Экология, методичка к РГР
.pdfОН |
ОН |
| |
| |
R―O―P―O―P―OH,
||||
O O
где R – радикал аденозина С10Н12N5О3.
В живой клетке образуется энергоноситель – аденозинтрифосфат (АТФ):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
NH2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
OH |
|
|
|
OH |
|
|
|
N |
N |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
O |
|
|
|
|
|
|
||||
HO |
|
|
P |
|
O |
|
P |
|
O |
|
|
P |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
H |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
OH |
|
|
|
|||||||
|
|
O |
|
O |
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Переход |
аденозиндифосфата |
(АДФ) |
|
в |
аденозинтрифосфат |
||||||||||||||||||||||||||||
(АТФ) отражает уравнение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
АДФ + Н3РО4 |
+ Е |
живые клетки |
АТФ + Н2О. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Синтез идет с утратой части энергии АТФ:
АТФ + Н2О + СО2 → АДФ + сахар + О2.
Образование природных залежей фосфоритов происходит в результате разложения на дне океана отмерших морских организмов:
3(NH4)2CO3 + Ca3(PO4)2 = 3CaCO3 + 2(NH4)3PO4.
Фосфат аммония, реагируя с известковыми раковинами и скелетными частями детрита, образует фосфорит:
2(NH4)3PO4 + 3CaCO3 = Ca3(PO4)2 + 3(NH4)2CO3.
детрит
40
5. Антропогенный фактор. Значительная роль как в концентрировании, так и в рассеивании содержащих фосфор веществ принадлежит человеку, который воздействует на самые различные стадии круговорота фосфора, начиная от реакции его получения:
3Са3(РО4)2 + 6SiО2 + 10С = Р4 + 6СаSiО3 + 10СО и процессов горения
10NO + 4P = 5N2 + 2P2O5.
Важное соединение фосфониевого ряда, используемое для пропитки огнезащитных тканей, получается по реакции:
РН3 + 4НСНО = НСl (гидр.) → [P(CH2OH)4] + Cl .
Производные трифенилфосфина применяют в синтезе олефинов по реакции Виттинга:
[(C6H5)3PCH3] Br |
H-C4H9Li |
(C6H5)3P=CH2; |
|
|
циклогексанон |
|
O |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
(C6H5)3P=CH2 |
|
|
|
CH2P+(C6H5)3 |
||
|
|
|
Цвиттерионные соединения
CH2
+ (C6H5)3PO .
Оксид трифенилфосфина
Другой важный компонент антропогенного воздействия на круговорот фосфора – производство и применение удобрений. Рассмотрим процессы при производстве простого суперфосфата:
2Са5F(PO4)3 + 7H2SO4 + 6,5H2O → 3[Ca(H2PO4)2∙H2O] + + 7[CaSO4∙0,5H2O] + 2HF;
H = –227,4 кДж.
Реакция идет в две стадии. В первой стадии 70 % апатита реагирует с серной кислотой:
Са5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 2,5H2O → 5[CaSO4∙0,5H2O] +
+ 3Н3РО4 + НF.
Во второй стадии реагируют оставшиеся 30 %:
Са5F(PO4)3 + 7Н3РО4 + 5Н2О → 5[Ca(H2PO4)2∙H2O] + HF.
41
Прогрессивным методом в переработке фосфатного сырья является азотнокислое разложение:
Са5F(PO4)3 + 10HNO3 → 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF.
Полученную азотнокислотную вытяжку обрабатывают аммиаком, сульфатом или хлоридом калия и получают тройное NРК-удобрение
– нитроаммофоску.
В машино- и приборостроении широко применяются процессы получения приработочного слоя за счет фосфатирования, химического и электролитического восстановления сплавов фосфора с кобальтом, обладающих ценными магнитными свойствами.
