17. Колообіг Оксисену, Нітрогену, Карбону в природі

Колообіг Оксисену, Нітрогену, Карбону в природі

Колоо́біг речови́н — основна властивість, характерна риса біосфери.
Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини.

Біологічний колообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері.

Колообіг Оксигену в природі

Хімічні елементи у вільному стані існують у формі простих речовин. Так, елемент Оксиген утворює 2  прості речовини — кисень 0₂ та озон 0₃.

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 селі. 3 віддаленням від поверхні Землі концентрація озону збільшується і досягає максимуму на висоті 20 — 25 км. Там утворюється так званий озоновий шар.

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.

Ключові ланки колообігу Оксигену

• утворення кисню з води і вуглекислого газу під час фотосинтезу в зелених рослинах; 

• утворення кисню внаслідок розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів Сонця; 

• взаємоперетворення кисню й озону;

• споживання кисню для дихання, реакцій окиснення органічних і неорганічних речовин та інших хімічних перетворень, одними з продуктів яких є вода і вуглекислий газ;

• використання утворених води і вуглекислого газу у новому циклі обігу Оксигену.

 Колообіг Нітрогену в природі

Азот - четвертий за поширенням елемент Сонячної системи ( після Н,Не,О).

Нітроген - один з найпоширеніших елементів на Землі, основна його маса зосереджена у вільному стані в атмосфері. У повітрі вільний азот у вигляді молекул N₂  становить 78,09% за обсягом

Природні з'єднання Нітрогену - хлористий амоній NH₄CI і різні нітрати. Великі скупчення селітри характерні для сухого пустельного клімату ( Чилі, Середня Азія ). Невеликі кількості зв'язаного Нітрогену перебувають у кам'яному вугіллі   ( 1 - 2,5% ) і нафті ( 0,02 - 1,5% ), у водах рік, морів і океанів, ґрунтах ( 0,1% ) і в живих організмах ( 0,3% ).

Назва "азот" означає "не підтримуючий життя", насправді це - необхідний для життєдіяльності елемент. У білку тварин і людини втримується 16 - 17% Нітрогену. В організмах тваринних білок утворюється за рахунок споживаних білкових речовин, наявних в організмах травоїдних тварин і в рослинах. Рослини синтезують білок, засвоюючи нітрогенвмісні речовини, що втримуються в ґрунті, головним чином неорганічні. Значні кількості Нітрогену надходять у ґрунт завдяки азотфіксуючими мікроорганізмам, здатним переводити вільний азот повітря в з'єднання Нітрогену.

У природі здійснюється кругообіг Нітрогену, головну роль у якому відіграють мікроорганізми - нітрифікуючі, денітрофікуючі, азотфіксуючі. Однак у результаті витягу із ґрунту рослинами величезної кількості зв'язаного Нітрогену (при землеробстві ) ґрунти виявляються збідненими. Дефіцит Нітрогену характерний для землеробства майже всіх країн, спостерігається дефіцит Нітрогену й у тваринництві ( "білкове голодання" ). На ґрунтах, бідних доступним Нітрогеном, рослини погано розвиваються.

Господарська діяльність людини порушує кругообіг Нітрогену. Так, спалювання палива збагачує атмосферу азотом, а заводи, що роблять добрива, зв'язують азот з повітря. Транспортування добрив і продуктів сільського господарства перерозподіляє азот на поверхні землі

Кругообіг Карбону в природі

Важлива роль у кругообігу  Карбону належить оксиду карбону(IV), що входить до складу атмосфери Землі. Цей газ надходить в атмосферу внаслідок-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. 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 - 0,1 %. Проте його значення в житті природи виключно велике. 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. 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.