Partie C : Construire des composés de carbone

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La géosphère et la biosphère sont les deux composantes du Système Terre ; la géosphère est le nom collectif de la lithosphère, de l’hydrosphère, de la cryosphère et de l’atmosphère. Toutes les parties du système terrestre interagissent et sont reliées entre elles par des processus climatiques et par le cycle de l’eau et les cycles biogéochimiques. Le Soleil est la source dominante de toute l’énergie externe du système terrestre. Diagramme conçu par James A. Tomberlin, USGS.

Dans le cycle du carbone, les atomes de carbone sont constamment en mouvement, entrant et sortant des différents composants de la biosphère et de la géosphère. Les atomes de carbone ne se déplacent pas en tant qu’atomes individuels, mais en tant qu’éléments de composés de carbone, certains petits et simples, d’autres grands et très complexes. Le cycle du carbone est étroitement lié aux cycles biogéochimiques d’autres éléments chimiques tels que l’azote, le phosphore, le soufre et le fer, qui entrent et sortent de différents composants de la géosphère et de la biosphère. . Par exemple, de nombreux composés de carbone produits par les organismes vivants contiennent des atomes d’azote et de phosphore.

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Le cycle mondial du carbone montrant les voies de passage (flèches) des atomes de carbone d’une partie du cycle du carbone à une autre. Les lettres violettes font référence aux endroits où les composés de carbone existent et les lettres orange font référence aux processus qui font que le carbone se déplace le long des voies.

Considérez l’image du cycle global du carbone représentée à droite, (cliquez pour agrandir l’image). Chaque flèche représente un chemin que les atomes de carbone empruntent lorsqu’ils se déplacent dans la géosphère et la biosphère. Certains de ces composés carbonés passent rapidement d’une partie du cycle du carbone à une autre, tandis que d’autres sont stockés pendant des millions et des millions d’années. Lorsque les composés du carbone se déplacent dans la géosphère et la biosphère, ils subissent de nombreux changements chimiques différents. Ces changements chimiques (transformations) nécessitent la rupture et la construction de liaisons chimiques entre les atomes. Certains de ces changements chimiques semblent mineurs, mais peuvent avoir une influence majeure sur le cycle du carbone, le climat et l’environnement. Par exemple, lorsque les plantes transforment le CO2 inorganique en sucres organiques (C6H12C6), elles fournissent de la nourriture aux animaux et à d’autres organismes hétérotrophes qui ne peuvent pas fabriquer leur propre nourriture et obtiennent leur nourriture et leur énergie en absorbant des substances organiques, généralement des matières végétales ou animales ; les animaux, les protozoaires, les champignons et la plupart des bactéries sont des hétérotrophes. Lorsque les bactéries du sol décomposent les composés carbonés du sol, elles libèrent du dioxyde de carbone (CO2) ou du méthane (CO4). Ces deux gaz sont des gaz à effet de serre et ont été liés au changement climatique.

Les scientifiques prévoient que plus de dix millions de composés carbonés différents existent sur Terre aujourd’hui. Dans cette section, vous réaliserez quatre courtes enquêtes pour explorer comment les atomes de carbone peuvent se joindre à d’autres types d’atomes pour former les millions de types différents de composés de carbone que l’on peut trouver dans la géosphère et la biosphère. Pour commencer à réfléchir à la capacité du carbone à former tant de types différents de composés carbonés, regardez ce court clip vidéo de NPR, It’s All About Carbon : Episode 1.

NOTE : Si la vidéo ne se charge pas, vous pouvez la regarder ici : Épisode 1 : Réchauffement climatique, tout est question de carbone – YouTube Vous pouvez également suivre ce lien où vous pouvez regarder d’autres épisodes de cette série NPR.

Enquête de laboratoire 1 : preuves d’un changement chimique

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Les coraux et autres organismes constructeurs de coquilles comme les palourdes, les huîtres et les homards dépendent du carbonate de calcium pour construire leurs coquilles et leurs squelettes.

Dans la vidéo que vous venez de regarder, vous avez appris que les atomes de carbone se lient facilement et fortement avec d’autres atomes pour former de nombreux types de composés carbonés. Dans cette enquête, vous allez chercher des preuves de la formation d’un nouveau composé du carbone lorsque deux composés du carbone sont réunis : le CO2 de votre propre respiration et une solution d’hydroxyde de calcium Ca(OH)2.

