Круговорот речовин, у біосфері

Вода і його круговорот

В.Ф.Попов, О. Н. Толстихин.

В момент освіти Землі з протопланетного хмари елементи її майбутнього атмосфери і гідросфери перебувають у пов’язаному вигляді у складі твердих речовин. Їх формування заснували зумовлено виділенням водяної пари та газів з верхньої мантії у її диференціації і вулканічних процесах на ранніх етапах розвитку Землі.

Вода — унікальне речовина. Cо шкільного курсу хімії відомо, що молекула води H2O — гидроль і двох атомів водню і самого атома кисню. Атоми водню утворюють з атомом кисню кут приблизно 105°, тому один бік молекули має загальний позитивного заряду, іншу — негативний. Оскільки електричні заряди розділені, то молекула води є електричний диполь. Завдяки електричному дипольному моменту в рідкої воді кожна гидроль може з'єднуватися коїться з іншими молекулами води, але з більш ніж двох водневих зв’язках, мають електростатичну природу. Внаслідок цього у воді з’являються молекулярні агрегати як ланцюжків, кілець й навіть складніших систем. У постійному обсязі загальна кількість водневих зв’язків залежить від термодинамічних умов. Отже, рідка вода є сумішшю мономерных (окремих) і полімерних (агрегированных) молекул, які її структуру. У холодної воді структуроване близько половини молекул, а при температурі кипіння — близько третини молекул. Структурні особливості змінюються як під впливом температури і тиску, а й під впливом розчинених солей і газів, електричного і магнітного полів.

Интересны факти позитивного на людський організм талої води чи води побывавшей у магнітному полі. При замачивании насіння сільськогосподарських культур намагніченої водою різко зростає їх всхожесть, а полив збільшує врожайність. Широко застосовується метод попередньої магнітної обробки води зменшення інтенсивності освіти накипу в парових казанах.

Структурное будова рідкої води пояснює її унікальне суспільство й аномальні властивості. Так, необхідність руйнації водневих зв’язків визначає високу енергоємність води. Через війну аномально високими стають теплоємність (4,19 Дж/°С), температури кипіння (100 °З) і плавлення води (0 °З). Зауважимо, що інші водневі сполуки групи кисню (H2S, H2Se, H2Te) киплять і плавляться при негативних температурах (-61 і -82; -42 і -64; -4 і -51 °З відповідно), що лягають на плавні лінії, залежно від молекулярної маси речовини. Екстраполяція цих ліній дає такі теоретичні температури кипіння і плавлення води порядку -7 і -100 °З. Поруч із загальними закономірностями, що випливають із періодичного закону Д. И. Менделеева, вода в земних умовах мусила бути нічого поганого пахне газом.

Теплоемкость води перевищує теплоємність спирту за 8 раз, бензолу в 10,7 рази, й піску більш ніж у 20 раз. Тому вода повільно нагрівається, і повільно вистигає. Потрібні великі витрати енергії для перетворення льоду в рідина й рідкої води на пару. Ці властивості визначають роль води як акумулятора енергії і головного регулятора клімату Землі.

Вода має максимальної щільністю за нормальної температури +4 °З, тоді як інших рідин максимальна щільність відповідає температурі плавлення. При температурах вищою, і нижче +4 °З вода має меншу щільність, тобто розширюється. Тому лід не тоне у власній розплаві. Завдяки цьому водойми замерзають із поверхні і яка утворювалася крижана кірка захищає їхню відмінність від повного промерзання, а живі організми від загибелі.

Вода має найвищої із усіх рідин діелектричним постійної, в результаті чого при розчиненні солей сила електричного взаємодії між разноименно зарядженими частинками зменшується приблизно 80 разів, і солі диссоциируют на іони. У цьому вода здебільшого не бере участь у хімічних реакціях з розчиненими речовинами і є підстави назад отримані через випарювання. Ця особливість води має колосальне геологічне і біологічне значення.

Уникальные властивості води визначають особливу її місію у формуванні лику планети Земля, її фізичним і хімічної середовища, соціальній та появу і підтримці дивного явища — життя. Нагадаємо, що людина на 70% складається з води.

