Část C: Stavba uhlíkových sloučenin

×

Geosféra a biosféra jsou dvě složky zemského systému; geosféra je souhrnný název pro litosféru, hydrosféru, kryosféru a atmosféru. Všechny části zemského systému se vzájemně ovlivňují a jsou propojeny prostřednictvím klimatických procesů a koloběhu vody a biogeochemických cyklů. Slunce je dominantním zdrojem veškeré vnější energie pro zemský systém. Schéma navrhl James A. Tomberlin, USGS.

V koloběhu uhlíku jsou atomy uhlíku v neustálém pohybu a kolují do různých složek biosféry a geosféry a zpět. Atomy uhlíku necyklují jako jednotlivé atomy, ale pohybují se jako součást uhlíkových sloučenin, z nichž některé jsou malé a jednoduché a jiné velké a velmi složité. Koloběh uhlíku je úzce propojen s dalšími biogeochemickými koloběhy koloběhy dalších chemických prvků, jako je dusík, fosfor, síra a železo, které se pohybují do různých složek geosféry a biosféry a ven z nich. . Například mnoho sloučenin uhlíku produkovaných živými organismy obsahuje atomy dusíku a fosforu.

×

Globální cyklus uhlíku znázorňující cesty (šipky) atomů uhlíku z jedné části koloběhu uhlíku do druhé. Fialová písmena označují místa, kde se vyskytují sloučeniny uhlíku, a oranžová písmena označují procesy, které způsobují pohyb uhlíku po drahách.

Vezměme si obrázek globálního koloběhu uhlíku na obrázku vpravo (kliknutím obrázek zvětšíte). Každá šipka představuje cestu, po které se atomy uhlíku pohybují v geosféře a biosféře. Některé z těchto uhlíkových sloučenin se rychle přesouvají z jedné části uhlíkového cyklu do druhé, zatímco jiné se uchovávají miliony a miliony let. Jak se sloučeniny uhlíku pohybují v geosféře a biosféře, procházejí mnoha různými chemickými změnami. Tyto chemické změny (přeměny) vyžadují přerušení a vytvoření chemických vazeb mezi atomy. Některé z těchto chemických změn se zdají být zcela zanedbatelné, ale mohou mít zásadní vliv na koloběh uhlíku, klima a životní prostředí. Například když rostliny přeměňují anorganický CO2 na organické cukry (C6H12C6), poskytují potravu živočichům a dalším heterotrofním organismům, které si nemohou vyrábět vlastní potravu a místo toho získávají potravu a energii přijímáním organických látek, obvykle rostlinných nebo živočišných; živočichové, prvoci, houby a většina bakterií patří mezi heterotrofy. Když půdní bakterie rozkládají sloučeniny uhlíku v půdě, uvolňují oxid uhličitý (CO2) nebo metan (CO4). Oba tyto plyny patří mezi skleníkové plyny a jsou spojovány se změnou klimatu.

Vědci předpokládají, že na Zemi dnes existuje více než deset milionů různých sloučenin uhlíku. V této části provedete čtyři krátká šetření, při nichž budete zkoumat, jak se atomy uhlíku mohou spojovat s jinými typy atomů a vytvářet tak miliony různých typů sloučenin uhlíku, které se nacházejí v geosféře a biosféře. Abyste mohli začít přemýšlet o schopnosti uhlíku vytvářet tolik různých typů uhlíkových sloučenin, podívejte se na tento krátký videoklip NPR: It’s All About Carbon: Episode 1.

POZNÁMKA: Pokud se video nenačte, můžete si ho prohlédnout zde: Můžete také sledovat tento odkaz, kde si můžete prohlédnout další díly tohoto seriálu NPR.

Laboratorní šetření 1: Důkaz chemické změny

×

Koráli a další organismy, které staví schránky, jako jsou škeble, ústřice a humři, jsou při stavbě svých schránek a kostry závislí na uhličitanu vápenatém.

Ve videu, které jste právě zhlédli, jste se dozvěděli, že atomy uhlíku se snadno a pevně vážou s jinými atomy a vytvářejí mnoho různých typů uhlíkových sloučenin. V tomto zkoumání budete hledat důkazy vzniku nové sloučeniny uhlíku, když se spojí dvě sloučeniny uhlíku: CO2 z vašeho vlastního dechu a roztok hydroxidu vápenatého Ca(OH)2 .

1. (ukázka třídy) Křída je tvořena uhličitanem vápenatým (CaCO3). Když se ke křídě přidá ocet, dojde k šumění, což svědčí o tom, že křída je tvořena uhličitanem vápenatým. K prokázání přítomnosti uhličitanu vápenatého použijete octový test.
2. Prozkoumejte vápennou vodu a popište její vzhled. Vápenná voda je běžný název pro nasycený roztok hydroxidu vápenatého, Ca(OH)2 (aq).
3. Vložte do vápenné vody jedno z brček na pití a jemně do kapaliny foukněte. NEVDECHUJTE ANI NEFOUKEJTE PŘÍLIŠ SILNĚ. Pokračujte ve vydechování brčkem, dokud se nevytvoří bílá sraženina (pevná látka). Roztok by měl vypadat velmi mléčně s malými částečkami.
4. Na prázdný šálek položte kávový filtr. Opatrně nalijte vápennou vodu do šálku přes filtr, aby se sraženina oddělila od kapaliny.
5. Filtr s bílou sraženinou dejte stranou a nechte ji vyschnout a ztuhnout.
6. Vložte brčko do šálku s běžnou vodou (místo vápenné vody) a jemně foukněte. Pozorujte, co se stane. To vám poslouží jako kontrolní pokus.

Kontrola v

Popište, jak rozdílně reagují vápenná a obyčejná voda, když se do každé z nich přidá plynný oxid uhličitý.

Při přidání CO2 do vápenaté vody dochází k jejímu mléčnému zabarvení v důsledku tvorby sraženiny uhličitanu vápenatého (CaCO3). Uhličitan vápenatý je nerozpustný a sráží se (usazuje se z roztoku): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) Běžná voda při přidávání CO2 bublá, ale srážka se netvoří.
7. Abys dokázal, že látka, kterou jsi odfiltroval z vápenné vody, je skutečně uhličitan vápenatý, přidej pomocí kapátka ke sraženině malé množství bílého octa.

Molekuly oxidu uhličitého a vody.

Laboratorní šetření 2: Modelování fotosyntézy a buněčného dýchání

V tomto šetření budete pomocí sady molekulárních modelů “koule a tyčinka” zkoumat, jak dva klíčové biosférické procesy fotosyntéza a buněčné dýchání vytvářejí nové sloučeniny uhlíku. Shromážděte si materiály a postupujte podle níže uvedených pokynů pro modelování fotosyntézy a buněčného dýchání:

×

Molekuly CO2 vstupují do rostlin prostřednictvím listů. Molekuly H2O přecházejí do rostlin z kořenů rostlin.

K modelování fotosyntézy použijte šest molekul oxidu uhličitého a šest molekul vody. Zde je chemická rovnice pro fotosyntézu.

6CO2 + 6H2O ==> C6H12O6 + 6O2

×

Molekula glukózového cukru vyráběná rostlinami a řasami procesem fotosyntézy.

1. Začněte tím, že rozeberete molekuly oxidu uhličitého a vody.

2. Sestavte molekulu glukózy podle obrázku molekuly glukózy na obrázku vpravo, který vám bude vodítkem. Pokud obrázek zvětšíte kliknutím, snadno uvidíte, jak jsou atomy uhlíku, vodíku a kyslíku vzájemně vázány. POZNÁMKA: Molekulu glukózy nerozebírejte, dokud nezačnete Vyšetřování 3:

3. Ze zbývajících atomů kyslíku a vazeb sestavte šest molekul O2 (O=O). Tyto molekuly plynného kyslíku se uvolňují do ovzduší a poskytují část kyslíku nezbytného pro život na Zemi.

×

Proces dýchání rozbíjí chemické vazby v molekule glukózy, čímž se uvolňuje energie pro buněčné funkce. Atomy z molekuly glukózy se také využívají ke stavbě biomasy. Molekuly CO2 a O2, které při této reakci vznikají, se dostávají z listu do okolního vzduchu.

4. Prozkoumej rovnici pro buněčné dýchání zobrazenou vpravo. Chemická rovnice pro buněčné dýchání je:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energie pro buněčné funkce

Poté odpovězte na níže uvedené kontrolní otázky:

Laboratorní šetření 3: Biosyntéza nových biomolekul z glukózy

1. Vezměte si svou molekulu glukózy a spojte se s alespoň jedním dalším týmem.
2. Rozdělte molekuly glukózy. POZNÁMKA: Nemusíte odpojit všechny vazby od atomů.
3. Použijte atomy a vazby z obou týmů k sestavení nové biomolekuly organické sloučeniny uhlíku vznikající v živých organismech; příkladem jsou sacharidy, lipidy(tuky, půdy, vosky) a DNA. . Vaše biomolekula může mít libovolný tvar. Jediné pravidlo, které musíte dodržet, je, že žádný “výběžek elektronové vazby” nesmí zůstat bez spojení s jiným atomem. Je možné, aby vám při sestavování biomolekuly zbylo několik atomů a vazeb. POZNÁMKA: Váš učitel se může rozhodnout, že vám vyrobí atomy dusíku. Použití těchto atomů vám umožní postavit molekuly bílkovin.
4. Když dokončíte stavbu svých nových biomolekul, porovnejte je s jinými biomolekulami vyrobenými jinými týmy.

Biomasu všech organismů tvoří především bílkoviny, sacharidy, nukleové kyseliny (DNA, RNA) a lipidy (tuky oleje a vosky). Glukóza a další sacharidy obsahují atomy uhlíku, vodíku a kyslíku. Organismy v biosféře však vytvářejí miliony různých biomolekul, které obsahují dusík, fosfor a síru. Ve skutečnosti je 97 % živého organismu tvořeno pouze šesti prvky: uhlíkem, vodíkem, dusíkem, kyslíkem, fosforem a sírou, zkráceně CHNOPS. Další prvky, jako je hořčík a železo, jsou také důležité, ale ve velmi malém množství. Nedostatek některé z těchto půdních živinživiny v půdě, které jsou nezbytné pro růst rostlin; mezi nejdůležitější půdní živiny patří dusík, fosfor, hořčík a síra. omezí růst rostlin a ukládání uhlíku. V tomto šetření budete zkoumat několik Jmol obrázků biomolekul a určovat typy prvků(atomů) v každém z nich.

1. Veďte třísloupcovou tabulku v laboratorním sešitě nebo na samostatném papíře. Tabulce dejte následující nadpisy:

• Sloupec A = Název biomolekuly (např. DNA, fruktóza atd.);
• Sloupec B = Typ biomolekuly (např. sacharid, bílkovina atd.);
• Sloupec C = Typy atomů (prvků). Použijte první písmena (C H N O P S Mg I);

×

Fruktóza, sacharidový ovocný cukr. Když jíte ovoce, například jablka a pomeranče, jíte fruktózu.

×

DNA, nukleová kyselina. DNA se často nazývá plán života, protože obsahuje genetické instrukce, podle kterých se organismy staví a vykonávají všechny své životní činnosti. Bez DNA se organismus nepostaví. Tato vizualizace DNA představuje pouze velmi malý úsek celé molekuly DNA.

×

Celulóza, sacharid. Vláknité a dřevnaté části rostlin jsou tvořeny molekulami celulózy spojenými do dlouhých řetězců. Vláknitá povaha celulózy zajišťuje rostlinám strukturu, která jim umožňuje stát vzpřímeně. Stromy obsahují přibližně 50 % až 53 % celulózy v závislosti na druhu stromu.

×

Chlorofyl, molekula zeleného barviva. Rostliny tento pigment používají k absorpci sluneční energie pro fotosyntézu. Chlorofyl je příkladem biomolekuly, která nepatří do žádné specifické skupiny (tj. sacharidy, nukleové kyseliny, bílkoviny, lipidy) Dokážete najít atom hořčíku?

×

Cytochrom C, rostlinný protein. Bílkoviny jsou makromolekuly biosyntetizované všemi živými organismy a mají rozmanité funkce, které jsou pro život klíčové. Například cytochrom c je bílkovina, kterou rostliny a další organismy potřebují k provádění buněčného dýchání. Dokážete najít atomy síry a dva atomy železa v této molekule bílkoviny cytochromu?”

×

Aminokyselina – součást bílkoviny. Organismy staví kompletní bílkoviny ze stovek aminokyselin. Molekula cytochromu c na obrázku vpravo je kompletní bílkovina složená z mnoha aminokyselin.

Volitelná rozšíření

Chcete se dozvědět více o sloučeninách uhlíku, biomolekulách, CHNOPS, půdních živinách a dalších věcech? Podívejte se na tyto zdroje.

• Vyhledejte nejnovější výzkum! Nové výzkumy týkající se koloběhu uhlíku, klimatu a životního prostředí stále probíhají. K výzkumu nejnovějších poznatků o vztahu mezi cyklem uhlíku a dalšími biochemickými cykly můžete použít ScienceDaily a Phys.org, a to pomocí kombinace následujících značek: cyklus uhlíku, ukládání/ukládání uhlíku, hnojení CO2, stromy, lesy, půdní živiny. Zde je příklad:
• Pomocí aplikace MolView můžete prozkoumat biomolekuly Jmol vytvářené mnoha různými typy organismů.

.