Круговорот кислорода: схема, описание процесса и его значение для жизни на Земле

Кислород (O, лат. oxygenium) — неотъемлемая составляющая жизни на Земле, а также наиболее распространенный элемент в нашем теле. На его долю приходится около 65% массы тела человека, большая часть из которых находится в форме воды (H₂O). Также кислород присутствует в химическом составе Земли (около 30%) и атмосфере (около 20%).

• Круговорот азота в природе;
• Круговорот углерода в природе;
• Круговорот воды в природе.

Эта статья посвящена круговороту кислорода (кислородному циклу) и его важности для всего живого на Земле. Вы узнаете о бесконечном цикле производства и использования кислорода.

Понятие круговорота

Среди атмосферы, литосферы, земных органических веществ и гидросферы протекает взаимообмен всевозможными химическими веществами. Взаимообмен происходит беспрестанно, перетекая из стадии в стадию. На протяжении всей истории существования нашей планеты, такое взаимодействие длится безостановочно и насчитывает уже 4,5 миллиарда лет.

Лучше всего понятия круговорота можно понять, обратившись к такой науке как геохимия. Эта наука такое взаимодействие объясняет четырьмя важнейшими правилами, которые проверенны и подтверждены не единожды проведенными опытами:

• беспрерывное распределение в земных оболочках всех химических элементов;
• беспрерывное перемещение во времени всех элементов;
• многообразное существование типов и форм;
• доминирование компонентов в рассредоточенном состоянии, над компонентами в объединенном состоянии.

Такие циклы тесно связаны с природой и деятельностью людей. Органические элементы взаимодействуют с неорганическими и образуют беспрерывный биохимический цикл называемый круговоротом.

Схема круговорота кислорода в природе

Пищевая цепь, резервный и обменный фонд

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Физические свойства

В атмосфере кислород содержится в бесцветном газообразном виде. Он не имеет запаха, малорастворим в воде и других растворителях. У кислорода прочные молекулярные связи, из-за которых он химически малоактивен.

Если кислород нагревать, он начинает окислять и реагировать с большинством неметаллов и металлов. Например, железо, этот газ медленно окисляет и вызывает его ржавление.

При снижении температуры (-182,9°С), и нормальном давлении газообразный кислород переходит в другое состояние (жидкое) и приобретает бледно-синий цвет. Если температуру еще снижать (до -218,7°С) газ затвердеет и изменится до состояния синих кристаллов.

В жидком и твердом состояниях кислород приобретает синий цвет и обладает магнитными свойствами.

Древесный уголь является активным поглотителем кислорода.

Химические свойства

Почти во время всех реакций кислорода с другими веществами образуется и выделяется энергия, сила которой может зависеть от температуры. Например, при обычных температурах этот газ медленно реагирует с водородом, а при температуре выше 550°С возникает реакция со взрывом.

Кислород – активный газ, который входит в реакцию с большинством металлов, кроме платиновых и золота. Сила и динамика взаимодействия, во время которого образуются оксиды, зависит от присутствия в металле примесей, состояния его поверхности и измельчения. Некоторые металлы, во время связи с кислородом, кроме основных оксидов образуют амфотерные и кислотные оксиды. Оксиды золота и платиновых металлов возникают во время их разложения.

Кислород кроме металлов, так же активно взаимодействует практически со всеми химическими элементами (кроме галогенов).

В молекулярном состоянии кислород более активен и эту особенность используют при отбеливании различных материалов.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Фосфор

Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.

В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.

Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.

Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.

Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.

Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.

Сера

В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO

2-

_4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.

Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.

Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Где происходит кислородный цикл?

Производство и круговорот кислорода, как мы упоминали ранее происходит в четырех основных сферах Земли:

• Атмосфере (воздух) — процессе фотолиза образуется кислород, который затем формирует озоновый слой, защищающий планету от вредного солнечного излучения.
• Биосфера (глобальная экосистема Земли) — это место, где живут люди, растения и животные, и именно здесь производится наибольшее количество кислорода в процессе фотосинтеза.
• Гидросфере — фитопланктон, обитающий на поверхности океанов и морей, также использует фотосинтез для производства кислорода.
• Литосфера — крупнейший резервуар, где содержится больше всего кислорода. Кислород находится внутри горных пород и минералов, поэтому у нас нет доступа к нему. Но некоторые растения и животные могут извлекать минералы из горных пород, что позволяет выделять кислород.

