Del C: Byggande av kolföreningar

×

Geosfären och biosfären är de två komponenterna i jordsystemet; geosfären är ett samlingsnamn för litosfären, hydrosfären, kryosfären och atmosfären. Alla delar av jordsystemet interagerar och står i ett ömsesidigt förhållande till varandra genom klimatprocesser och genom vattencykeln och biogeokemiska cykler. Solen är den dominerande källan till all extern energi till jordsystemet. Diagram utformat av James A. Tomberlin, USGS.

I kolcykeln är kolatomer ständigt i rörelse och cyklar in och ut ur olika komponenter i biosfären och geosfären. Kolatomer cirkulerar inte som enskilda atomer utan rör sig i stället som en del av kolföreningar, vissa små och enkla och andra stora och mycket komplexa. Kolcykeln är nära kopplad till andra biogeokemiska kretslopp – kretslopp av andra kemiska grundämnen som kväve, fosfor, svavel och järn – som rör sig in i och ut ur olika delar av geosfären och biosfären. . Många kolföreningar som produceras av levande organismer innehåller till exempel kväve- och fosforatomer.

×

Den globala kolcykeln som visar vägar (pilar) för kolatomer från en del av kolcykeln till en annan. Lila bokstäver hänvisar till var kolföreningar finns och orange bokstäver hänvisar till processer som gör att kolet rör sig längs banorna.

Betrakta bilden av den globala kolcykeln till höger (klicka för att förstora bilden). Varje pil representerar en väg som kolatomer tar när de rör sig genom geosfären och biosfären. Vissa av dessa kolföreningar rör sig snabbt från en del av kolcykeln till en annan medan andra lagras i miljontals och åter miljontals år. När kolföreningar rör sig genom geosfären och biosfären genomgår de många olika kemiska förändringar. Dessa kemiska förändringar (omvandlingar) kräver att kemiska bindningar mellan atomerna bryts och byggs upp. Vissa av dessa kemiska förändringar verkar ganska små men kan ha stor betydelse för kolcykeln, klimatet och miljön. När växter till exempel omvandlar oorganisk koldioxid till organiskt socker (C6H12C6) ger de föda till djur och andra heterotrofa organismer organismer som inte kan tillverka sin egen föda och som i stället får sin föda och energi genom att ta in organiska ämnen, vanligen vegetabiliskt eller animaliskt material; djur, protozoer, svampar och de flesta bakterier är heterotrofa organismer. När jordbakterier bryter ner kolföreningar i jorden frigör de koldioxid (CO2) eller metan (CO4). Båda dessa gaser är växthusgaser och har kopplats till klimatförändringar.

Vetenskapsmännen förutspår att det finns mer än tio miljoner olika kolföreningar på jorden i dag. I det här avsnittet ska du genomföra fyra korta undersökningar för att utforska hur kolatomer kan förenas med andra typer av atomer för att bilda de miljontals olika typer av kolföreningar som finns i geosfären och biosfären. För att få dig att börja tänka på kolets förmåga att bilda så många olika typer av kolföreningar kan du titta på det här korta videoklippet från NPR, It’s All About Carbon: Episode 1.

OBS: Om videon inte laddas kan du titta på videon här: Du kan också följa den här länken där du kan se andra avsnitt av denna NPR-serie.

Laboratorieundersökning 1: Bevis för en kemisk förändring

×

Koraller och andra skalbyggande organismer, t.ex. musslor, ostron och hummer, är beroende av kalciumkarbonat för att bygga sina skal och skelett.

I videon du just tittade på lärde du dig att kolatomer binder lätt och starkt med andra atomer för att bilda många olika typer av kolföreningar. I den här undersökningen ska du leta efter bevis för att en ny kolförening bildas när två kolföreningar förs samman: koldioxid från din egen andedräkt och en lösning av kalciumhydroxid Ca(OH)2.