1. (Démonstration en classe) La craie est faite de carbonate de calcium (CaCO3). Lorsque l’on ajoute du vinaigre à la craie, un pétillement se produit indiquant que la craie est faite de carbonate de calcium. Vous allez utiliser le test du vinaigre pour indiquer la présence de carbonate de calcium.
2. Examinez l’eau de chaux et décrivez son apparence. L’eau de chaux est le nom commun d’une solution saturée d’hydroxyde de calcium, Ca(OH)2 (aq).
3. Placez une des pailles à boire dans l’eau de chaux et soufflez doucement dans le liquide. NE PAS INHALER OU SOUFFLER TROP FORT. Continuez à expirer par la paille jusqu’à ce qu’un précipité blanc (solide) se forme. La solution doit avoir un aspect très laiteux avec de petites particules.
4. Placez le filtre à café sur la tasse vide. Versez délicatement l’eau de chaux dans la tasse à travers le filtre pour séparer le précipité du liquide.
5. Mettez le filtre avec le précipité blanc de côté et laissez-le sécher et se solidifier.
6. Placez une paille à boire dans une tasse d’eau ordinaire (au lieu de l’eau de chaux) et soufflez doucement. Observez ce qui se passe. Cela sert de contrôle expérimental.

Vérification

Décrivez comment l’eau de chaux et l’eau ordinaire réagissent différemment lorsqu’on leur ajoute du gaz carbonique.

Lorsque du CO2 est ajouté à l’eau de chaux, elle devient laiteuse en raison de la production d’un précipité de carbonate de calcium (CaCO3). Le carbonate de calcium est insoluble et précipite (se dépose hors de la solution) : Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) â†&#146 ; CaCO3(s) + H2O (l) L’eau ordinaire bouillonne lors de l’ajout du CO2, mais aucun précipité ne se forme.
7. Pour prouver que la substance que vous avez filtrée de l’eau de chaux est bien du carbonate de calcium, utilisez le compte-gouttes pour ajouter une petite quantité de vinaigre blanc au précipité.

Molécules de dioxyde de carbone et d’eau.

Enquête de laboratoire 2 : modélisation de la photosynthèse et de la respiration cellulaire

Dans cette enquête, vous utiliserez un kit de modélisation moléculaire “balle et bâton” pour étudier comment les deux processus clés de la biosphère que sont la photosynthèse et la respiration cellulaire créent de nouveaux composés de carbone. Rassemblez vos matériaux et suivez les instructions pour modéliser la photosynthèse et la respiration cellulaire ci-dessous :

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Les molécules de CO2 entrent dans les plantes par les feuilles. Les molécules de H2O entrent dans les plantes par les racines.

Utilisez les six molécules de dioxyde de carbone et les six molécules d’eau pour modéliser la photosynthèse. Voici l’équation chimique de la photosynthèse.

6CO2 + 6H2O ==&gt ; C6H12O6 + 6O2

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Une molécule de sucre de glucose produite par les plantes et les algues via le processus de photosynthèse.

1. Commencez par séparer les molécules de dioxyde de carbone et d’eau.

2. Construisez votre molécule de glucose en utilisant l’image d’une molécule de glucose représentée à droite pour vous guider. Si vous cliquez pour agrandir l’image, vous verrez facilement comment les atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène sont liés les uns aux autres. REMARQUE : ne démontez pas la molécule de glucose avant de commencer l’enquête 3 :

3. Utilisez les atomes d’oxygène restants et les liaisons pour construire six molécules de O2 (O=O). Ces molécules de gaz oxygène sont libérées dans l’air et fournissent une partie de l’oxygène nécessaire à la vie sur terre.

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Le processus de respiration rompt les liaisons chimiques de la molécule de glucose, rendant l’énergie disponible pour les fonctions cellulaires. Les atomes de la molécule de glucose sont également utilisés pour construire la biomasse. Les molécules de CO2 et d’O2 produites dans cette réaction sortent de la feuille pour se retrouver dans l’air environnant.

4. Examinez l’équation de la respiration cellulaire illustrée à droite. L’équation chimique de la respiration cellulaire est :

C6H12O6 + 6O2==&gt ; 6CO2 + 6H2O + énergie pour les fonctions cellulaires

Réponds ensuite aux questions de vérification ci-dessous :

Enquête de laboratoire 3 : Biosynthèse de nouvelles biomolécules à partir du glucose

1. Prenez votre molécule de glucose et rejoignez au moins une autre équipe.
2. Démontez les molécules de glucose. NOTE : Vous n’avez pas besoin de déconnecter toutes les liaisons des atomes.
3. Utilisez les atomes et les liaisons des deux équipes pour construire une nouvelle biomolécule composés organiques de carbone produits dans les êtres vivants ; les exemples incluent les glucides, les lipides(graisses, sols, cires) et l’ADN . Ta biomolécule peut prendre la forme que tu veux. La seule règle que vous devez respecter est qu’aucune “branche de liaison électronique” ne reste non connectée à un autre atome. Il est possible qu’il reste quelques atomes et liaisons lorsque vous construisez votre biomolécule. REMARQUE : Votre professeur peut décider de vous produire avec des atomes d’azote. L’utilisation de ces atomes vous permettra de construire des molécules de protéines.
4. Lorsque vous aurez fini de construire vos nouvelles biomolécules, comparez-les avec d’autres biomolécules fabriquées par d’autres équipes.

