Partea C: Formarea compușilor de carbon

×

Geosfera și biosfera sunt cele două componente ale sistemului Pământului; geosfera este denumirea colectivă pentru litosferă, hidrosferă, criosferă și atmosferă. Toate părțile Sistemului Pământului interacționează și sunt interconectate prin procesele climatice și prin ciclul apei și ciclurile biogeochimice. Soarele este sursa dominantă a întregii energii externe a sistemului terestru. Diagramă concepută de James A. Tomberlin, USGS.

În ciclul carbonului, atomii de carbon sunt în continuă mișcare, intrând și ieșind din diferite componente ale biosferei și geosferei. Atomii de carbon nu ciclează ca atomi individuali, ci se deplasează ca parte a compușilor de carbon, unii mici și simpli, iar alții mari și foarte complecși. Ciclul carbonului este strâns cuplat cu alte cicluri biogeochimice – cicluri ale altor elemente chimice, cum ar fi azotul, fosforul, sulful și fierul, care intră și ies din diferite componente ale geosferei și biosferei. . De exemplu, mulți compuși ai carbonului produși de organismele vii conțin atomi de azot și fosfor.

×

Ciclul global al carbonului care arată căile (săgețile) de deplasare a atomilor de carbon de la o parte la alta a ciclului carbonului. Literele mov se referă la locurile în care există compuși ai carbonului, iar literele portocalii se referă la procesele care determină deplasarea carbonului de-a lungul căilor.

Luați în considerare imaginea ciclului global al carbonului ilustrată în dreapta, (faceți clic pentru a mări imaginea). Fiecare săgeată reprezintă o cale pe care atomii de carbon o parcurg în timp ce se deplasează prin geosferă și biosferă. Unii dintre acești compuși ai carbonului se deplasează rapid dintr-o parte în alta a ciclului carbonului, în timp ce alții sunt stocați timp de milioane și milioane de ani. Pe măsură ce compușii de carbon se deplasează de-a lungul geosferei și biosferei, aceștia suferă multe modificări chimice diferite. Aceste schimbări chimice (transformări) necesită ruperea și crearea de legături chimice între atomi. Unele dintre aceste modificări chimice par destul de minore, dar pot avea influențe majore asupra ciclului carbonului, a climei și a mediului. De exemplu, atunci când plantele transformă CO2 anorganic în zaharuri organice (C6H12C6), ele furnizează hrană pentru hrana animalelor și a altor organisme heterotrofe care nu își pot produce propria hrană și care, în schimb, își obțin hrana și energia prin absorbția de substanțe organice, de obicei materii vegetale sau animale; animalele, protozoarele, ciupercile și majoritatea bacteriilor sunt heterotrofe. Atunci când bacteriile din sol descompun compușii de carbon din sol, acestea eliberează dioxid de carbon (CO2) sau metan (CO4). Aceste două gaze sunt gaze cu efect de seră și au fost asociate cu schimbările climatice.

Științii estimează că peste zece milioane de compuși de carbon diferiți există în prezent pe Pământ. În această secțiune, veți efectua patru investigații scurte pentru a explora modul în care atomii de carbon se pot uni cu alte tipuri de atomi pentru a forma milioanele de tipuri diferite de compuși de carbon care pot fi găsite în geosferă și biosferă. Pentru a începe să vă gândiți la capacitatea carbonului de a forma atât de multe tipuri diferite de compuși ai carbonului, urmăriți acest scurt clip video NPR, It’s All About Carbon: Episode 1.

NOTA: Dacă videoclipul nu se încarcă, îl puteți urmări aici: Episodul 1: Global Warming, It’s All About Carbon – YouTube Puteți, de asemenea, să urmați acest link unde puteți urmări și alte episoade din acest serial NPR.

Investigație de laborator 1: Dovezi pentru o schimbare chimică

×

Corali și alte organisme care construiesc cochilii, cum ar fi scoicile, stridiile și homarii, depind de carbonatul de calciu pentru a-și construi cochiliile și scheletele.

În videoclipul pe care tocmai l-ați vizionat, ați învățat că atomii de carbon se leagă ușor și puternic cu alți atomi pentru a forma multe tipuri diferite de compuși de carbon. În această investigație, veți căuta dovezi ale formării unui nou compus al carbonului atunci când doi compuși ai carbonului sunt aduși împreună: CO2 din propria respirație și o soluție de hidroxid de calciu Ca(OH)2.

