"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Круговорот кислорода — это непрерывный обмен кислородом между атмосферой, водой, живыми организмами и земной корой. Свободный кислород образуется главным образом при фотосинтезе, а расходуется при дыхании, разложении органических остатков, горении и других окислительных процессах. Кислород может переходить из свободного состояния в состав воды, минералов и органических веществ, а затем снова высвобождаться. Поэтому его круговорот не идёт по одному замкнутому маршруту: разные природные процессы связывают между собой несколько резервуаров.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Круговорот кислорода — непрерывный обмен кислородом между атмосферой, гидросферой, живыми организмами и земной корой. Это не движение по одному маршруту: кислород может переходить между несколькими резервуарами и вступать в разные реакции. Понятие помогает увидеть связь живой и неживой природы.
Фотосинтез — процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии используют свет, превращают углекислый газ и воду в органические вещества и выделяют кислород. Упрощённо его записывают так: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Именно фотосинтез объясняет основное пополнение запасов свободного O₂.
Дыхание — окисление органических веществ в клетках с использованием кислорода и выделением углекислого газа и воды. Энергия органических веществ при этом становится доступной для жизнедеятельности организма. Поэтому дыхание является одним из процессов, расходующих свободный кислород.
Окисление — взаимодействие вещества с кислородом. Оно бывает быстрым, как горение, и медленным, как ржавление железа или постепенное разрушение органических веществ. Это понятие нужно, чтобы не сводить расход кислорода только к пламени.
Главный резервуар свободного кислорода — атмосфера, где он находится в составе газовой смеси. Часть O₂ растворена в воде, поэтому доступна водным организмам и участвует в реакциях гидросферы. Большая масса кислорода связана в воде, минералах и органических веществах, поэтому общее количество элемента намного больше запаса свободного газа.
Фотосинтез пополняет запас свободного кислорода потому, что энергия света разделяет исходные вещества и обеспечивает образование более сложных органических соединений. Углерод и водород входят в состав органического вещества, а кислород выделяется в виде O₂. Чем активнее фотосинтезирующие организмы поглощают свет, воду и CO₂, тем больше кислорода может поступить в окружающую среду.
Дыхание, разложение органических остатков и горение расходуют кислород, потому что во всех этих процессах вещества окисляются. При дыхании и разложении органические соединения превращаются главным образом в углекислый газ и воду. При горении топлива тот же принцип проявляется быстро и с выделением большого количества энергии.
Круговорот охватывает земную кору, поскольку кислород вступает в реакции с минералами и горными породами. Например, при окислении веществ образуются оксиды, а при некоторых геологических процессах связанные соединения могут изменяться и высвобождать кислород. Поэтому обмен кислородом идёт не только между воздухом и живыми организмами.
Баланс кислорода определяется не одним процессом, а соотношением его образования и расходования. Вырубка лесов и разрушение экосистем уменьшают площадь фотосинтеза, а сжигание топлива увеличивает потребление O₂ и образование CO₂. Природные системы обычно связывают эти потоки, но деятельность человека способна заметно изменить их масштаб.
| Процесс или резервуар | Что происходит с кислородом | Результат для круговорота |
|---|---|---|
| Фотосинтез | Свободный O₂ выделяется из воды и других исходных веществ | Запасы атмосферного и растворённого кислорода пополняются |
| Дыхание организмов | O₂ расходуется при окислении органических веществ | Образуются CO₂ и H₂O, кислород возвращается в связанное состояние |
| Разложение органических остатков | Кислород используется микроорганизмами при переработке остатков | Вещества возвращаются в природный круговорот, образуются CO₂ и вода |
| Горение топлива | Большое количество O₂ быстро расходуется | Выделяется энергия и увеличивается поступление CO₂ |
| Атмосфера и водоёмы | Кислород хранится в газообразном или растворённом виде | O₂ становится доступным организмам и химическим реакциям |
| Минералы и земная кора | Кислород в основном связан в оксидах, силикатах, воде и других соединениях | Формируется крупный запас связанного кислорода |
Таблицу удобно читать по строкам: сначала определите, где находится кислород или какой процесс идёт, затем проследите изменение его формы. Для оценки влияния процесса спросите, выделяется ли свободный O₂ или он переходит в состав соединений. Так можно отличить пополнение атмосферы от общего перемещения кислорода между резервуарами.
