Беус Алексей Александрович назвал свой учебник

Вид материала

Учебник

Содержание 3.Компоненты ОС и роль живых организмов в геохимических циклах Тема 1. Геохимия ведущих химических элементов биосферы Химические свойства Углерода Органические соединения углерода

Подобный материал:

• Алексей Александрович Вовк Татьяна Николаевна Кузьминова Иван Михайлович Ряхов Лидия, 4855.9kb.
• Администрации Мязин Алексей Александрович. Наша задача, 263.16kb.
• Дмитрий Сергеевич Лихачёв, Борис Александрович Рыбаков, Алексей Александрович Шахматов., 279.29kb.
• Николай Александрович Козырев, 495.92kb.
• Родионов Алексей Владимирович Начальник цикла №52 («Ракетно-космическая оборона») п/п-к, 38.06kb.
• Г. В. Плеханова Факультет маркетинга Кафедра маркетинга Дисциплина: маркетинг в глобальной, 59.41kb.
• Диплом Агапов Алексей Александрович, 197.57kb.
• Евсеев Алексей Александрович, тел. 432 6825 дата № Тема лекции, 39.29kb.
• Алексей Александрович Маслов Тайный код Конфуция, 2991.86kb.
• Программа 09: 30 10:, 75.98kb.

Лекция 1 -2011 Химия ОС

Объекты и предмет изучения дисциплины Химия ОС»

Геохимия кислорода и углерода


1.Литература:

Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды / Л.Ф. Голдовская. – М.: Мир,2005. -295с

Андрус Дж. Введение в химию окружающей среды/ Дж. Андрус. - М.: Мир,1999. - 271с

Беус А.А. Геохимия ОС 1976

Трофимов В.Т. Трансформация экологических функций литосферы в эпоху техногенеза. - 2009г

2. Объекты и предмет изучения

Дисциплина, которую мы с вами будем изучать в этом семестре, называется «химия окружающей среды», Однако в списке рекомендуемой литературы, например, Беус Алексей Александрович назвал свой учебник геохимией ОС.. Вопрос для вас: почему одни авторы говорят о химии ОС, а другие о геохимии ОС. Насколько принципиально такое разночтение?

Если вы возьмете в руки учебники по геохимии, экологической геохимии и химии ОС, то обнаружите, что во многом их содержание перекрывается. Плохо это или хорошо?

Химия ОС, наращивает и углубляет ваши знания в цикле дисциплин о вещественном составе ОС. Что нового она даст вам? В геохимии рассматривались наиболее общие теоретические вопросы, касающиеся главным образом, строения, происхождения и истории атомов химических элементов. В курсе экологической геохимии рассматривались наиболее общие законы поведения химических элементов и формы их миграции в биосфере. Курс химия ОС, по сути, является продолжением экологической геохимии, но в нем вы более углубленно будете изучать особенности химического состава каждой из внешних оболочек нашей планеты и отдельных их компонентов, имеющих отношение к проблемам экологии. Единственный вопрос по химии ОС, который мы не будем затрагивать в этом курсе, это химия подземных вод (точнее гидрогеохимия), которую вы уже прослушали до того, а вот гидрохимию или химию поверхностных вод вы еще не изучали. Итак, перечислим наши объекты изучения: 1) атмосфера с ее отдельными оболочками; 2) поверхностные воды (реки, озера, моря, мировой океан в целом); 3) литосфера; 4) педосфера; 5) биосфера.

Предмет изучения. Это то, что конкретно нас интересует в объектах изучения. В принципе химию компонентов окружающей среды мы будем изучать с разных точек зрения. Первое - геохимия наиболее важных с точки зрения экологии химических элементов. Второе - природный вещественный фон компонентов окружающей среды в различных ландшафтах Земли. Третье – химические аномалии природные и техногенные в различных геосферах, причины возникновения и экологические последствия.


3.Компоненты ОС и роль живых организмов в геохимических циклах


В.И. Вернадский - основоположник учения о гео­химической роли живых организмов на поверхности нашей планеты - подчеркивал, 'что на земной поверх­ности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным результатам, чем живые орга­низмы, взятые в целом. Жизнь как форма материи более энергоемка, чем формы косной материи. К тому же она отличается особым свойством -агрессивной экспансией по отношению к пространству как среде обитания.. Говоря об окружающей среде, обычно выделяют четыре геохимические си­стемы, являющиеся ее составными частями: 1) воздушную; 2) водную, 3) поч­венную; 4) горных пород. Жизнь пронизывает, наполняет своими формами все эти системы. Сам человек, являющийся наиболее сложным и конечным про­дуктов биосферы, в течение миллионов лет своей эволюции практически не оказывал сколько-нибудь заметного влияния на окру­жающую среду. Сейчас он находится в той стадии развития, когда, по сути, формирует на Земле новую геохимическую систему, которую Вернадский назвал ноосферой. Ее отличительная особенность сейчас и в обозримом будущем в интенсификации геохимических циклов планеты (т.е в увеличении масс элементов вовлекаемых в кругообороты внешних геосфер и расширении при этом видового состава элементов, вбрасывания в них искусственных форм, чуждых для ранее сложившихся систем).