6. Задачи перед человеком, связанные с круговоротом фосфора. В целом, за счет антропогенного фактора континентальный цикл
фосфора во многом нарушен, большей частью из-за вырубки лесов, использования удобрений, морских промыслов. Особо опасно нефтяное загрязнение вод мирового океана, которое уменьшает его биологическую продуктивность и снижает уровень гидробиохимического круговорота фосфора. Природные фосфаты имеют ограниченные запасы, которые могут истощиться при современном темпе вывода их из естественного круговорота фосфора за 75–100 лет. Это с учетом огромного значения фосфора для жизнедеятельности живого вещества, требует бережного к ним отношения. Как заметил образно Э. Диви мл. «… фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на съедение сине-зеленым водорослям». Важная проблема, стоящая перед человеком, – корректировка ресурсного цикла с тем, чтобы поддерживать естественный круговорот фосфора.
Пример 6.2. Рассчитайте долю данных по вопросу: «Техногенные факторы» в общем круговороте азота в биосфере (табл. П.3-11), дайте характеристику их роли в этом процессе.
Решение
Техногенные факторы представлены в цикле азота в биосфере (табл. П.3-11) следующими процессами:
- техногенная аккумуляция:
а) при сжигании топлива 22,8 млн т/год;
42
б) при производстве удобрений 41,8 млн т/год; - антропогенные выбросы 15 млн т/год.
Общие запасы азота составляют: в атмосфере (38-40)∙105 Гт (примем среднее значение 39∙105 Гт или 39∙1014 т); в почве 280 Гт (280∙109 т); в фотическом слое океана 2800 Гт (2800∙109 т); в глубинных слоях океана 36400 Гт или 36400∙109 т.
Всего: 109(3900000 + 280 + 2800 + 36400) = 3,93948∙1015 т.
Рассчитаем поступление азота в круговорот в связанном виде и вывод из круговорота в виде N2. В расчете потоков не учитываем атмосферную фиксацию, обмены, стоки.
Поступление азота в круговорот, млн т/год:
-производство удобрений 41,8;
-биофиксация на суше 20,3; в океане 10; атмосфере 40;
-лизис детрита в океане в фотическом слое 5, глубоком 7,8;
-антропогенные выбросы 15.
Всего: 139,9 млн т/год.
Вывод азота из круговорота в виде N2, млн т/год:
-сжигание топлива 22,8;
-разложение организмов 42,2;
-жизнедеятельность организмов в океане 0,3, на суше 0,1;
-денитрификация на суше 4,0, в океане 3,6;
-выпадение в осадки 0,5.
Всего: 167,7 млн т/год.
Превышение расхода азота над поступлением:
167,7 – 139,9 = 27,8 млн т/год.
Поскольку запасы азота велики (3, 93948∙1015 т), то эта убыль не катастрофична, хотя и ведет к их расходу.
Техногенные факторы:
Поступление в круговорот, млн т/год – производство удобрений 41,8; антропогенные выбросы 15.
Пример выбросов – синтез аммиака:
N2 (г) + 3Н2 (г) |
синтез |
2NH3 |
(г). |
|
43
Всего: 56,8 млн т/год или общего поступления азота в цикл:
139,956,8 100 % 40,6 %.
Вывод из круговорота – сжигание топлива, 22,8 млн т/год. Потери азота в цикле вызываются сгоранием топлива, например, фурана в жидкостном реактивном двигателе:
С4Н4О + 3,6 HNO3 = 4СО2 + 3,8Н2О + 1,8N2,
широким применением взрывчатых веществ, в частности амматола:
С7Н113,4N57,2O87,3Al4,7 → 7CO2+ 56,7H2O + 28,6N2 + 2,35Al2O3 + 4,77O2.
Доля техногенных потерь в общих потерях:
167,722,8 100 % 13,6 %.
Но эта доля существенно выше в величине превышения расхода азота над поступлением:
27,822,8 100 % 82,0 %.
Вывод: Техногенное влияние на цикл азота в биосфере: ввод в
круговорот 40,6 %; вывод 11,1 %. Вывод из круговорота в целом превышает поступление на 27,8 млн т и доля техногенной составляющей в нем 82,0 %. Поэтому, хотя запасы азота в биосфере велики (3, 93948∙1015 т), их убыль нежелательна, так как ведет к нарушению природных циклов, поэтому желательно вводить альтернативные источники энергии, уменьшив сжигание топлива.
