Круговорот углерода в природе реферат

Обновлено: 02.07.2024

Это повторяющийся циклический процесс превращения и перемещения отдельных химических элементов и их соединений. Происходил в течение всей истории развития Земли и продолжается в настоящее время. Всегда имеет место определённое отклонение в составе и количестве циркулирующего вещества, поэтому в природе нет полного повторения цикла

Содержимое работы - 1 файл

химия.docx

Вятский государственный гуманитарный университет

Реферат по дисциплине:

Выполнила студентка 1 курса

специальности «Экология и

К.п.н. Даровских Л.В.

По толковому словарю Д.Н. Ушакова УГЛЕРОД - это химический элемент, являющийся важнейшей составной частью всех органических веществ в природе.

Химические свойства:

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Круговоро́т веще́ств в природе

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO₂). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO₂;
растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);
растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

В случае же растворения исходной молекулы CO₂ в морской воде также возможно несколько вариантов:

углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива.

Всего за 7-8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере.

За счет различных биологических и химических процессов между океанами и атмосферой происходит интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество углерода (3 млрд. т) ежегодно удаляется из круговорота, осаждаясь в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.

За счет отложений фтора и карбоната кальция из атмосферы ежегодно удаляется на 3-4 млрд. т больше углерода, чем поступает в нее.

В последнее время возросло поступление в атмосферу углерода вследствие деятельности человека. Ежегодно в атмосферу поступает 5 млрд. т углерода при сжигании ископаемого топлива и 1-2 млрд. т – за счет сведения лесов. В результате ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т. Это может привести к серьезным последствиям для биосферы.

Краткосрочные изменения содержания СО₂ в атмосфере практически полностью определяются деятельностью живых организмов и зависят от потоков углерода между такими его фондами, как атмосфера, растворенный углерод океанов, живое и мертвое органические вещество, ископаемое топливо. В связи с влиянием CO₂ на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Особенности геохимического цикла углерода:

Разные процессы контролировали углеродный цикл на разных промежутках времени
Резкие, катастрофические изменения цикла углерода играли ключевую роль в эволюции углеродного цикла в истории Земли.
Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу.

Итак, в основном от деятельности живых организмов и от хозяйственной деятельности человека зависят колебания уровня СО₂ в атмосфере, имеющие период от сотен до десятков тысяч лет. Более медленные, но не менее важные изменения, длящиеся миллионы лет, зависят от скорости выветривания горных пород и от тектонических процессов.

Представительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах для доиндустриальной эпохи (до 1750 года).

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Доклад на тему:

Имя первооткрывателя углерода мы не знаем. Неизвестно и то, какая из аллотропных форм углерода – алмаз или графит – была открыта раньше. Можно предположить, что в глубокой древности люди познакомились с углем, т. е. с аморфной разновидностью простого вещества, образованного атомами углерода. Аморфный углерод – это тот же графит из мелких кристаллов и их обломков.

Д.И. Менделеев объяснял резкое отличие свойств простых веществ, образованных углеродом, от его соседа азота тем, что углерод образует молекулы из огромного числа атомов. “ Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы.” ( Д. И. Менделеев)

Углерод – основной элемент органических веществ. Все растения, животные, микроорганизмы, вообще все живое образовано органическими веществами, а следовательно, углеродом, соединенным с другими элементами.

Однако наибольшая часть углерода на Земле содержится не в телах растений и животных, а в двух неорганических соединениях – известняке и доломите. Углерод входит в состав и других минералов: мрамора, который по составу сходен с известняком (кальцитом), но с добавками малахита. Редко встречаются карбиды металлов, т. е. соединения металлов с углеродом. Карбиды – минералы глубинного происхождения. Предполагают, что углерод есть и в ядре земного шара.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO ₂ ). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода связывается в молекулы органических веществ – глюкозы, крахмала и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов, углерод вернется в атмосферу в качестве CO ₂ ;

растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

Подсчитано, что за год растениями и планктоном океана связывается 24 млрд т углерода из углекислого газа атмосферы , а на сушу из атмосферы возвращается 69 млрд т углерода. Но атмосфера одновременно с этим и пополняется углеродом за счет того, что при гниении растительных остатков образуется углекислый газ.

Однако движение углерода: атмосфера ≥ живое вещество- не сбалансировано. При разложении живого вещества выделяется меньше углекислого газа, чем его поглощается в масштабах Земли, но все же его содержание в атмосфере сохраняется примерно на одинаковом уровне. Это происходит потому, что цикл, который мы, рассмотрели, связан с другим циклом: атмосфера гидросфера. Оказывается, большая часть углекислого газа находится не в газообразном состоянии, а в растворенном в воде Мирового океана. В этом случае возможно несколько вариантов:

углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

“ Океан действует как грандиозный насос, забирая из атмосферы в холодных областях и отдавая его в тропических областях” (А. П. Виноградов – ученый – геохимик).

