергия света = C 6 H 12 O 6 + 6O 2

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.

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:

O 2 * + O 2 → O 3 + O

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.

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 экологогеохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.

3. Круговорот азота в природе . При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превра­щается в аммиак, который под влиянием живущих в почве н и трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кис­лоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:

2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при.недо­статочном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) пере­ходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещаю­щие потери азота. К таким процессам относятся прежде всего про­исходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в ни­траты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бак­терий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вы­зывая образование характерных вздутий - «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваи­вая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговою рот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Изучение вопросов питания растений и повышения урожайно­сти последних путем применения удобрений является предметом специальной отрасли химии, получившей название агрохимии. Большой вклад в развитие этой науки внесен французским ученым Ж. Б. Буссенго (1802-1887), немецким химиком Ю. Либихом (1803-1873) и русским ученым Д. Н. Прянишниковым.

3.Круговорот воды. Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с

поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков

на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно

сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот.

Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с
литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.

Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

· Круговорот фосфора. · Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:· - Добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и моющих средств.· - Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.