Работа теплових машин Землі зумовлює круговорот води у природі, у своїй вода переходить з рідкого в газоподібне й твердого гніву й назад. за рахунок припливу сонячної енергії вода випаровується із поверхні морів, і океанів, а також суходолу на кількості порядку 519 тис. км3 на рік. Частина води, испарившейся з поверхні океанів, випадає як опадів на океан, зробивши, так званий, малий круговорот. Інша ж частина води як водяної пари, стерпного повітряними течіями, сягає суші. Атмосферні опади, які випадали суші, частиною просочуються у сухий ґрунт й утворюють підземний стік, частиною стікають по земної поверхні, створюючи струмки і річки, а решти знову випаровуються, зокрема і крізь процес біологічного випаровування, що з життєдіяльністю рослин (транспирация) і тварин. Зрештою, вона знову сягає океану, завершуючи великий круговорот води на земній кулі.

Вода, будучи найсильнішим розчинником, грає величезну роль геохімічних процесах. Промиваючи товщі гірських порід, вона втягує в круговорот велику частина хімічних елементів періодичної системи Менделєєва. На Землі немає дистильованої води. Будь-яка вода містить розчинені солі, гази, органічні та колоїдні речовини. Разом з циркуляцією води в біосфері, розчинені у ній елементи також беруть участь у круговерті. Кількість розчинених речовин варіює на вельми межах. Мінералізація може становитиме від перших міліграмів на дм3 до майже 600 р/дм3. Прісними називають води з мінералізацією до 1 р/дм3.

Химический склад води Світового океану за низкою хімічних елементів (Cl, Na, Про, Ca, K) дуже близький до хімічної складу крові людини. Мабуть, з цим пов’язано оздоровче вплив морської води на організм людини. У питну воду растворены важливі життєдіяльності організму органічні та неорганічні речовини. Вода, завдяки електролітичної дисоціації які у ній солей, кислот і лугів, виконує роль каталізатора різноманітних процесів обміну речовин, у організмі. Вода — обов’язковий компонент практично всіх технологічних процесів сільськогосподарського і промислового виробництв. Води гідросфери використовуються те, як сировину, те, як теплоносій, те, як транспортна система, те, як розчинник і майже завжди як середовище, у якому видаляються різноманітні відходи. З огляду на широко він води у промисловості й у сільське господарство, і навіть стрімкого зростання споживання води у багатьох регіонах світу проблема води є неабияк актуальною. Необхідно боротися з виснаженням і забрудненням водних ресурсів планети.

Для питної води існують суворі стандарти якості (для Росії це ГОСТ — 2874). Вода мусить бути епідеміологічно безпечної, не що містить хвороботворних бактерій і вірусів. Склад води має важливого значення. Наприклад, недостатнє чи надмірне зміст фтору призводить до ураження зубів. Питна вода має відповідати по органолептичними властивостями, таких як смак, запах, прозорість.

Естественные цикли основних біогенних речовин

Для забезпечення життєдіяльності рослин та тварин потрібні різні хімічні елементи, але окремі мають переважна значення. Основа життя — білки, вуглеводи і жири складаються з 6 основних елементів: водню, вуглецю, азоту, кисню, фосфору і сірки. Крім фосфору вони всі утворюють розчинні і леткі з'єднання та в такий спосіб беруть участь у повторному циклі води.

В процесі фотосинтезу зелені рослин та водорості на світу виділяють кисень, причому ні з вуглекислого газу, як і вважалося раніше, та якщо з води. Сумарна рівняння фотосинтезу можна записати так:

6СО2 + 6Н2О ® С6Н12О6 + 6О2.

В первинної атмосфері Землі майже немає або зовсім був кисню, тому перші організми були анаэробными. Нагромадження кисню почалося докембрии і він у суті є біогенним. Зараз запаси вільного кисню оцінюються приблизно 1,6*1015 т. У процесі фотосинтезу щорічно бере участь 1013 кг вуглецю атмосфери.

Кислород є поширеним елементом Землі. У гідросфері його міститься 85,82% щодо маси, в літосфері 47%, у атмосфері 23,15%. Кисень слід за першому місці за числу утворених їм мінералів (1364). У тому числі переважають силікати, кварц, окисли заліза, карбонаты і сульфати. Живим організмах міститься у середньому близько 70% кисню. Він входить до складу більшості органічних сполук (білків, жирів, вуглеводів тощо.) й до складу органічних сполук скелета.