Распределение углерода на Земле

Углерод углекислого газа совершает полный оборот на поверхности Земли благодаря фотосинтезу примерно за 400 лет (рис. 1). Это большой отрезок времени, с точки зрения человека, но сравнительно небольшой в геохимическом смысле. Углерод атмосферы, гидросферы, биосферы находится в подвижном состоянии. Часть атомов углерода с течением времени переходит в состояние длительной геохимической неподвижности. Углекислый газ, связываясь с оксидами металлов, образует горные породы. При извержении вулканов часть углекислого газа освобождается из земных недр и выносится на поверхность планеты. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO ₂ на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы (рис. 2).

Важную роль в жизнедеятельности живых организмов играет круговорот углерода в природе. Углерод входит в состав всех органических веществ и участвует в большинстве химических и физических процессов планеты.

Общее описание

Углерод – шестой элемент периодической таблицы Менделеева с относительной атомной массой 12. Углерод находится в четвертой группе и проявляет постоянную валентность IV. Это активное вещество, вступающее в реакцию с металлами, неметаллами, оксидами, кислотами.

В природе встречается в виде твёрдых веществ в составе горных пород. Элемент имеет несколько аллотропных модификаций – графит, алмаз, сажа, уголь. Большая часть газообразного углерода находится в атмосфере. Соединяясь с кислородом, образует угарный и углекислый газы.

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Угарный газ (СО) – ядовитое вещество без цвета, запаха, вкуса. Соединяясь с гемоглобином крови, нарушает клеточное дыхание, что приводит к удушению.

Значение углерода

Углерод входит в состав угольной кислоты (H₂CO₃), соды (Na₂CO₃), всех органических соединений. Это один из жизненно важных элементов. Углерод участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, энергетического обмена.

В живых организмах элемент содержат:

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота);
нуклеиновые кислоты;
аминокислоты;
АТФ (аденозинтрифосфат) – универсальный источник энергии;
липиды и жирные кислоты.

Благодаря четырём валентным электронам атом углерода способен образовывать четыре связи с атомами различных элементов. Именно этим объясняется распространённость элемента в природе в составе сложных веществ.

Круговорот

Краткая схема круговорота углерода в природе:

углекислый газ используется растениями для фотосинтеза;
продуктом фотосинтеза являются органические вещества, в частности углеводы;
углерод попадает в тело травоядных животных, затем – хищников;
обратно элемент возвращается в природу при дыхании животных и после их смерти в результате гниения (осуществляют бактерии, грибы).

Общее количество углерода в природе можно разделить на четыре части:

оставшийся в составе клеток растения;
находящийся в животных клетках;
высвободившийся в атмосферу при дыхании или сжигании топлива;
отложившийся в грунте, куда попадает в результате разложения.

Углекислый газ (СО₂) является конечным продуктом метаболизма. Он образуется в процессе дыхания и полного распада углеводов, жиров, аминокислот. Из клетки с током крови углекислый газ попадает в лёгкие, а оттуда – в атмосферу при внешнем дыхании.

Углекислый газ – продукт не только жизнедеятельности живых организмов. Газ образуется при сжигании органического топлива – нефти, природного газа, древесины, угля. При попадании углекислого газа в атмосферу круговорот элемента начинается заново.

Углерод накапливается в земной коре или на дне океана в виде горных пород или донных отложений. Именно так образуются каменный уголь, нефть, графит, алмаз.

Что мы узнали?

Углерод – жизненно важный элемент, участвующий в круговороте веществ в природе. Углерод в составе углекислого газа поглощают растения в процессе фотосинтеза и преобразуют в органические вещества, которые служат пищей для травоядных животных. Используя других животных в качестве пищи, хищники получают углерод в составе органических веществ. Обратно в природу углерод попадает при дыхании (выделяется в виде углекислого газа) и при гниении органических тканей.

Жизнь на Земле состоит из непрекращающихся циклов различных элементов, циркулирующих между биологическими организмами и земными оболочками (литосфера, атмосфера и гидросфера).

Наиболее важным процессом, обеспечивающим жизнедеятельность всех живых существ, является круговорот углерода в природе. Реферат по этой теме охватывает краткое описание факторов, влияющих на взаимодействие всех соединений.

Основные принципы

Химический элемент углерод (карбонеум) занимает шестую позицию в таблице Дмитрия Менделеева. Распространённость углерода объясняется его постоянной валентностью, которая равна четырём атомам. Благодаря этому образуется связь с другими химическими элементами. Все молекулы, из которых состоит любой организм, имеют в своей основе углеродный скелет. Любые соединения, существующие на земле, представлены двумя классами:

органическими — они появляются в результате жизнедеятельности всех живых существ;
неорганическими — причиной их возникновения могут быть химические реакции.