Глобальная экологическая проблема в том, что человек почти интуитивно осознавая ее остроту и опасность, не видит реальных рычагов ее разрешения потому, что до конца не понимает своего предназначения, своей роли в этом мире. Называя себя существом разумным, он, тем не менее, продолжает жить по биологическим законам, и прежде всего по закону естественного отбора. Но это все равно, что взрослому человеку пытаться натянуть на себя рубашку младенца. Результат будет очевидным. Способен ли человек регулировать условия среды обитания для общего блага, это большой вопрос. То, что сейчас именуется экологическим движением больше напоминает моду, чем реальное дело. Тон как всегда задают более благополучные, которые могут позволить себе порассуждать об экологии, что, по сути, является формой филантропии. Менее успешные отдельные люди и страны больше заботятся о хлебе насущном, да и иных, больше интересует прибыль в форме природной ренты, а не охрана природы. Есть конечно и современные Дон Кихоты, но людей больше все же интересует нынешний день.

Но не будем печалиться. В свое время в нашей стране любили говорить с неподдельным пафосом о том, что в жизни всегда есть место подвигу. Теперь мы хотя и более прагматичны, но знаем, - любое большое дело начинается и складывается из множества малых. Поэтому прежде чем решить проблему ее надо изучить. А это нам под силу. С этого и начнем. А там, как говорили прежде: «бог не выдаст - свинья не съест».


Тема 1. Геохимия ведущих химических элементов биосферы


Я не собираюсь открывать нечто новое для вас в этом разделе курса, потому что многие вещи вам уже известны, но напомнить никогда не мешает, тем более, что на одно и то же можно смотреть под разным углом.

Кислород

Этот элемент для нашей планеты является одним из главных не только по количеству, но по его конструктивной и функциональной роли. При этом имеется в виду не только свободный кислород, но и связанный в многочисленных химических соединениях.

В периодической системе элементов Менделеева он занимает восьмую клетку и шестую во втором периоде. Наиболее распространенный его изотоп имеет заряд ядра восемь, а массу 16, следовательно, восемь протонов и восемь нейтронов в нем обеспечивают особую устойчивость ядра (дважды магическое число). Поэтому этот изотоп наиболее распространен на Земле. Его доля составляет 99,76%. ¹⁸О - 0,204%. а четно-нечетного всего ¹⁷О- 0,037%, Ядра кислорода рождаются в термоядерных реакциях очень плотных звезд при сгорании гелиевого горючего и углерода. По космическому распространению О занимает третье место после водорода и гелия.

Химические свойства кислорода обусловлены особенностями строения внешней электронной оболочки.. Два электрона расположены на орбитали 1s , шесть на внешней второй оболочке, два из которых на 2s и два спаренных электрона на одной орбитали 2р и два не спаренных на двух других орбиталях этого подуровня.. Т.е до наиболее устойчивой конструкции атома инертных газов ему не хватает всего 2 электрона. Но и его собственные 6 электронов дают ему значительную электроотрицательность, т.е способность отбирать электроны у металлов, окислять их. Более сильный окислитель разве только фтор, который стоит после него, непосредственно перед неоном – инертным газом. Но занимая нечетное место в таблице Менделева, в природе фтор распространен гораздо реже кислорода, поэтому геохимическое значение как окислителя имеет, конечно, кислород, а не фтор. Кислород в природе образует не менее 1500 соединений. Два не спаренных электрона определяют валентность кислорода в его химических соединениях.

В литосфере количество атомов кислорода более 90%, которые по массе составляют почти половину ее (47% ) Связанный К. гидросферы составляет 85,82%), и только в атмосфере, где К. находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после азота.