Свободный кисень грає великій ролі в біохімічних і фізіологічних процесах, особливо у аэробном подиху.

В області вільного кисню формуються різко окисні умови, на відміну від середовищ, у яких кисень відсутня (в магмі, глибоких горизонтах підземних вод, илах морів, і озер, в болотах), де утворюється восстановительная обстановка.

Огромное значення для атмосфери має також двоокис вуглецю. Її зміст в атмосфері до промислової революції, в 1800 р становила 0,029%, а справжнє час неї давав перевищила 0,033%. У океані цього газу розчинене в 50 раз більше.

Углерод багато міститься у земної корі, насамперед у карбонатних породах — 9,6*1015 т і горючих копалин (вугілля, нафту, сланці, бітуми, гази, торф). Розвідані запаси горючих копалин по вуглецю оцінюються 1013 т.

Синтезированные рослинами вуглеводи (глюкоза, сахароза, крохмаль та інші) є головним джерелом енергії більшість гетеротрофных організмів. У процесі аэробного дихання, синтезоване органічна речовина знову розкладається з освітою вуглекислого газу й води, у своїй вивільняється енергія Q:

С6Н12О6 + 6О2 ® 6СО2 + 6Н2О + Q.

Воздух за обсягом на 80% складається з молекулярного азоту N2 і становить найбільший резервуар цього елемента. Природний цикл азоту є складним, ніж вуглецю. Більшість біологічних форм що неспроможні засвоювати газоподібний азот. Отож спочатку відбувається фіксація азоту — перетворення N2 в неорганічні і органічні сполуки, що відбувається як фізико-хімічним, і біологічним шляхом. Основними фіксаторами азоту є бактерії, грибки і водорості (передусім синезеленые). Наприклад, клубеньковая бактерія Rhizobium, проникаючи в кореневі шерстинки рослин сімейства бобових, перетворює азот в нітрати. На конюшиновому полі площею 100 м² щорічно в нітрати перетворюється близько 600 кг азоту.

В процесі циклу продуцент — консумент — редуцент нітрати стають складовою частиною білків, нуклеїнових кислот та інших компонентів. Загиблі організми є об'єктом діяльності редуцентов — бактерій і грибів, цьому вони азот перетворюють на аміак. І далі в нітрит і навпаки газоподібний азот.

Фосфор, необхідний тварин та рослин для побудови білків протоплазми, вступає у круговорот з допомогою ерозії фосфатних порід і гуано, мінералізації продуктів життєдіяльності і органічних залишків. Фосфати споживаються рослинами. Не утворює летючих сполук фосфор має тенденцію накопичуватися у морі. Винесення фосфору з моря на суходіл ввозяться основному з рибою і з послідом морських птахів.

Сера належить до надто розповсюджених хімічним елементам, що зустрічаються в вільному стані - самородна сірка і у вигляді сполук — сульфидов, полисульфидов і сульфатів. Відомо більш 150 мінералів сірки, серед яких домінують сульфати. У природі поширені процеси окислення сульфидов до сульфатів, які назад відновлюються до H2S і сульфидов. Ці реакції відбуваються з участю мікроорганізмів, передусім десульфирующих бактерій і серобактерий.

В вигляді органічних і неорганічних сполук сірка присутня під всіх живих організмах і є важливим біогенним елементом, вона входить у склад дуже поширених сполук: амінокислот, коферментів, вітамінів.

Организмы переважно складаються з перелічених вище елементів, але вони не зможуть жити, якщо не утримувати в достатній кількості деякі катиони: калій, кальцій, магній і натрій, які належать до групі макроэлементов, оскільки їхній вміст виявляється у сотих частках сухого речовини. Деякі речовини потрібні організмам на вельми маленьких кількостях, до них, наприклад, ставляться залізо, бір, цинк, мідь, марганець, молібден і аніон хлору. Мікроелементи виражаються у мільйонних частках сухого речовини. У харчовий ланцюжок вони вступають у основному через круговорот води. Вони мають високої біологічну активність і беруть переважають у всіх процесах життєдіяльності: білковому, жировому, вуглеводневій, вітамінному, мінеральному обміні, газоі теплообмене, тканинної проникності, клітинному розподілі, освіті кістяка, кроветворении, зростанні, розмноженні, імунобіологічних реакціях.

Циклы деяких токсичних элементов

Второстепенные для живих організмів хімічні елементи, як і життєво важливі, мігрують між організмами і середовищем. У природничих екологічних системах вони зберігають у таких концентраціях і формах, що ні надають негативного впливу організми. Нині стала досить гострою проблема токсичних речовин, у зв’язки Польщі з регіональними і глобальним техногенним забрудненням біосфери. Нижче розглянемо лише ті приклади токсичних хімічних елементів, надають значний негативний біологічний ефект.

Ртуть, як і інші важкі метали, майже впливав на організми до індустріальної ери, оскільки її концентрації у природі були невеликі, а вона сама хімічно малорухома. Розробка родовищ і промислове використання ртуті (в электротехническом устаткуванні, термометрах, фарбах і фунгицидах) збільшили потік в екосистеми. Чистий елемент не токсичний. Перетворення на токсичні органічні сполуки ртуті, такі як метил-ртуть CH3Hg і этилртуть C2H5Hg, завдяки бактеріям, присутнім в детритах і опадах. Ці сполуки легко розчиняються, рухливі і дуже отруйні. Хімічної основою агресивного дії ртуті є його спорідненість зі сріблясто-сірою, зокрема з сірководневою групою в білках. Ці молекули пов’язуються з хромосомами і клітинами мозку. Риби і молюски можуть накопичувати їх до концентрацій небезпечні людини, употребляющего в їжу, викликаючи хвороба «Мінамата » .

Тяжелый метал кадмій є одне із найбільш небезпечних токсикантів середовища, він значніша токсичнее свинцю. Останні 30−40 років він знаходить усе більше технічне застосування. Його потрапляння до харчові ланцюга пов’язане його промисловими викидами у повітря і воду. Наприклад загалом тонна вугілля містить 2 р кадмію. Кадмій уміє накопичуватися в організмах тварин і звинувачують рослин. Так, рослини акумулюють до70% кадмію що міститься у грунті. У Фінляндії, Норвегії та Швеції ветеренарные установи застерігають від вживання печінки, нирок і легень лосів, оленів, козуль і зайців, у зв’язку з містило велику кількість у яких кадмію.

Вследствие діяльності цинкового рудника сталося забруднення кадмієм річки Дзинцу в Японії від хронічного отруєння померло більш 150 людина, який супроводжувався атрофією кісток всього скелета. Цей випадок ввійшов у історію ендемічних отруєнь важкими металами під назвою «хвороба итаи-итаи ». Саме з цими словами вмирали хворі.

Стронций-90 і цезій-137 — продукти розподілу атома, котрі мають великий період піврозпаду. Ці раніше маловивчені елементи тепер є об'єктами пильної уваги зв’язку з їхнім великий небезпекою в людини і тварин. Вони потрапляють у довкілля під час виробництва й використанні різних джерел ядерної енергії. Ці речовини активно циркулюють по харчових ланцюгах і нагромаджуються в тканинах тварин і звинувачують рослин. Це з тим, що стронцій як схожий на кальцій, а цезій — на калій. На думку вчених у кістках людей вже міститься стільки стронцію, що може надавати канцерогенну дію.

Дихлордифенилтрихлорэтан чи навіть ДДТ — пестицид (пестис — зараза, циде — убиваю, латів.), який використовували, а місцями використовуваний досі сільському господарстві для боротьби з комахами. Свого часу його відкриття відзначалося Нобелівської премією. Він малорастворим і не вступає у верхні верстви атмосфери і за цьому зустрічається всюди. Його виявляють в тканинах пінгвінів Антарктиди. Він основному мігрує по харчових ланцюгах, причому у кінці харчового циклу його концентрація може збільшитися в 1000 раз. Тепер його використання заборонено.

Диоксины — це група речовин, куди входять сотні видів хлор-, бромі хлорброморганических циклічних ефірів. Діоксини утворюються у багатьох технологічними процесами різних виробництв, включаючи спалювання відходів, біологічну очищення стічної води та згоряння палива на двигунах. Ці речовини перевершують зі своєї токсичності сполуки важких металів. З’являються сильними канцерогенами. Вони можуть накопичуватися в організмі, будучи причиною багатьох тяжких хвороб.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.