Преобразование одного соединения в другое называется круговорот веществ в природе. Схема представляет собой движение атомов основных элементов, таких как фтор, кислород, азот и другие. Однако лидирующую позицию в цикле занимает углерод.

Значительная часть карбонеума, находящаяся в газообразном состоянии, попадает в атмосферу. При соединении с кислородом образуется углекислый газ, а также метан и угарный газ. Зная основные принципы, можно кратко описать круговорот углерода в природе.

Биосферный процесс

Цикл, в который вовлекаются животный и растительный мир, выглядит как перемещение химических веществ через пищевую цепь любого живого организма. Это биологический круговорот углерода в природе, схема и рисунок которого представляет следующую упрощённую последовательность:

фотосинтез растений с поглощением углекислого газа и выделением кислорода;
переработка погибшей флоры другими организмами (грибами, гнилостными бактериями). Если органические остатки попадают в почву, они преобразуются в полезные ресурсы (уголь, торф);
поедание растений травоядной фауной, которая становится пищей для хищников. Углерод возвращается атмосферу во время дыхания живых организмов либо при разложении после их гибели.

Важную роль в непрерывном обороте углерода играет Мировой океан. Растворённый C в гидросфере находится в приповерхностном слое, глубоких водах и придонных морских осадках. Углекислота на начальном этапе поглощается планктоном, который становится пищей для высших обитателей морской стихии. Погибшие организмы оказываются на дне, где в процесс переработки включаются микроорганизмы. Количество углерода в океане в 100 раз выше, чем в атмосфере.

Углекислый газ — это конечный продукт метаболизма. Его образует полный распад различных аминокислот, белков, углеводов. При дыхании кислород усваивается организмом, CO2 выводится через дыхательные пути.

После попадания газа в атмосферу процесс кругооборота повторяется. Углеродный оборот в биосфере происходит с участием солнечной энергии, без которой жизнь была бы невозможна.

Геохимический цикл

Оборот углерода, происходящий без участия биологических организмов, называется геохимическим круговоротом. Особенности этого цикла заключаются в продолжительных по времени изменениях и в природных катаклизмах. Особенно мощное воздействие на цикл оказывает вулканическая деятельность планеты. Во время извержения вулканов образуется CO2 и вода, часть которых попадает в осадочные породы, постепенно перерождаясь в известняки.

В недрах земли находятся аллотропные углероды (нефть, уголь, графит, карбид, алмазы). В случае нахождения элемента в глубине грунта, он не попадает в атмосферу и временно теряется из неё. Высвобождение C из почвы происходит в результате горения метана, нефти или торфа. Так возобновляется оборот элемента в природе.

Значение элемента

В процессе многолетних исследований учёными было установлено, что для существования жизни отдельных организмов и планеты в целом углерод имеет решающее значение.

Кратко охарактеризовать роль элемента можно с помощью следующих данных:

участие в синтезе веществ;
процессе дыхания;
в энергетическом обмене;
присутствие в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК);
содержание элемента в аденозинтрифосфате (АТФ) — универсальном источнике энергии.

Не менее высока роль C в промышленности и производстве. Он позволяет изготавливать материалы с высокой электропроводностью, а также непроводящую электричество продукцию. Аллотропные модификации углерода охватывают довольно широкий диапазон. Самые известные из них — графит и алмаз.

Влияние цивилизации

Хозяйственная деятельность человека оказывает существенное влияние на содержание углекислого газа в атмосфере, что вызывает дисбаланс углеродного оборота. Рост населения, освоение новых территорий приводит к вырубке лесных массивов.

Также с каждым годом всё больше сжигается топлива, в результате чего повышается концентрация CO2 в атмосфере.

Такая стратегия в дальнейшем неизбежно приведёт к экологической катастрофе и парниковому эффекту. Избыток тепловой энергии в нижних слоях атмосферы станет причиной роста температуры воздуха и таяния ледников. Повышение уровня воды в Мировом океане грозит затоплением обширных территорий суши и исчезновением многих видов флоры и фауны.

Мировые запасы

За время существования планеты Земля, на ней зарождались, вымирали и появлялись новые существа. За миллионы лет в природе накопились колоссальные запасы углерода, равные 6х10 6 млрд тонн. В эту массу входят как ископаемые углеродсодержащие вещества, так и все живые организмы.

Круговое перемещение элемента позволяет накапливать примерно 400 миллиардов тонн C, часть которого остаётся в неорганических соединениях. Остаток непрерывно циркулирует в живой природе, давая ей возможность продолжать существование.

Читайте также: