§ 51. Фотосинтез*

Определения и обозначения

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Он позволяет растениям создавать вещества, которые служат пищей им самим и другим организмам, а также сопровождается выделением кислорода. Поэтому фотосинтез важен для жизни и поддержания состава атмосферы.

Хлорофилл — зелёный пигмент, поглощающий световую энергию и участвующий в фотосинтезе. Пигментом называют вещество, которое придаёт окраску; хлорофилл находится в клетках растений. Без поглощения света клетка не получила бы энергию, необходимую для фотосинтетических превращений.

Световая фаза фотосинтеза — этап, на котором энергия света преобразуется в химическую энергию и происходит выделение кислорода. Она важна тем, что создаёт запас энергии для последующих реакций. Кислород появляется при расщеплении воды.

Темновая фаза фотосинтеза — этап образования органических веществ из углекислого газа с использованием энергии, накопленной в световой фазе. Её название не означает, что она проходит только ночью: прямой свет для этих реакций не нужен. Эта фаза позволяет включить углерод углекислого газа в состав органических веществ.

Как это устроено

Фотосинтез происходит в клетках, где есть хлорофилл, потому что именно этот пигмент поглощает свет. Поглощённая энергия приводит в движение химические процессы, которые иначе не шли бы с нужной скоростью и направлением. Таким образом, свет не становится веществом растения, а служит источником энергии для превращений. Чем меньше доступного света, тем меньше энергии может быть использовано в световой фазе.

Исходные вещества фотосинтеза — углекислый газ и вода. Углекислый газ поступает из воздуха через отверстия на поверхности листьев, а вода поглощается корнями из почвы и переносится по растению к клеткам. Такое разделение путей поступления помогает понять, почему для фотосинтеза важны и состояние листьев, и доступность воды. Если одного из исходных веществ не хватает, образование органических веществ ограничивается.

В световой фазе хлорофилл поглощает световую энергию, и часть её запасается в химической форме. Одновременно молекулы воды расщепляются: из них образуется кислород, который растение выделяет в окружающую среду, а другие продукты участвуют в дальнейших реакциях. Кислород не берётся из углекислого газа, хотя углекислый газ тоже входит в общее уравнение. Световая фаза тем самым и запасает энергию, и даёт вещества, нужные следующему этапу.

В темновой фазе углекислый газ преобразуется и включается в состав органических веществ, в том числе сахаров. Для этого клетка использует энергию и продукты, полученные в световой фазе. Углерод из CO₂ становится частью молекул органического вещества, а не исчезает в ходе реакции. Поэтому образование сахаров зависит и от поступления углекислого газа, и от работы световой фазы.

Две фазы связаны: световая создаёт условия для темновой, а темновая использует полученный запас энергии для образования органических веществ. Суммарное уравнение показывает, какие вещества расходуются и какие образуются: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Над стрелкой указывают свет и хлорофилл. Уравнение удобно для расчётов, но не показывает промежуточные вещества, последовательность реакций и разделение процесса на фазы.

Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза

Сначала сравните, требуется ли фазе свет непосредственно, затем проследите, какие вещества в ней расходуются и что получается. Последняя строка помогает увидеть, что фазы не существуют независимо друг от друга: результаты одной нужны другой.

Разбор задач

Задача 1. Записать и уравнять суммарную реакцию фотосинтеза, указав условия её протекания. Сначала запишем формулы исходных веществ и продуктов, а затем проверим число атомов каждого элемента. Коэффициенты должны уравнять реакцию, а условия над стрелкой покажут роль света и хлорофилла.

1. Записываем схему: CO₂ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + O₂. В продуктах одна молекула глюкозы содержит 6 атомов углерода, поэтому перед CO₂ ставим коэффициент 6.
2. В глюкозе и шести молекулах CO₂ всего 18 атомов кислорода слева, если учесть воду. Ставим коэффициент 6 перед H₂O и 6 перед O₂: теперь слева и справа по 18 атомов кислорода и по 12 атомов водорода.
3. Записываем условия над стрелкой: свет и хлорофилл. Получаем уравнение: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (свет, хлорофилл).

Ответ: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂; условия — свет и хлорофилл.

Задача 2. При фотосинтезе израсходовано 12 моль углекислого газа. Определить количество вещества образовавшегося кислорода. Ищем отношение веществ по коэффициентам уравнения, а не по их формулам отдельно. Коэффициенты перед CO₂ и O₂ одинаковы, поэтому количества этих веществ равны.

1. Записываем нужную часть уравнения: 6CO₂ → 6O₂. Отношение n(O₂) : n(CO₂) равно 6 : 6, то есть 1 : 1.
2. Подставляем количество углекислого газа: n(O₂) = 12 моль × 1 = 12 моль. Значит, кислорода образуется столько же, сколько израсходовано CO₂.

Ответ: 12 моль кислорода.

Задача 3. Растение образовало 180 г глюкозы. Найти объём углекислого газа, необходимый для её образования, при нормальных условиях. Переходим от массы глюкозы к количеству вещества, затем используем коэффициенты реакции. В конце переводим количество CO₂ в объём газа при н. у.

1. Молярная масса глюкозы C₆H₁₂O₆ равна 180 г/моль. Поэтому n(глюкозы) = 180 г / 180 г/моль = 1 моль.
2. По уравнению на 1 моль глюкозы требуется 6 моль CO₂. Значит, n(CO₂) = 6 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(CO₂) = 6 × 22,4 = 134,4 л.

Ответ: для образования 180 г глюкозы требуется 134,4 л углекислого газа при нормальных условиях.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что для фотосинтеза достаточно только света. Свет даёт энергию, но не заменяет воду, углекислый газ и хлорофилл, поэтому без любого из необходимых условий процесс нарушается. Так думают, когда путают источник энергии с исходными веществами реакции. Проверьте себя: перечислите, что поглощается, откуда поступают исходные вещества и что улавливает свет.

Ошибка: считать, что выделяемый кислород образуется из углекислого газа. Такое предположение возникает потому, что CO₂ записан среди исходных веществ суммарного уравнения. Однако кислород выделяется при расщеплении воды в световой фазе. Проверка: связывайте появление O₂ именно с превращениями воды, а не только с итоговой записью реакции.

Ошибка: понимать «темновую фазу» как процесс, который идёт исключительно ночью. Название относится к тому, что свет непосредственно не требуется для реакций этого этапа, но фаза использует энергию и продукты световой стадии. Поэтому она связана с работой световой фазы, а не просто с наступлением темноты. Чтобы проверить себя, спросите, откуда берётся энергия для образования органических веществ.

Ошибка: считать суммарное уравнение полным описанием механизма фотосинтеза. Уравнение показывает начальные и конечные вещества и их количественные соотношения, но не раскрывает промежуточные реакции и последовательность этапов. Такое заблуждение возникает, когда химическую запись принимают за подробную схему процесса. Проверьте себя: уравнение должно описывать общий итог, а сведения о фазах объясняют ход превращений.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в фотосинтезе, нужно знать состав и свойства воды и углекислого газа. Умение читать уравнения реакций помогает увидеть, какие вещества расходуются и образуются, а коэффициенты использовать в расчётах. Например, по ним находят количество кислорода или объём необходимого CO₂.

Фотосинтез связывает химию с биологией: он объясняет, как растения образуют органические вещества и откуда в атмосфере появляется кислород. Созданные растениями вещества становятся источником питания для других организмов. Так химические превращения оказываются основой процессов в живой природе.

Идеи превращения вещества и энергии пригодятся при изучении обмена веществ, горения и круговорота углерода. Фотосинтез запасает энергию в органических веществах, а при их превращениях она может высвобождаться. Сопоставление этих процессов помогает проследить движение вещества и энергии в природе.

Что запомнить

• Фотосинтез использует энергию света.
• Хлорофилл поглощает световую энергию.
• Исходные вещества фотосинтеза — углекислый газ и вода.
• В суммарном уравнении фотосинтеза образуются глюкоза и кислород.
• Световая и темновая фазы связаны между собой.
• Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ и выделение кислорода.