1. (Demonstrație în clasă) Creta este formată din carbonat de calciu (CaCO3). Când se adaugă oțet la cretă, se produce o efervescență care indică faptul că creta este formată din carbonat de calciu. Veți folosi testul cu oțet pentru a indica prezența carbonatului de calciu.
2. Examinați apa de var și descrieți-i aspectul. Apa de var este denumirea uzuală pentru soluția saturată de hidroxid de calciu, Ca(OH)2 (aq).
3. Puneți una dintre paiele de băut în apa de var și suflați ușor în lichid. NU INHALAȚI ȘI NU SUFLAȚI PREA TARE. Continuați să expirați prin pai până când se formează un precipitat alb (solid). Soluția ar trebui să aibă un aspect foarte lăptos, cu particule mici.
4. Puneți filtrul de cafea peste ceașca goală. Turnați cu grijă apa calcaroasă în ceașcă prin filtru pentru a separa precipitatul de lichid.
5. Puneți filtrul cu precipitat alb deoparte și lăsați-l să se usuce și să se solidifice.
6. Puneți un pai de băut într-o ceașcă cu apă obișnuită (în loc de apă calcaroasă) și suflați ușor. Observați ce se întâmplă. Aceasta servește drept control experimental.

Verificare

Descrieți modul în care apa calcaroasă și apa obișnuită reacționează diferit atunci când se adaugă dioxid de carbon gazos în fiecare dintre ele.

Când se adaugă CO2 la apa de var, aceasta devine lăptoasă din cauza producerii unui precipitat de carbonat de calciu (CaCO3). Carbonatul de calciu este insolubil și precipită (se depune din soluție): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) Apa obișnuită face bule pe măsură ce se adaugă CO2, dar nu se formează precipitat.
7. Pentru a dovedi că substanța pe care ați filtrat-o din apa de var este într-adevăr carbonat de calciu, folosiți pipeta pentru a adăuga o cantitate mică de oțet alb la precipitat.

Moleculele de dioxid de carbon și apă.

Investigația de laborator 2: Modelarea fotosintezei și a respirației celulare

În această investigație, veți folosi un kit de modele moleculare de tip “bilă și băț” pentru a investiga modul în care cele două procese cheie ale biosferei, fotosinteza și respirația celulară, creează noi compuși de carbon. Adunați-vă materialele și urmați instrucțiunile pentru modelarea fotosintezei și a respirației celulare de mai jos:

×

Moleculele de CO2 pătrund în plante prin frunze. Moleculele de H2O pătrund în plante prin rădăcinile plantelor.

Folosiți cele șase molecule de dioxid de carbon și cele șase molecule de apă pentru a modela fotosinteza. Iată ecuația chimică pentru fotosinteză.

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

×

O moleculă de zahăr glucoză produsă de plante și alge prin procesul de fotosinteză.

1. Începeți prin a despărți moleculele de dioxid de carbon și de apă.

2. Construiți molecula de glucoză folosind ca ghid imaginea unei molecule de glucoză ilustrată în dreapta. Dacă faceți clic pentru a mări imaginea, veți vedea cu ușurință cum atomii de carbon, hidrogen și oxigen sunt legați între ei. NOTĂ: Nu demontați molecula de glucoză până când nu începeți Investigația 3:

3. Folosiți atomii și legăturile de oxigen rămase pentru a construi șase molecule de O2 (O=O). Aceste molecule de oxigen gazos sunt eliberate în aer și furnizează o parte din oxigenul necesar vieții pe Pământ.

×

Procesul de respirație rupe legăturile chimice din molecula de glucoză, făcând energia disponibilă pentru funcțiile celulare. Atomii din molecula de glucoză sunt, de asemenea, utilizați pentru a construi biomasă. Moleculele de CO2 și O2 produse în această reacție ies din frunză și se deplasează în aerul înconjurător.

4. Examinați ecuația pentru respirația celulară ilustrată în dreapta. Ecuația chimică pentru respirația celulară este:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energie pentru funcțiile celulare

În continuare, răspundeți la întrebările de verificare de mai jos:

Investigația de laborator 3: Biosintetizarea de noi biomolecule din glucoză

1. Primiți molecula de glucoză și alăturați-vă cel puțin unei alte echipe.
2. Dispărțiți moleculele de glucoză. NOTĂ: Nu trebuie să deconectați toate legăturile de la atomi.
3. Utilizați atomii și legăturile din ambele echipe pentru a construi o nouă biomoleculă compuși organici de carbon produși în ființele vii; exemplele includ carbohidrații, lipidele(grăsimi, solzi, ceruri) și ADN-ul. . Biomolecula ta poate lua orice formă dorești. Singura regulă pe care trebuie să o respectați este să nu lăsați nici o “priză de legătură electronică” neconectată la un alt atom. Este posibil să vă rămână câțiva atomi și legături atunci când vă construiți biomolecula. NOTĂ: Este posibil ca profesorul dumneavoastră să decidă să vă producă cu atomi de azot. Folosirea acestor atomi vă va permite să construiți molecule de proteine.
4. Când ați terminat de construit noile voastre biomolecule, comparați-le cu alte biomolecule realizate de alte echipe.