1. (Klassdemonstration) Krita är tillverkad av kalciumkarbonat (CaCO3). När ättika tillsätts till krita uppstår ett bubblande, vilket tyder på att krita är gjord av kalciumkarbonat. Du kommer att använda ätartestet för att indikera förekomsten av kalciumkarbonat.
2. Undersök kalkvattnet och beskriv dess utseende. Kalkvatten är det vanliga namnet på mättad kalciumhydroxidlösning, Ca(OH)2 (aq).
3. Placera ett av sugrören i kalkvattnet och blås försiktigt in i vätskan. INANDAS INTE OCH BLÅS INTE FÖR HÅRT. Fortsätt att andas ut genom sugröret tills en vit utfällning (fast ämne) bildas. Lösningen ska se mycket mjölkig ut med små partiklar.
4. Placera kaffefiltret över den tomma koppen. Häll försiktigt upp kalkvattnet i koppen genom filtret för att separera utfällningen från vätskan.
5. Sätt filtret med den vita utfällningen åt sidan och låt det torka och stelna.
6. Placera ett sugrör i en kopp med vanligt vatten (i stället för kalkvatten) och blås försiktigt. Observera vad som händer. Detta fungerar som din experimentella kontroll.

Kontroll

Beskriv hur kalkvatten och vanligt vatten reagerar olika när koldioxidgas tillsätts till vardera.

När koldioxid tillsätts till kalkvatten blir det mjölkigt på grund av att det bildas en utfällning av kalciumkarbonat (CaCO3). Kalciumkarbonat är olösligt och fäller ut (sätter sig ur lösningen): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) Det vanliga vattnet bubblar när CO2 tillsätts, men ingen fällning bildas.
7. För att bevisa att ämnet som du filtrerade ut ur kalkvattnet verkligen är kalciumkarbonat använder du pipetten för att tillsätta en liten mängd vit vinäger till utfällningen.

Koldioxid- och vattenmolekyler.

Laborationsundersökning 2: Modellering av fotosyntes och cellandning

I den här undersökningen kommer du att använda ett molekylärt modellkit med “boll och pinne” för att undersöka hur de två nyckelprocesserna i biosfären, fotosyntes och cellandning, skapar nya kolföreningar. Samla ihop ditt material och följ instruktionerna för modellering av fotosyntes och cellandning nedan:

×

CO2-molekyler kommer in i växterna genom bladen. H2O-molekyler rör sig in i växterna från växtrötterna. Använd de sex koldioxid- och sex vattenmolekylerna för att modellera fotosyntesen. Här är den kemiska ekvationen för fotosyntesen.

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

×

En glukossockermolekyl som produceras av växter och alger via fotosyntesen.

1. Börja med att ta isär koldioxid- och vattenmolekylerna.

2. Bygg din glukosmolekyl med hjälp av bilden av en glukosmolekyl till höger som vägledning. Om du klickar för att förstora bilden kan du lätt se hur kol-, väte- och syreatomerna är bundna till varandra. OBS: Ta inte isär glukosmolekylen förrän du börjar Undersökning 3:

3. Använd de återstående syreatomerna och bindningarna för att bygga sex O2-molekyler (O=O). Dessa syrgasmolekyler släpps ut i luften och ger en del av det nödvändiga syret för livet på jorden.

×

Respirationsprocessen bryter sönder de kemiska bindningarna i glukosmolekylen, vilket gör energi tillgänglig för cellfunktioner. Atomer från glukosmolekylen används också för att bygga upp biomassa. De CO2- och O2-molekyler som produceras i denna reaktion rör sig ut ur bladet och ut i den omgivande luften.

4. Undersök ekvationen för cellandning som avbildas till höger. Den kemiska ekvationen för cellandning är:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energi för cellfunktioner

Besvara sedan frågorna om kontroll nedan:

Laboratorieundersökning 3: Biosyntes av nya biomolekyler från glukos

1. Ta din glukosmolekyl och gå samman med minst ett annat lag.
2. Ta isär glukosmolekylerna. OBS: Ni behöver inte koppla bort alla bindningar från atomerna.
3. Använd atomer och bindningar från båda lagen för att bygga en ny biomolekyl organiska kolföreningar som produceras i levande varelser; exempel är kolhydrater, lipider (fett, oljor, vaxer) och DNA. Din biomolekyl kan ta vilken form som helst. Den enda regel som du måste följa är att ingen “elektronbindningsdel” inte får vara obunden med en annan atom. Det är möjligt att ha några atomer och bindningar kvar när du bygger din biomolekyl. OBS: Din lärare kanske bestämmer sig för att producera dig med kväveatomer. Om du använder dessa atomer kan du bygga proteinmolekyler.
4. När du är klar med att bygga dina nya biomolekyler ska du jämföra dem med andra biomolekyler som andra lag har tillverkat.