Задача 6.1. Для заданной схемы круговорота дайте ответы на вопросы 1–3 или 4–6, согласно задания:
1.Значение данного процесса для биосферы.
2.Движущая сила круговорота.
3.Опишите основные переходы в круговороте.
4. Объясните механизм физико-химических или биохимических превращений.
5.Антропогенный фактор.
6.Задачи перед человеком, связанные с рассматриваемым процессом.
44
Вариант |
Изучаемый |
№ схемы |
Номера вопросов |
|
круговорот |
по рис.П. 1–16 |
для ответа |
1 |
N2 |
1 |
1–3 |
2 |
N2 |
1 |
4–6 |
3 |
S |
2 |
1–3 |
4 |
S |
2 |
4–6 |
5 |
Hg |
3 |
1–3 |
6 |
Hg |
3 |
4–6 |
7 |
Pb |
4 |
1–3 |
8 |
P |
4 |
4–6 |
9 |
C |
5 |
1–3 |
10 |
C |
5 |
4–6 |
11 |
C, СО2+O2 |
6 |
1–3 |
12 |
C, O2 |
6 |
4–6 |
13 |
Al |
7 |
1–3 |
14 |
Al |
7 |
4–6 |
15 |
ДДТ |
8 |
1–3 |
16 |
ДДТ |
8 |
4–6 |
17 |
Sr90 |
9 |
1–3 |
18 |
Sr90 |
9 |
4–6 |
19 |
H2O |
10 |
1–3 |
20 |
H2O |
10 |
4–6 |
21 |
Биогенные элементы |
11 |
1–3 |
22 |
Биогенные элементы |
11 |
4–6 |
23 |
Биологический |
|
|
|
круговорот |
12 |
1–3 |
24 |
Биологический |
|
|
|
круговорот |
12 |
4–6 |
25 |
Токсичные вещества |
13 |
1–3 |
26 |
Токсичные вещества |
13 |
4–6 |
27 |
Ресурсный цикл |
14 |
1–3 |
28 |
Ресурсный цикл |
14 |
4–6 |
29 |
Отходы |
15 |
1–3 |
30 |
Отходы |
15 |
4–6 |
Задача 6.2. Рассчитайте долю данных по заданному вопросу в общем круговороте, дайте характеристику их роли в этом процессе (по табл. П. 3-11).
Вопросы:
1.Поступление в круговорот.
2.Биологическая фиксация.
45
3.Денитрификация.
4.Атмосферная фиксация.
5.Обмен между фотическим и глубинным слоями океана.
6.Техногенные факторы.
7.Поглощение наземной растительностью.
8.Участие в дыхании.
9.Процессы в гидросфере.
10.Выбросы в атмосферу.
11.Выпадение с осадками.
12.Выделение при разложении органического мертвого
вещества.
13.Выделение при разложении детрита в океане.
14.Обменные процессы в океане.
15.Биологическое разложение и выделение SO 24 .
16.Фотосинтез в океане и на суше.
17.Окисление органики техногенное.
18.Испарение воды за счет культурной растительности.
19.Безвозвратное водопотребление населением.
20.Суммарный водоотбор на промышленные нужды.
22.Транзит влаги через континенты.
23.Усвоение растительностью.
Вариант |
Вещество |
Номер таблицы |
Номер вопроса |
1 |
N2 |
1 |
1 |
2 |
N2 |
1 |
2 |
3 |
N2 |
1 |
3 |
4 |
N2 |
1 |
4 |
5 |
N2 |
1 |
5 |
6 |
N2 |
2 |
2 |
7 |
N2 |
2 |
3 |
8 |
C |
3 |
6 |
9 |
C |
3 |
7 |
10 |
C |
3 |
8 |
11 |
C |
3 |
9 |
12 |
S |
4 |
10 |
13 |
S |
4 |
11 |
14 |
S |
4 |
5 |
15 |
S |
4 |
12 |
16 |
S |
4 |
13 |
46
17 |
S |
4 |
2 |
18 |
S |
5 |
11 |
19 |
S |
5 |
14 |
20 |
S |
6 |
15 |
21 |
O |
7 |
16 |
22 |
O |
7 |
6 |
23 |
O |
7 |
17 |
24 |
P |
8 |
23 |
25 |
P |
8 |
5 |
26 |
H2O |
9 |
20 |
27 |
H2O |
9 |
21 |
28 |
H2O |
9 |
22 |
29 |
H2O |
9 |
18 |
30 |
H2O |
9 |
19 |
47
7. ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА
Пример 7.1. В 100 г филе судака содержится 200 мг калия. Суточная потребность человека в калии 3000 мг. Сколько надо съесть мяса судака, чтобы компенсировать суточную потребность человека в калии?