Среди минералов, содержащих связанный К., преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и др.), кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах в среднем около 70% К.; он входит в состав большинства важнейших органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав неорганических соединений скелета. Исключительно велика роль свободного К. в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счёт биологического окисления различных органических веществ с помощью К. (экзотермические реакции)

Вся масса свободного К. Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений суши и Мирового океана, выделяющих К. в процессе фотосинтеза. На земной поверхности, где протекает фотосинтез и господствует свободный К., формируются резко окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных вод, в илах морей и озер, в болотах, где свободный К. отсутствует, формируется восстановительная среда. Кислород циклический элемент. Окислительно-восстановительные процессы с участием К. определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений полезных ископаемых — угля, нефти, серы, руд железа, меди и т.д. (см. Круговорот веществ). Изменения в круговорот К. вносит хозяйственная деятельность человека. В некоторых промышленных странах при сгорании топлива расходуется К. больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе

Углерод

Огромное геохимическое значение имеет круговорот С. Этот элемент играет особую роль в биосфере, являясь главным строительным материалом живой материи, своего рода ее кирпичиком. И это благодаря способности к созданию совместно с водородом, азотом, кислородом сложных полимерных молекул, которые получили название органических соединений.

Углерод (лат. Carboneum), С, химический элемент второго периода IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: ¹²С (98,892%) и ¹³С (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен для науки ¹⁴С с периодом полураспада (Т_½ = 5,6·10³ лет).

Углерод широко распространен в космосе; занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода. Общее содержание С по массе в земной коре всего 2,3·10^-2% (1·10^-2 в ультраосновных, 1·10^-2 - в основных, 2·10^-2 - в средних, 3·10^-2 - в кислых горных породах). Однако углерод накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18%, древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Кроме того значительная часть С литосферы сосредоточена в известняках и доломитах, и присутствует в составе комплексных ионов в вод

Число собственных минералов С- 112, Известны несколько кристаллических модификаций углерода: графит, алмаз, карбин, лонсдейлит и другие. Но исключительно велико число органических соединений - углеводородов и их производных - более двух миллионов.

Большую геохимическую роль в биосфере играют СО₂ .В растворе воды дает молекулы угольной кислоты и ионы гидрокарбоната. Огромное количество ее выделяется при вулканизме, который был первоначальным источником С и кислорода для атмосферы и в целом для биосферы. Помимо основной геохимической функции - как источника углерода - СО₂, растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО₃ углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и других

Химические свойства Углерода. Конфигурация внешней электронной оболочки атома С 2s²2p². Но для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp³. (переход одного электрона с 2s- подуровня на 2р подуровень. Среднее положение во втором ряду таблицы и наличие четырех связей обуславливает промежуточное положение между металлами и неметаллами (способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны).

В соединениях углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å. Ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус С^4- 2,60Å, С⁴⁺ 0,20Å. При обычных условиях природный углерод химически инертен, но при высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный" углерод, графит, алмаз. Взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах 300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием диоксида углерода СО₂ при невысоких температурах и оксида углерода СО. при очень высоких.

Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и при обычных температурах медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO₃ и КСlO₃ и других). Среди азотсодержащих соединений углерода в промышленности важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды – сильнейшие яды и растворители (даже золота и платины).При температурах выше 1000 °С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углерода при нагревании восстанавливают оксиды металлов с образованием свободных металлов) или карбидов (СаС₂, Мо₂С, WC, ТаС и других).

Органические соединения углерода Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и другие). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современное науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль Углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими биофильными элементами (кислород, азот, фосфор, сера) образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи создает возможность построения органических молекул различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О и Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определенная надежность и экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений. Небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежат в основе различных видов изомерии органических соединений. Способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов (хиральная чистота).

.В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих углеводороды нефти, - одна из важных современное научно-технических и экологических проблем.

После гибели животных и растений часть углерода вновь превращается в СО₂ в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом, происходит круговорот Углерода в природе. Значительная часть углерода минерализуется и образует залежи ископаемого углерода: каменные угли, нефть, известняки и другие. Только около 10% добываемого человеком углеродного сырья используется для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластических масс и других. Остальное просто сжигается. При невысоком кларке в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые - основной источник энергии. Сжигая и превращая его в углекислоту, быстро меняет естественное равновесие в геохимических системах, что угрожает непредсказуемыми физико-химическими и геодинамическими трансформациями как в атмосфере, так и гидросфер

В природе незначительно распространен радиоактивный ¹⁴С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). Небольшие количества ¹⁴С (около 2·10^-10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота ¹⁴N. По удельной активности изотопа ¹⁴С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. ¹⁴С широко используется в качестве изотопного индикатора. С использованием изотопов С в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерод в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение ¹⁴С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации.