Parte C: Construindo Compostos de Carbono

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>A geosfera e a biosfera são os dois componentes do Sistema Terra; a geosfera é o nome coletivo para a litosfera, a hidrosfera, a criosfera e a atmosfera. Todas as partes do Sistema Terra interagem e estão inter-relacionadas através de processos climáticos e através do ciclo da água e dos ciclos biogeoquímicos. O Sol é a fonte dominante de toda a energia externa para o Sistema Terra. Diagrama desenhado por James A. Tomberlin, USGS.

No ciclo do carbono, os átomos de carbono estão constantemente em movimento, entrando e saindo de diferentes componentes da biosfera e da geosfera. Os átomos de carbono não se movem como átomos individuais, mas sim como parte de compostos de carbono, alguns pequenos e simples e outros grandes e altamente complexos. O ciclo do carbono é estreitamente associado a outros ciclos biogeoquímicos de outros elementos químicos, tais como nitrogénio, fósforo, enxofre e ferro, que entram e saem de diferentes componentes da geosfera e da biosfera. . Por exemplo, muitos compostos de carbono produzidos por organismos vivos contêm átomos de nitrogênio e fósforo.

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O Ciclo Carbono Global mostrando caminhos (setas) de átomos de carbono de uma parte do ciclo do carbono para outra. As letras roxas referem-se a onde existem compostos de carbono e as letras laranja referem-se a processos que fazem com que o carbono se mova ao longo dos caminhos.

Considere a imagem do ciclo global de carbono retratado à direita, (clique para ampliar a imagem). Cada seta representa um caminho que os átomos de carbono percorrem à medida que se movem ao longo da Geosfera e da Biosfera. Alguns destes compostos de carbono movem-se rapidamente de uma parte do ciclo do carbono para outra enquanto outros são armazenados durante milhões e milhões de anos. À medida que os compostos de carbono se movimentam ao longo da Geosfera e da Biosfera, eles sofrem muitas mudanças químicas diferentes. Estas mudanças químicas (transformações) requerem a quebra e construção de ligações químicas entre os átomos. Algumas dessas mudanças químicas parecem ser bem menores, mas podem ter grandes influências sobre o ciclo do carbono, o clima e o meio ambiente. Por exemplo, quando as plantas convertem CO2 inorgânico em açúcares orgânicos (C6H12C6), elas fornecem alimento para animais e outros organismos heterotróficos que não podem fabricar seus próprios alimentos e, em vez disso, obtêm seu alimento e energia ingerindo substâncias orgânicas, geralmente matéria vegetal ou animal; animais, protozoários, fungos e a maioria das bactérias são heterotróficos. Quando as bactérias do solo decompõem compostos de carbono no solo, libertam dióxido de carbono (CO2) ou metano (CO4). Ambos os gases são gases com efeito de estufa e foram ligados às alterações climáticas.

Os cientistas prevêem que mais de dez milhões de compostos de carbono diferentes existem hoje em dia na Terra. Nesta seção, você vai realizar quatro pequenas investigações para explorar como os átomos de carbono podem se juntar a outros tipos de átomos para formar os milhões de diferentes tipos de compostos de carbono que podem ser encontrados na Geosfera e Biosfera. Para começar a pensar na capacidade do carbono de formar tantos tipos diferentes de compostos de carbono, veja este pequeno vídeo NPR, It’s All About Carbon: Episode 1.

NOTE: Se o vídeo não carregar, você pode ver o vídeo aqui: Episódio 1: Aquecimento Global, It’s All About Carbon – YouTube Você também pode seguir este link onde você pode assistir outros episódios desta série NPR.

Investigação Laboratorial 1: Evidência para uma Mudança Química

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Corais e outros organismos construtores de conchas como amêijoas, ostras e lagostas dependem do carbonato de cálcio para construir as suas conchas e esqueletos.

No vídeo que acabou de ver, aprendeu que os átomos de carbono ligam-se fácil e fortemente com outros átomos para formar muitos tipos diferentes de compostos de carbono. Nesta investigação, você vai procurar evidências da formação de um novo composto de carbono quando dois compostos de carbono são reunidos: o CO2 da sua própria respiração e uma solução de hidróxido de cálcio Ca(OH)2.

1. (Demonstração de classe) O giz é feito de carbonato de cálcio (CaCO3). Quando o vinagre é adicionado ao giz, ocorre a efervescência indicando que o giz é feito de carbonato de cálcio. Você usará o teste do vinagre para indicar a presença de carbonato de cálcio.
2. Examinar a água calcária e descrever o seu aspecto. Limewater é o nome comum da solução saturada de hidróxido de cálcio, Ca(OH)2 (aq).
3. Colocar uma das palhinhas na água da cal e soprar suavemente para o líquido. NÃO INALAR OU SOPRAR COM DEMASIADA FORÇA. Continue a exalar através da palha até que se forme um precipitado branco (sólido). A solução deve parecer muito leitosa com pequenas partículas.
4. Coloque o filtro de café sobre a chávena vazia. Deite cuidadosamente a água de cal na chávena através do filtro para separar o precipitado do líquido.
5. Põe de lado o filtro com o precipitado branco e deixa-o secar e solidificar.
6. Coloca uma palhinha para beber numa chávena de água normal (em vez de água calcária) e sopra suavemente. Observe o que acontece. Isto serve como seu controle experimental.

Check In

Descreva como a água calcária e a água normal reagem de forma diferente quando gás carbônico é adicionado a cada uma delas.

Quando o CO2 é adicionado à água de cal, esta torna-se leitosa devido à produção de um precipitado de carbonato de cálcio (CaCO3). O carbonato de cálcio é insolúvel e precipita-se (sedimenta-se a partir da solução): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) A água normal borbulha à medida que o CO2 é adicionado, mas não se formam precipitados.
7. Para provar que a substância filtrada da água de cal é de facto carbonato de cálcio, use a conta-gotas para adicionar uma pequena quantidade de vinagre branco ao precipitado.

Dióxido de carbono e moléculas de água.

Investigação Laboratorial 2: Modelagem da Fotossíntese e Respiração Celular

Nesta investigação, você usará um kit de modelo molecular “bola e bastão” para investigar como os dois processos chave da biosfera da fotossíntese e da respiração celular criam novos compostos de carbono. Reúna seus materiais e siga as instruções para modelagem da fotossíntese e respiração celular abaixo:

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Moléculas de CO2 entram nas plantas através das folhas. As moléculas de H2O entram nas plantas a partir das raízes das plantas. Use as seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água para modelar a fotossíntese. Aqui está a equação química para a fotossíntese.

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

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Uma molécula de açúcar de glicose produzida por plantas e algas através do processo de fotossíntese.

1. Comece por separar o dióxido de carbono e as moléculas de água.

2. Construa a sua molécula de glicose usando a imagem de uma molécula de glicose retratada à direita para o guiar. Se clicar para ampliar a imagem, verá facilmente como os átomos de carbono, hidrogénio e oxigénio estão ligados uns aos outros. NOTA: Não desmonte a molécula de glucose até começar a Investigação 3:

3. Use os átomos de oxigénio restantes e liga-se para construir seis moléculas de O2 (O=O). Estas moléculas de oxigénio gasoso são libertadas para o ar e fornecem algum do oxigénio necessário à vida na terra.

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O processo de respiração rompe as ligações químicas na molécula de glucose, disponibilizando energia para as funções celulares. Os átomos da molécula de glicose também são utilizados para construir biomassa. As moléculas de CO2 e O2 produzidas nesta reacção saem da folha para o ar circundante.

4. Examine a equação da respiração celular retratada à direita. A equação química para a respiração celular é:

C6H12O6 + 6O2===> 6CO2 + 6H2O + energia para as funções celulares

Então, responda as questões do Checking In abaixo:

Investigação Laboratorial 3: Biossíntese de novas biomoléculas de glicose

1. Leve a sua molécula de glicose e junte-se a pelo menos uma outra equipa.
2. Separar as moléculas de glicose. NOTA: Você não precisa desconectar todas as ligações dos átomos.
3. Utilize os átomos e ligações de ambas as equipes para construir uma nova biomolécula de compostos orgânicos de carbono produzidos em seres vivos; exemplos incluem carboidratos, lipídios (gordura, solos, ceras), e DNA. A sua biomolécula pode tomar qualquer forma que você quiser. A única regra que você deve seguir é que nenhuma “ligação de elétrons” é deixada sem ligação com outro átomo. É possível ter alguns átomos e laços sobrando quando você constrói a sua biomolécula. NOTA: O seu professor pode decidir produzi-lo com átomos de azoto. Usar estes átomos permitir-lhe-á construir moléculas de proteínas.
4. Quando terminar de construir as suas novas biomoléculas, compare-as com outras biomoléculas feitas por outras equipas.