Biomasa tuturor organismelor este compusă în principal din proteine, carbohidrați, acizi nucleici (ADN, ARN) și lipide (uleiuri și ceruri grase). Glucoza și alți carbohidrați conțin atomi de carbon, hidrogen și oxigen. Cu toate acestea, organismele din biosferă construiesc milioane de biomolecule diferite care conțin azot, fosfor și sulf. De fapt, 97% dintr-un organism viu este alcătuit din numai șase elemente: carbon, hidrogen, azot, oxigen, fosfor și sulf sau, pe scurt, CHNOPS. Alte elemente, cum ar fi magneziul și fierul, sunt de asemenea importante, dar în cantități foarte mici. Lipsa oricăruia dintre acești nutrienți din solnutrienți din sol care sunt esențiali pentru creșterea plantelor; printre cei mai importanți nutrienți din sol se numără azotul, fosforul, magneziul și sulful. va limita creșterea plantelor și stocarea carbonului. În această investigație, veți examina mai multe imagini Jmol ale unor biomolecule și veți identifica tipurile de elemente(atomi) din fiecare dintre ele.

1. Realizați un grafic pe trei coloane în caietul de laborator sau pe o foaie de hârtie separată. Dați graficului dumneavoastră următoarele rubrici:

• Coluna A = Denumirea biomoleculei (ex. ADN, fructoză etc.);
• Coluna B = Tipul de biomoleculă (ex. glucide, proteine etc.);
• Coluna C = Tipuri de atomi (elemente). Folosiți primele litere (C H N N O P S Mg I);

×

Fructoza, un carbohidrat zahăr din fructe. Când mâncați fructe, cum ar fi merele și portocalele, consumați fructoză.

×

ADN, un acid nucleic. ADN-ul este adesea numit planul vieții, deoarece conține instrucțiunile genetice pentru ca organismele să se construiască și să desfășoare toate activitățile vieții lor. Fără ADN, un organism nu se construiește. Această vizualizare a ADN-ului nu reprezintă decât un segment foarte mic dintr-o întreagă moleculă de ADN.

×

Celuloză, un carbohidrat. Părțile fibroase și lemnoase ale plantelor sunt alcătuite din molecule de celuloză unite între ele în lanțuri lungi. Natura fibroasă a celulozei asigură structura pentru ca plantele să stea în poziție verticală. Copacii sunt compuși în proporție de aproximativ 50% până la 53% din celuloză, în funcție de specia de copac.

×

Clorofila, o moleculă de pigment verde. Plantele folosesc acest pigment pentru a absorbi energia de la soare pentru fotosinteză. Clorofila este un exemplu de biomoleculă care nu aparține niciunei grupe specifice (de exemplu, carbohidrați, acizi nucleici, proteine, lipide) Puteți găsi atomul de magneziu?

×

Citocromul C, o proteină vegetală. Proteinele sunt macromolecule biosintetizate de toate organismele vii și au funcții diverse care sunt esențiale pentru viață. De exemplu, citocromul c este o proteină de care plantele și alte organisme au nevoie pentru a efectua respirația celulară. Puteți găsi atomii de sulf și cei doi atomi de fier din această moleculă de proteină de citocrom?

×

Un aminoacid- parte a unei proteine. Organismele construiesc proteine complete din sute de aminoacizi. Molecula de citocrom c ilustrată în dreapta este o proteină completă formată din mai mulți aminoacizi.

Extinderi opționale

Vreți să învățați mai multe despre compușii carbonului, biomolecule, CHNOPS, nutrienții solului și multe altele? Consultați aceste resurse.

• Cercetați cele mai recente cercetări! Noi cercetări privind ciclul carbonului, clima și mediul sunt în curs de desfășurare. Puteți utiliza ScienceDaily și Phys.org pentru a cerceta cercetările recente privind relația dintre ciclul carbonului și alte cicluri biochimice, utilizând combinații ale următoarelor etichete: ciclul carbonului, stocarea/sechestrarea carbonului, fertilizarea cu CO2, copaci, păduri, nutrienți din sol. Iată un exemplu: Substanțele nutritive din sol limitează capacitatea plantelor de a încetini schimbările climatice
• Utilizați MolView pentru a explora biomoleculele Jmol realizate de mai multe tipuri diferite de organisme.