C rész: Szénvegyületek építése

×

A geoszféra és a bioszféra a Föld rendszer két összetevője; a geoszféra a litoszféra, a hidroszféra, a krioszféra és a légkör gyűjtőneve. A Földrendszer valamennyi része kölcsönhatásban van egymással, és az éghajlati folyamatok, valamint a vízkörforgás és a biogeokémiai ciklusok révén kapcsolódik egymáshoz. A Földrendszer számára a Nap a külső energia meghatározó forrása. James A. Tomberlin, USGS által tervezett ábra.

A szén körforgásában a szénatomok folyamatosan mozgásban vannak, a bioszféra és a geoszféra különböző összetevőibe és azokból ki-be áramlanak. A szénatomok nem egyes atomokként keringenek, hanem szénvegyületek részeként mozognak, amelyek közül egyesek kicsik és egyszerűek, mások pedig nagyok és rendkívül összetettek. A szén körforgása szorosan kapcsolódik más biogeokémiai körfolyamatokhoz más kémiai elemek, például a nitrogén, a foszfor, a kén és a vas körforgása, amelyek a geoszféra és a bioszféra különböző összetevőibe áramlanak be és onnan ki. . Például az élő szervezetek által termelt számos szénvegyület tartalmaz nitrogén- és foszforatomokat.

×

A globális szénciklus a szénatomoknak a szénciklus egyik részéből a másikba vezető útjait (nyilak) mutatja. A lila betűk arra utalnak, hogy hol léteznek szénvegyületek, a narancssárga betűk pedig azokra a folyamatokra, amelyek a szénnek az útvonalakon való mozgását okozzák.

Tekintsük a jobb oldali képen látható globális szénciklus képét (a kép nagyításához kattintson a képre). Minden nyíl egy-egy útvonalat jelöl, amelyen a szénatomok a geoszférában és a bioszférában való mozgása során haladnak. E szénvegyületek némelyike gyorsan mozog a szénciklus egyik részéből a másikba, míg mások évmilliókig tárolódnak. Ahogy a szénvegyületek a geoszférában és a bioszférában mozognak, számos különböző kémiai változáson mennek keresztül. Ezek a kémiai változások (átalakulások) az atomok közötti kémiai kötések felbontását és felépítését igénylik. E kémiai változások némelyike egészen jelentéktelennek tűnik, de jelentős hatással lehet a szénciklusra, az éghajlatra és a környezetre. Amikor például a növények a szervetlen CO2-t szerves cukorrá (C6H12C6) alakítják, táplálékot biztosítanak az állatok és más heterotróf szervezetek számára, amelyek nem képesek saját maguk előállítani táplálékukat, hanem szerves anyagok, általában növényi vagy állati anyagok felvételével jutnak táplálékhoz és energiához; az állatok, az őslények, a gombák és a legtöbb baktérium heterotrófok. Amikor a talajbaktériumok lebontják a talajban lévő szénvegyületeket, szén-dioxidot (CO2) vagy metánt (CO4) bocsátanak ki. Mindkét gáz üvegházhatású gáz, és összefüggésbe hozták őket az éghajlatváltozással.

A tudósok szerint ma több mint tízmillió különböző szénvegyület létezik a Földön. Ebben a részben négy rövid vizsgálatot fogtok végezni annak feltárására, hogy a szénatomok hogyan tudnak más típusú atomokkal egyesülni, hogy a geoszférában és a bioszférában található több millió különböző típusú szénvegyületet alkossanak. Hogy elgondolkodjatok a szén azon képességén, hogy ennyi különböző típusú szénvegyületet képes alkotni, nézzétek meg ezt a rövid NPR videoklipet: It’s All’s All About Carbon: Episode 1.

MEGJEGYZÉS: Ha a videó nem töltődik be, itt megnézhetitek a videót: Episode 1: Global Warming, It’s All’s About Carbon – YouTube Ezen a linken keresztül az NPR sorozatának további epizódjait is megnézheti.

Laboratóriumi vizsgálat 1: Bizonyíték egy kémiai változásra

×

A korallok és más héjképző szervezetek, például a kagylók, osztrigák és homárok héjuk és csontvázuk felépítéséhez kalcium-karbonátra vannak utalva.

Az imént megtekintett videóban megtanultátok, hogy a szénatomok könnyen és erősen kötődnek más atomokhoz, és így sokféle szénvegyületet alkotnak. Ebben a vizsgálatban egy új szénvegyület keletkezésének bizonyítékait fogjátok keresni, amikor két szénvegyületet hozunk össze: a saját lélegzetetekből származó CO2-t és egy Ca(OH)2 kalcium-hidroxid oldatot.

1. (osztály bemutató) A kréta kalcium-karbonátból (CaCO3) áll. Ha a krétához ecetet adunk, pezsegés keletkezik, ami azt jelzi, hogy a kréta kalcium-karbonátból áll. Az ecetes tesztet fogod használni a kalcium-karbonát jelenlétének kimutatására.
2. Vizsgáld meg a mészvizet, és írd le a megjelenését! A meszes víz a telített kalcium-hidroxid oldat, Ca(OH)2 (aq) általános elnevezése.
3. Tegye az egyik ivószálat a meszes vízbe, és óvatosan fújja bele a folyadékba. NE LÉLEGEZZEN BE, ÉS NE FÚJJON TÚL ERŐSEN. Folytassuk a szívószálon keresztül a kilégzést, amíg fehér csapadék (szilárd anyag) nem képződik. Az oldatnak nagyon tejszerűnek kell kinéznie, apró részecskékkel.
4. Tegye a kávéfiltert az üres csészére. Óvatosan öntse a meszes vizet a csészébe a szűrőn keresztül, hogy a csapadékot elválassza a folyadéktól.
5. Tegye félre a szűrőt a fehér csapadékkal, és hagyja megszáradni és megszilárdulni.
6. Tegyen egy ivószálat egy csésze normál vízbe (a meszes víz helyett) és óvatosan fújja ki. Figyeljük meg, mi történik. Ez szolgál a kísérleti kontrollként.

Kontroll

Írja le, hogy a mészvíz és a normál víz hogyan reagál különbözőképpen, ha szén-dioxid gázt adunk hozzájuk.

Mikor CO2-t adunk a meszes vízhez, az a kalcium-karbonát (CaCO3) csapadék keletkezése miatt tejszerűvé válik. A kalcium-karbonát oldhatatlan és kicsapódik (kiülepedik az oldatból): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) A szabályos víz buborékosodik a CO2 hozzáadásakor, de nem képződik csapadék.
7. Hogy bizonyítsd, hogy a meszes vízből kiszűrt anyag valóban kalcium-karbonát, a pipettával adj a csapadékhoz egy kis mennyiségű fehér ecetet.

Szén-dioxid és vízmolekulák.

Laboratóriumi vizsgálat 2: A fotoszintézis és a sejtlégzés modellezése

Ebben a vizsgálatban egy “labda és bot” molekulamodell-készlet segítségével vizsgáljátok meg, hogy a bioszféra két kulcsfontosságú folyamata, a fotoszintézis és a sejtlégzés hogyan hoz létre új szénvegyületeket. Gyűjtsétek össze az anyagokat, és kövessétek a fotoszintézis és a sejtlégzés modellezéséhez szükséges alábbi utasításokat:

×

A CO2-molekulák a leveleken keresztül jutnak a növényekbe. A H2O molekulák a növényi gyökerekből jutnak a növényekbe.

A hat szén-dioxid- és hat vízmolekula segítségével modellezzük a fotoszintézist. Íme a fotoszintézis kémiai egyenlete.

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

×

A növények és algák által a fotoszintézis folyamatával előállított glükózcukormolekula.

1. Kezdd a szén-dioxid és a víz molekulák szétválasztásával.

2. Építsd fel a glükózmolekulát a jobb oldalon látható glükózmolekula képének segítségével. Ha a képre kattintva kinagyítod, könnyen láthatod, hogyan kapcsolódnak egymáshoz a szén-, hidrogén- és oxigénatomok. MEGJEGYZÉS: Ne szedd szét a glükózmolekulát, amíg el nem kezded a 3. vizsgálatot:

3. A megmaradt oxigénatomokból és kötésekből építs hat O2 molekulát (O=O). Ezek az oxigéngázmolekulák a levegőbe kerülnek, és a földi élethez szükséges oxigén egy részét biztosítják.

×

A légzés folyamata szétbontja a glükózmolekula kémiai kötéseit, így a sejtfunkciók számára energia áll rendelkezésre. A glükózmolekulából származó atomokat a biomassza felépítésére is felhasználják. A reakció során keletkező CO2- és O2-molekulák a levélből a környező levegőbe távoznak.

4. Vizsgálja meg a jobb oldali képen látható sejtlégzés egyenletét. A sejtlégzés kémiai egyenlete:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energia a sejtfunkciókhoz

Majd válaszoljon az alábbi ellenőrző kérdésekre:

Laboratóriumi vizsgálat 3: Új biomolekulák bioszintézise glükózból

1. Vegyétek a glükózmolekulátokat és csatlakozzatok legalább egy másik csapathoz.
2. Vegyétek szét a glükózmolekulákat. MEGJEGYZÉS: Nem kell minden kötést leválasztanotok az atomokról.
3. A két csapat atomjait és kötéseit felhasználva építsetek fel egy új biomolekulát az élőlényekben keletkező szerves szénvegyületekből; példák: szénhidrátok, lipidek (zsírok, olajok, viaszok) és DNS. . A biomolekulátok bármilyen formát felvehet. Az egyetlen szabály, amit be kell tartanotok, hogy egyetlen “elektronkötéses ág” sem maradhat egy másik atommal összekapcsolatlanul. Lehetséges, hogy néhány atom és kötés megmarad, amikor felépíted a biomolekuládat. MEGJEGYZÉS: Lehet, hogy a tanárotok úgy dönt, hogy nitrogénatomokkal készít titeket. Ezeknek az atomoknak a felhasználásával fehérjemolekulákat építhettek.
4. Ha befejeztétek az új biomolekuláitok építését, hasonlítsátok össze őket más csapatok által készített más biomolekulákkal.