Biomassan hos alla organismer består till största delen av proteiner, kolhydrater, nukleinsyror (DNA, RNA) och lipider (fetter oljor och vaxer). Glukos och andra kolhydrater innehåller kol-, väte- och syreatomer. Organismerna i biosfären bygger dock upp miljontals olika biomolekyler som innehåller kväve, fosfor och svavel. Faktum är att 97 procent av en levande organism består av endast sex grundämnen: kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel (CHNOPS). Andra grundämnen som magnesium och järn är också viktiga, men i mycket små mängder. Brist på något av dessa näringsämnen i jordennäringsämnen i jorden som är viktiga för växternas tillväxt; de viktigaste näringsämnena i jorden är kväve, fosfor, magnesium och svavel. kommer att begränsa växternas tillväxt och kolinlagring. I den här undersökningen kommer du att undersöka flera Jmol-bilder av biomolekyler och identifiera vilka typer av grundämnen (atomer) som ingår i var och en av dem.

1. Gör ett diagram med tre kolumner i din labbbok eller på ett separat papper. Ge diagrammet följande rubriker:

• Kolumn A = biomolekylens namn (t.ex. DNA, fruktos osv.);
• Kolumn B = typ av biomolekyl (t.ex. kolhydrat, protein osv.);
• Kolumn C = typer av atomer (grundämnen). Använd de första bokstäverna (C H N O P S Mg I);

×

Fruktos, ett kolhydratbaserat fruktsocker. När du äter frukt som äpplen och apelsiner äter du fruktos.

×

DNA, en nukleinsyra. DNA kallas ofta för livets blåkopia eftersom det innehåller de genetiska instruktionerna för organismer att bygga sig själva och utföra alla sina livsaktiviteter. Utan dna kan en organism inte byggas upp. Denna visualisering av DNA representerar endast ett mycket litet segment av en hel DNA-molekyl.

×

Cellulosa, en kolhydrat. De fibrösa och vedartade delarna av växter består av cellulosamolekyler som är sammanfogade i långa kedjor. Cellulosans fibrösa natur ger växterna en struktur som gör att de kan stå upprätt. Träd består till cirka 50 till 53 % av cellulosa, beroende på trädslaget.

×

Klorofyll, en grön pigmentmolekyl. Växter använder detta pigment för att absorbera energi från solen för fotosyntes. Klorofyll är ett exempel på en biomolekyl som inte tillhör någon specifik grupp (dvs. kolhydrater, nukleinsyror, proteiner, lipider) Kan du hitta magnesiumatomen?

×

Cytokrom C, ett växtprotein. Proteiner är makromolekyler som biosyntetiseras av alla levande organismer och har olika funktioner som är kritiska för livet. Cytokrom c är till exempel ett protein som växter och andra organismer behöver för att utföra cellandning. Kan du hitta svavelatomerna och de två järnatomerna i denna cytokromproteinmolekyl?

×

En aminosyra- del av ett protein. Organismer bygger upp kompletta proteiner av hundratals aminosyror. Cytokrom c-molekylen på bilden till höger är ett komplett protein som består av många aminosyror.

Optionella utvidgningar

Vill du lära dig mer om kolföreningar, biomolekyler, CHNOPS, marknäringsämnen med mera? Kolla in dessa resurser.

• Sök den senaste forskningen! Ny forskning om kolcykeln, klimatet och miljön pågår ständigt. Du kan använda ScienceDaily och Phys.org för att undersöka ny forskning om förhållandet mellan kolcykeln och andra biokemiska cykler genom att använda kombinationer av följande taggar: carbon cycle, carbon storage/sequestration, CO2 fertilization, trees, forests, soil nutrients. Här är ett exempel: Använd MolView för att utforska Jmol biomolekyler som tillverkas av många olika typer av organismer.