A biomassa de todos os organismos é composta principalmente de proteínas, carboidratos, ácidos nucléicos (DNA, RNA), e lipídios (óleos gordurosos e ceras). A glicose e outros carboidratos contêm carbono, hidrogênio e átomos de oxigênio. No entanto, organismos na biosfera constroem milhões de biomoleculas diferentes que contêm nitrogênio, fósforo e enxofre. De facto, 97% de um organismo vivo é feito de apenas seis elementos; carbono, hidrogénio, nitrogénio, oxigénio, fósforo e enxofre ou CHNOPS, para abreviar. Outros elementos como o magnésio e o ferro também são importantes, mas em quantidades muito pequenas. A falta de qualquer destes nutrientes no solo que são essenciais para o crescimento das plantas; os nutrientes mais importantes do solo incluem nitrogênio, fósforo, magnésio e enxofre. limitará o crescimento das plantas e o armazenamento de carbono. Nesta investigação, você examinará várias imagens Jmol de biomoléculas e identificará os tipos de elementos (átomos) em cada.

1. Faça uma tabela de três colunas no seu caderno de notas de laboratório ou numa folha de papel separada. Dê ao seu gráfico os seguintes títulos:

• Coluna A = Nome da biomolécula (ex. DNA, frutose, etc.);
• Coluna B = Tipo de biomolécula (ex. carboidrato, proteína, etc.);
• Coluna C = Tipos de átomos (elementos). Use as primeiras letras (C H N O P S Mg I);

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Frutose, um açúcar de fruta carboidrato. Quando você come frutas como maçãs e laranjas, você está comendo frutose.

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DNA, um ácido nucleico. O DNA é muitas vezes chamado de plano de vida porque contém as instruções genéticas para os organismos se construírem e realizarem todas as atividades de sua vida. Sem o ADN, um organismo não se constrói. Esta visualização do DNA representa apenas um segmento muito pequeno de uma molécula inteira de DNA.

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Celulose, um carboidrato. As partes fibrosas e lenhosas das plantas são feitas de moléculas de celulose unidas entre si em longas cadeias. A natureza fibrosa da celulose fornece a estrutura para que as plantas fiquem em pé. As árvores são aproximadamente 50% a 53% de celulose, dependendo da espécie da árvore.

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Clorofila, uma molécula de pigmento verde. As plantas utilizam este pigmento para absorver a energia do sol para a fotossíntese. A clorofila é um exemplo de uma biomolécula que não pertence a nenhum grupo específico (ou seja, carboidratos, ácidos nucléicos, proteínas, lípidos).

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Cytochrome C, uma proteína vegetal. As proteínas são macromoléculas biosintetizadas por todos os organismos vivos e têm diversas funções que são críticas para a vida. Por exemplo, o citocromo c é uma proteína necessária às plantas e a outros organismos para realizar a respiração celular. Pode-se encontrar os átomos de enxofre e os dois átomos de ferro nesta molécula de proteína do citocromo?

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> Um aminoácido – parte de uma proteína. Os organismos constroem proteínas completas a partir de centenas de aminoácidos. A molécula de citocromo c retratada à direita é uma proteína completa feita de muitos aminoácidos.

Opcionais Extensões

Quer saber mais sobre compostos de carbono, biomoléculas, CHNOPS, nutrientes do solo e mais? Confira estes recursos.

• Pesquisar as últimas pesquisas! Novas pesquisas sobre o ciclo do carbono, o clima e o meio ambiente estão em andamento. Você pode usar ScienceDaily e Phys.org para pesquisar pesquisas recentes sobre a relação entre o ciclo do carbono e outros ciclos bioquímicos usando combinações dos seguintes tags: ciclo do carbono, armazenamento/sequestro de carbono, fertilização com CO2, árvores, florestas, nutrientes do solo. Aqui está um exemplo: Os nutrientes do solo limitam a capacidade das plantas de retardar as mudanças climáticas
• Utilizar MolView para explorar biomoléculas Jmol feitas por muitos tipos diferentes de organismos.