Az összes élőlény biomasszája főként fehérjékből, szénhidrátokból, nukleinsavakból (DNS, RNS) és lipidekből (zsírok olajok és viaszok) áll. A glükóz és más szénhidrátok szén-, hidrogén- és oxigénatomokat tartalmaznak. A bioszférában élő szervezetek azonban több millió különböző biomolekulát építenek fel, amelyek nitrogént, foszfort és ként tartalmaznak. Tény, hogy az élő szervezetek 97%-a mindössze hat elemből áll: szén, hidrogén, nitrogén, oxigén, foszfor és kén, vagy röviden CHNOPS. Más elemek, mint például a magnézium és a vas szintén fontosak, de nagyon kis mennyiségben. A talajban található, a növények növekedéséhez nélkülözhetetlen tápanyagok bármelyikének hiánya; a legfontosabb talaj tápanyagok a nitrogén, a foszfor, a magnézium és a kén. korlátozza a növények növekedését és a szén tárolását. Ebben a vizsgálatban több biomolekula Jmol-képét vizsgáljátok meg, és azonosítjátok az egyes elem(atom)típusokat.

1. Készíts egy három oszlopos táblázatot a laborfüzetedbe vagy egy külön papírra. Adjatok a táblázatotoknak a következő címszavakat:

• A oszlop = A biomolekula neve (pl. DNS, fruktóz stb.);
• B oszlop = A biomolekula típusa (pl. szénhidrát, fehérje stb.);
• C oszlop = Az atomok (elemek) típusai. Használja az első betűket (C H N O P P S Mg I);

×

Fruktóz, egy szénhidrát gyümölcscukor. Amikor gyümölcsöt, például almát és narancsot eszel, fruktózt fogyasztasz.

×

DNS, egy nukleinsav. A DNS-t gyakran nevezik az élet tervrajzának, mivel tartalmazza az organizmusok genetikai utasításait ahhoz, hogy felépítsék magukat és végrehajtsák minden élettevékenységüket. DNS nélkül egy szervezet nem épül fel. A DNS-nek ez az ábrázolása a teljes DNS-molekulának csak egy nagyon kis szegmensét ábrázolja.

×

A cellulóz, egy szénhidrát. A növények rostos és fás részei hosszú láncokba kapcsolt cellulózmolekulákból állnak. A cellulóz rostos jellege biztosítja a növények szerkezetét, hogy egyenesen álljanak. A fák körülbelül 50-53%-ban cellulózból állnak, a fafajtól függően.

×

Klorofill, egy zöld pigmentmolekula. A növények ezt a pigmentet használják a nap energiájának elnyelésére a fotoszintézishez. A klorofill egy olyan biomolekula példája, amely nem tartozik egyetlen meghatározott csoportba sem (pl. szénhidrátok, nukleinsavak, fehérjék, lipidek) Megtalálod a magnéziumatomot?

×

Cytokróm C, egy növényi fehérje. A fehérjék olyan makromolekulák, amelyeket minden élő szervezet bioszintetizál, és sokféle, az élet szempontjából kritikus funkcióval rendelkeznek. A citokróm c például egy olyan fehérje, amelyre a növényeknek és más szervezeteknek a sejtlégzéshez van szükségük. Meg tudod találni a kénatomokat és a két vasatomot ebben a citokróm fehérjemolekulában?

×

Egy aminosav- egy fehérje része. A szervezetek több száz aminosavból építenek fel teljes fehérjéket. A jobb oldali képen látható citokróm c molekula egy teljes fehérje, amely sok aminosavból áll.

Választható bővítések

Szénvegyületekről, biomolekulákról, CHNOPS-ról, talajtápanyagokról és másról szeretne többet megtudni? Nézze meg ezeket a forrásokat.

• Kutassa a legújabb kutatásokat! A szénciklussal, az éghajlattal és a környezettel kapcsolatos új kutatások folyamatosan zajlanak. A ScienceDaily és a Phys.org segítségével a szénciklus és más biokémiai ciklusok közötti kapcsolatra vonatkozó legújabb kutatások után kutathat a következő címkék kombinációinak használatával: carbon cycle, carbon storage/sequestration, CO2 fertilization, trees, forests, soil nutrients. Íme egy példa:
• A MolView segítségével számos különböző típusú szervezet által előállított Jmol biomolekulák felfedezéséhez

.