Кислородный взаимообмен

Круговорот озона – это динамичное химическое взаимодействие элементов природы, живой органики, и их определяющая роль в этом действе. Биохимический цикл – процесс планетарного масштаба, он связывает атмосферные элементы с поверхностью земли и реализуется следующим образом:

• высвобождение свободного озона в процессе фотосинтеза из флоры, он рождается в растениях зеленого цвета;
• употребление образовавшегося кислорода, цель которого – поддержание дыхательной функции всех дышащих организмов, а также окисление органических и неорганических субстанций;
• другие химически преобразованные элементы, приводящие к образованию таких окислительных веществ как вода и двуокись органогена, а также повторное последовательное привлечение элементов в очередной фотосинтезирующий виток.

Кроме круговорота, происходящего за счет фотосинтеза, выделение озона также происходит из воды: из поверхности водных масс, морей, рек и океанов, дождей и других осадков. Кислород в составе воды испаряется, конденсируется и высвобождается. Кислород также получается за счет выветривания такой горной породы как известняк.

Области применения кислорода

В медицине во время операций и опасных для жизни заболеваний больным дают дышать чистым кислородом, чтобы облегчить их состояние и ускорить выздоровление.

Без баллонов с кислородом альпинисты не поднимаются в горы, а аквалангисты не погружаются на глубину морей и океанов.

Кислород широко применяется в разных видах промышленности и производства:

• для обрезки и сварки различных металлов
• для получения очень высоких температур на заводах
• для получения разнообразных химических соединений • для ускорения плавления металлов.

Так же широко кислород применяется в космической индустрии и авиации.

Роль и значение кислорода в природе

Зеленые растения вырабатывают больше всего кислорода на Земле, причем основная масса производится водными растениями. Если кислорода в воде выработалась больше, то избыток уйдет в воздух. А если меньше, то наоборот, недостающее количество будет дополнено из воздуха.

Морская и пресная вода содержит 88,8 % кислорода (по массе), а в атмосфере его 20,95 % по объёму. В земной коре больше 1500 соединений имеют в составе кислород.

Из всех газов, входящих в состав атмосферы, больше всего важен для природы и человека кислород. Он есть в каждой живой клетке и необходим всем живым организмам для дыхания. Недостаток кислорода в воздухе сразу отражается на жизнедеятельности. Без кислорода невозможно дышать, а значит жить. Человек во время дыхания за 1 мин. в среднем его потребляет 0,5 дм3. Если в воздухе его станет меньше до 1/3 его части, то он потеряет сознание, до 1/4 части — он умрет.

Дрожжи и некоторые бактерии могут жить без кислорода, но теплокровные животные, умирают при его недостатке через несколько минут.

Занимательные факты про кислород

• Кислород используют на металлургических заводах, при электрорезке и сварке, без него процесс получения хорошего металла не состоялся бы.
• Концентрированный в баллонах кислород позволяет исследовать морские глубины и космические просторы.
• Всего одно взрослое дерево способно обеспечить кислородом на год сразу троих людей.
• Из-за развития промышленности и автомобилестроения, содержание этого газа в атмосфере снизилось в два раза.
• При волнении люди употребляют в несколько раз больше кислорода, чем в умиротворенном, спокойном самочувствии.
• Чем выше земная поверхность над уровнем моря, тем кислорода и его содержание в атмосфере ниже, из-за этого в горах трудно дышать, с непривычки у человека может возникнуть кислородное голодании, кома и даже смерть.
• Динозавры смогли жить благодаря тому, что уровень озона в древности превышал теперешний в трижды, сейчас их кровь просто бы не насытилась должным образом кислородом.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...