La biomasse de tous les organismes est composée principalement de protéines, de glucides, d’acides nucléiques (ADN, ARN) et de lipides (graisses huiles et cires). Le glucose et les autres glucides contiennent des atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Cependant, les organismes de la biosphère construisent des millions de biomolécules différentes qui contiennent de l’azote, du phosphore et du soufre. En fait, 97 % d’un organisme vivant est constitué de seulement six éléments : carbone, hydrogène, azote, oxygène, phosphore et soufre (CHNOPS). D’autres éléments tels que le magnésium et le fer sont également importants, mais en très petites quantités. Le manque de l’un de ces éléments nutritifs du sol, qui sont essentiels à la croissance des plantes ; les éléments nutritifs du sol les plus importants sont l’azote, le phosphore, le magnésium et le soufre. limitera la croissance des plantes et le stockage du carbone. Dans cette enquête, vous allez examiner plusieurs images Jmol de biomolécules et identifier les types d’éléments(atomes) dans chacune.

1. Faites un tableau à trois colonnes dans votre cahier de laboratoire ou sur une feuille de papier séparée. Donnez à votre tableau les titres suivants:

• Colonne A = Nom de la biomolécule (ex : ADN, fructose etc.);
• Colonne B = Type de biomolécule (ex : glucide, protéine etc.);
• Colonne C = Types d’atomes (éléments). Utilisez les premières lettres (C H N O P S Mg I);

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Le fructose, un sucre de fruit glucidique. Lorsque vous mangez des fruits comme les pommes et les oranges, vous consommez du fructose.

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L’ADN, un acide nucléique. L’ADN est souvent appelé le plan de la vie car il contient les instructions génétiques permettant aux organismes de se construire et d’effectuer toutes les activités de leur vie. Sans l’ADN, un organisme ne se construit pas. Cette visualisation de l’ADN ne représente qu’un très petit segment d’une molécule d’ADN entière.

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La cellulose, un hydrate de carbone. Les parties fibreuses et ligneuses des plantes sont constituées de molécules de cellulose réunies en longues chaînes. La nature fibreuse de la cellulose fournit la structure permettant aux plantes de se tenir debout. Les arbres sont composés d’environ 50% à 53% de cellulose, selon l’espèce de l’arbre.

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La chlorophylle, une molécule de pigment vert. Les plantes utilisent ce pigment pour absorber l’énergie du soleil pour la photosynthèse. La chlorophylle est un exemple de biomolécule qui n’appartient à aucun groupe spécifique (c’est-à-dire les glucides, les acides nucléiques, les protéines, les lipides) Pouvez-vous trouver l’atome de magnésium ?

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Cytochrome C, une protéine végétale. Les protéines sont des macromolécules biosynthétisées par tous les organismes vivants et ont diverses fonctions essentielles à la vie. Par exemple, le cytochrome c est une protéine dont les plantes et d’autres organismes ont besoin pour effectuer la respiration cellulaire. Pouvez-vous trouver les atomes de soufre et les deux atomes de fer dans cette molécule de protéine cytochrome ?

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Un acide aminé- partie d’une protéine. Les organismes construisent des protéines complètes à partir de centaines d’acides aminés. La molécule de cytochrome c illustrée à droite est une protéine complète composée de nombreux acides aminés.

Prolongations facultatives

Vous voulez en savoir plus sur les composés du carbone, les biomolécules, les CHNOPS, les nutriments du sol et plus encore ? Consultez ces ressources.

• Recherchez les dernières recherches ! De nouvelles recherches sur le cycle du carbone, le climat et l’environnement sont en cours. Vous pouvez utiliser ScienceDaily et Phys.org pour rechercher des recherches récentes sur la relation entre le cycle du carbone et d’autres cycles biochimiques en utilisant des combinaisons des balises suivantes : cycle du carbone, stockage/séquestration du carbone, fertilisation au CO2, arbres, forêts, nutriments du sol. Voici un exemple : Les nutriments du sol limitent la capacité des plantes à ralentir le changement climatique
• Utilisez MolView pour explorer les biomolécules Jmol fabriquées par de nombreux types d’organismes.