Распределите фотосинтез, дыхание, горение угля и разложение органических остатков на пополняющие и расходующие свободный кислород процессы. Нужно выяснить, выделяется ли O₂ или он используется в окислении веществ. Один и тот же элемент при этом может переходить между свободной и связанной формами.
Ответ: запасы свободного кислорода пополняет фотосинтез. Дыхание, горение угля и разложение органических остатков расходуют O₂.
По уравнению 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ определите количество кислорода, которое теоретически образуется из 0,5 моль CO₂. Коэффициенты показывают соотношение количеств веществ в реакции. Поэтому массу переводить не требуется.
Ответ: теоретически образуется 0,5 моль кислорода. Расчёт предполагает, что весь углекислый газ вступил в процесс и потерь нет.
При полном сгорании 8 г метана CH₄ найдите массу израсходованного кислорода по уравнению CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Сначала нужно определить количество вещества метана, затем использовать соотношение коэффициентов. После этого количество O₂ переводится в массу.
Ответ: для полного сгорания 8 г метана потребуется 32 г кислорода. Коэффициент 2 перед O₂ показывает, что кислорода по количеству вещества нужно вдвое больше, чем метана.
«Кислород образуется только растениями». Так забывают о водорослях и некоторых бактериях, способных к фотосинтезу. Проверка проста: спросите, может ли данный организм использовать свет и выделять O₂.
«Круговорот — это производство кислорода». Фотосинтез действительно создаёт свободный O₂, но дыхание, горение и окисление его расходуют. Для проверки разделите процессы на выделяющие и потребляющие кислород.
«Весь кислород находится в воздухе или растворён в воде». Значительная его часть связана в воде, минералах, горных породах и органических веществах. Нужно различать свободный O₂ и кислород, входящий в состав соединений.
«Любое окисление — быстрое горение». Окисление может идти медленно и без пламени, например при ржавлении железа. Проверьте, есть ли взаимодействие с кислородом, а не только яркое выделение тепла и света.
Для темы нужны знания о составе воздуха, формулах O₂, H₂O и CO₂, а также о коэффициентах химического уравнения. С биологией она связана через фотосинтез и дыхание организмов. Понятия окисления и горения пригодятся при изучении свойств кислорода, топлива и экологических последствий его сжигания.
Откуда берётся кислород в атмосфере?
Главным образом кислород поступает в атмосферу при фотосинтезе растений, водорослей и некоторых бактерий. Световая энергия позволяет им превращать углекислый газ и воду в органические вещества, выделяя O₂.
Почему дыхание уменьшает количество свободного кислорода?
При дыхании клетки окисляют органические вещества с использованием O₂. В результате образуются углекислый газ и вода, поэтому часть свободного кислорода переходит в состав продуктов реакции.
Только ли растения выделяют кислород?
Нет. Кислород выделяют также водоросли и некоторые бактерии, способные к фотосинтезу. Особенно велико значение фотосинтеза водных организмов для газового состава атмосферы.
В каком виде кислород содержится в земной коре?
В земной коре кислород в основном связан в соединениях: минералах, горных породах, оксидах, силикатах и воде. Свободного O₂ там значительно меньше, чем связанного кислорода.
Как сжигание топлива влияет на круговорот кислорода?
При сжигании топлива кислород расходуется, а углерод топлива соединяется с ним с образованием главным образом углекислого газа. Масштабное горение изменяет природный баланс газов и усиливает поступление CO₂ в атмосферу.
Круговорот кислорода в природе (Дополнительный материал к § 16)