Решение
Составляем и решаем пропорцию: |
|
|||
100 г мяса содержат 200 |
мг калия |
|||
Х -«- |
-«- -«- |
3000 |
мг калия |
|
Х = |
3000 100 |
|
= 1500 г мяса. |
|
200 |
|
|||
|
|
|
|
Пример 7.2. Рассчитайте энергетическую ценность хлеба столового 1 сорта. Состав хлеба: белков 7,06 %, жиров 1,2 %, углеводов 48,9 %, органических кислот 0,72 %.
Решение
Энергетическая ценность – это количество энергии (ккал или кДж), высвобождаемой в организме человека из пищевых веществ продуктов питания для обеспечения его физиологических функций. Для расчета энергетической ценности пищевого продукта необходимо знать его химический состав и энергетическую ценность пищевых веществ (табл. 7.1).
Т а б л и ц а 7.1 Энергетическая ценность пищевых веществ
Пищевые вещества |
Энергетическая ценность, ккал/г |
Белки |
4,0 |
Жиры |
9,0 |
Усвояемые углеводы |
4,0 |
Пищевые волокна |
0 |
Органические кислоты |
3,0 |
Энергетическую ценность пищевого продукта рассчитываем по формуле
ЭЦ = Б×4,0 + Ж×9,0 + У×4,0 + ОК×3,0, |
(6.1) |
48
где: |
ЭЦ |
– энергетическая ценность 100 г |
пищевого продукта, ккал; |
|
Б – содержание белков, г/100 г продукта; |
Ж – |
содержание жиров, |
||
г/100 |
г |
продукта; У – содержание усвояемых |
углеводов, г/100 г |
продукта; ОК – содержание органических кислот, г/100 г продукта. Коэффициент перевода ккал в кДж равен 4,184.
Решение
1. Подставляем в формулу 1 данные задачи.
ЭЦ = 7,06×4,0 + 1,2×9,0 + 48,9×4,0 + 0,72×3,0 = 219,45 ккал.
2. Переводим ккал в кДж
219,45×4,184 = 918,179 кДж.
3. Ответ: энергетическая ценность 100 г хлеба столового 1 сорта составляет 219,45 ккал или 918,179 кДж.
Задача 7.1. Сколько нужно съесть продукта питания, чтобы компенсировать суточную потребность человека в указанном нутриенте?
Вариант |
Продукт |
|
Нутриент и его |
Содержание |
|
питания |
|
суточная потреб- |
нутриента |
|
|
|
ность |
на 100 г продукта |
1 |
Молоко |
|
Железо – 15 мг |
0,1 мг |
2 |
Говядина |
|
Железо – 15 мг |
2,6 мг |
3 |
Кролик |
|
Железо – 15 мг |
4,4 мг |
4 |
Гречка |
|
Железо – 15 мг |
8 мг |
5 |
Халва |
|
Железо – 15 мг |
33 мг |
6 |
Яблоки |
|
Железо – 15 мг |
42 мг |
7 |
Яблоки |
|
Витамин С – 70 мг |
10 мг |
8 |
Морковь |
|
Витамин С – 70 мг |
5 мг |
9 |
Картофель |
Витамин С – 70 мг |
20 мг |
|
10 |
Цветная капуста |
Витамин С – 70 мг |
70 мг |
|
11 |
Перец |
зеленый |
Витамин С – 70 мг |
150 мг |
|
сладкий |
|
|
|
12 |
Лимоны |
|
Витамин С – 70 мг |
40 мг |
13 |
Апельсины |
Витамин С – 70 мг |
60 мг |
49