Циклические процессы и круговороты веществ

К колебательным процессам близки циклические, представляющие последовательные изменения вещества, возвращающие его в исходное состояние. Во многих реакциях, особенно природных и биохимических, последовательные реакции проходит так, что они возвращаются к одной из предыдущих стадий, создавая цикл реакций, питающихся веществами и энергией из других источников.

Цикличность прироста дерева видна на кольцевом узоре спиленного ствола. Цикличность геологического процесса образования осадочных пород можно наблюдать на слоях различных пород, например песчаников и глинистых сланцев.

К циклическим процессам относятся круговороты веществ на Земле. Вещества Земли находятся в трех главных оболочках: атмосфере, гидросфере и литосфере (земная кора), различающихся химическим составом и свойствами. Между оболочками и внутри них благодаря круговоротам происходит постоянный обмен веществ (и энергией). В этих открытых природных процессах непрерывно повторяются превращения и перемещения веществ. Энергия для круговоротов поступает из Солнца. Для круговорота вещества необходимы «хорошая» низкоэнтроиийная солнечная энергия (ультрафиолетовая область спектра) и возможность выбрасывать в космос «плохую» высокоэнтропийную энергию (инфракрасная область спектра). Благодаря круговоротам на поверхности Земли поддерживается стабильность химического состава среды обитания животного и растительного мира.

Круговороты веществ доказывают, что в природе нет равновесия, а поддерживается стационарное состояние, поскольку природа — открытая система. Огромный вклад в круговорот веществ вносит деятельность человека. Кратко обсудим круговороты воды, углерода, азота, фосфора, кальция и серы.

Круговорот воды. С поверхности океана испаряется в атмосферу огромное количество воды. Пары воды переносятся на материки, конденсируются, и вода попадает на Землю в виде дождя и снега. Затем вода ручьями и реками возвращается в моря и океаны. Вода вместе с углекислым газом участвует в фотосинтезе, в котором под действием солнечного света образуются углеводы и кислород. В процессах жизнедеятельности, при сгорании органических веществ и гниении снова образуются вода и углекислый газ. (В-З-10. Напишите химические формулы упомянутых веществ.).

Круговорот углерода. При сжигании органических веществ (главным образом древесины, угля и нефти) в атмосферу попадает углекислый газ, который фотосинтезом снова превращается в органические соединения. Растения частично поедаются животными. В результате дыхания, гниения, горения, брожения органическое вещество превращается в углекислый газ. Атмосферный углекислый газ частично растворяется в воде, образуя угольную кислоту. Огромное количество угольной кислоты в реакции с ионами кальция осаждается в виде карбоната кальция и превращается в раковины и кораллы и залежи известняка. При обжиге известняка для получения оксида кальция в атмосферу выделяется углекислый газ. Дыхание животных — это мощный источник поступления углекислого газа в атмосферу. В ночное время растения дышат и выделяют углекислый газ.

В круговорот углерода следует включить метан, составную часть природного газа. Метан также образуется в болотах и на рисовых полях, его выделяет крупный рогатый скот. Значительные выбросы природного газа происходят при добыче нефти. Можно ожидать увеличения количества метана в атмосфере при глобальном потеплении климата из-за разрушения гидрата метана. (В-3−11. Напишите химические формулы упомянутых веществ.).

Круговорот азота — сложнейший круговорот. Основное количество азота на поверхности Земли находится в газообразном виде. Исторически источником азота на Земле был вулканический аммиак, который окислялся кислородом воздуха до азота. Известны несколько путей вовлечения азота в круговорот.

При электрическом (в разряде) и фотохимическом окислении азота воздуха образуются оксиды азота, которые, растворяясь в воде и реагируя с кислородом, превращаются в нитрат-ионы. С дождевой водой они попадают в почву и водоемы и оттуда реками в океаны.

Связывание азота атмосферы и перевод его в соединения называют азотфиксацией, осуществляемой клубеньковыми бактериями, образующими на корнях бобовых растений клубеньки. В них окислительными реакциями с кислородом (атомным) клубеньковые бактерии получают энергию для жизнедеятельности и азотные соединения. Клубеньковые бактерии существуют в услових симбиоза (сосуществования) с растением.

Процесс, противоположный азотфиксации, — денитрификация — восстановление денитрифицирующими бактериями почвы и водоемов нитратов и нитритов до молекульного азота или гемиоксида азота. Он протекает при высокой влажности и плохой аэрации в почве, снижая в ней содержание азота. (В-3−12. Денитрификация может быть полезной для сельского хозяйства?).

Азот входит в состав белков и других биологически важных веществ. При разложении белков образуется аммиак, попадающий в атмосферу и воду. Аммиак окисляется до оксидов азота. В условиях жаркого и сухого климата образуются селитры — соли азотной кислоты, которые денитрофицирующими бактериями переводятся в азотистую кислоту и далее в свободный азот. Из остатков животных и растений микроорганизмы выделяют азот.

Азотные удобрения — сульфат аммония, хлорид аммония, аммиачная и другие селитры, мочевина также включаются в круговорот азота. Избыточно внесенные удобрения дождевыми осадками переносятся в водоемы, где бурно разрастаются растения, способные быстро превратить озеро в болото, а реку — в ручей. (В-3−13. Почему при мощном скоплении растений в водоеме исчезают рыбы и даже лягушки?) (В-3−14. В какие соединения переходят усвоенные растениями удобрения?).

Вклад в круговорот азота вносит прмышленный синтез аммиака из водорода и азота при относительно высоких температуре и давлении и катализаторах (комплексных соединениях d-элементов). Хотя в лабораторных условиях удалось провести азотфиксацию, но в промышленных она пока неосуществима. (В-З-15. Напишите химические формулы упомянутых веществ.).

Круговорот фосфора. Организмы извлекают фосфор из почв и водных растворов. Фосфор входит в состав белков и костей животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения (образуется апатит). (В-3−16. Напишите химические формулы упомянутых веществ.).

Круговорот кальция. Известняки верхнего слоя Земли разрушаются, и растворимые соли кальция (гидрокарбонаты и др.) реками сносятся в море. В теплых морях ионы кальция потребляются кораллами и другими низшими организмами для постройки из карбоната кальция своих скелетов, которые после гибели организмов образуют осадки на дне морей. При отступлении моря или подъеме дна известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разрушения. Из добываемого известняка получают оксид кальция и углекислый газ. (В-З-17. Напишите химические формулы упомянутых веществ.) Круговорот кальция связан с круговоротом углерода. (В-З-18. Объясните.).

Круговорот серы. Сера в виде оксидов, сероводорода и простого вещества выбрасывается вулканами. В природе имеются в большом количестве сульфиды железа, свинца, цинка. Сульфидная сера окисляется микроорганизмами до сульфат-ионов, которые поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав белков. При разложении белков образуется сероводород, который далее окисляется до простого вещества или сульфат-ионов. Из сероводорода могут образоваться сульфиды, сульфат-ионы (гипс). (В-3−19. Напишите химические формулы упомянутых веществ.).