§ 11. Колообіги кисню та Оксигену в природі. Біологічна роль і застосування кисню

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яка суть колообігів кисню та Оксигену в природі?

Колообіг кисню ($O_2$) як простої речовини — це його безперервний обмін між атмосферою та гідросферою (через розчинення і виділення). Колообіг Оксигену ($O$) як хімічного елемента — це переміщення атомів між речовинами під час хімічних реакцій. Головні етапи: утворення вільного кисню завдяки фотосинтезу та його витрачання на дихання, горіння, гниття й окиснення.

У чому полягає біологічна роль кисню?

Кисень забезпечує дихання переважної більшості живих організмів (аеробів). Він окиснює органічні речовини в клітинах, вивільняючи енергію, необхідну для росту, розвитку, руху та підтримання температури тіла.

Які сфери застосування кисню?

У металургії — для виплавки чавуну та сталі. У хімічній промисловості — для синтезу речовин. Також газ застосовують для зварювання і різання металів. У медицині кисень підтримує дихання пацієнтів, а в техніці — життєдіяльність водолазів, пожежників, космонавтів. В авіації та космосі рідкий кисень є потужним окиснювачем ракетного палива.

ДОСЛІДЖУЄМО ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

1. Намалюйте або за допомогою комп’ютера створіть діаграму складу повітря, використавши значення об’ємних часток газів (табл. 2).

Склад повітря найкраще відображає кругова діаграма: азот ($N_2$) — $78{,}08%$, кисень ($O_2$) — $20{,}95%$, аргон ($Ar$) — $0{,}93%$, вуглекислий газ ($CO_2$) та інші гази — $0{,}042%$.

2. За наведеною нижче діаграмою складу повітря (за об’ємом), яке видихає людина, обчисліть відношення в ньому об’ємів кисню і вуглекислого газу.

У видихуваному повітрі об’ємна частка кисню — $16%$, вуглекислого газу — $4%$. Відношення становить: $16 : 4 = 4 : 1$.

3. Обчисліть також відношення об’ємів цих газів у повітрі, яке ми вдихаємо (табл. 2), і порівняйте обидва відношення.

У вдихуваному повітрі кисню $20{,}95%$, а вуглекислого газу $0{,}042%$. Їхнє відношення: $20{,}95 : 0{,}042 \approx 499 : 1$. У повітрі, яке ми видихаємо, це відношення $4 : 1$. Отже, під час дихання частка кисню різко падає, а частка вуглекислого газу суттєво зростає.

Що трапиться, якщо об’ємна частка кисню в повітрі зменшиться; збільшиться?

Зниження вмісту кисню (нижче $16-17%$) викличе гіпоксію, проблеми з диханням і загибель аеробів, а також уповільнить процеси горіння. Значне збільшення кисню критично підвищить пожежну небезпеку та пришвидшить старіння організмів через надмірне окиснення в клітинах.

У природі відбувається колообіг води. Назвіть його складники.

Основні етапи колообігу води ($H_2O$): випаровування з водойм і ґрунту, транспірація рослинами, конденсація пари з утворенням хмар, випадання опадів та стікання поверхневих і підземних вод назад в океани.

Створіть ментальну карту «Застосування кисню».

Структура ментальної карти:

1. Промисловість: металургія, хімічний синтез, зварювання металів.
2. Медицина: кисневі маски, барокамери, апарати ШВЛ.
3. Транспорт і техніка: окиснювач для ракет, проведення вибухових робіт.
4. Життєзабезпечення: дихання космонавтів, водолазів, пожежників.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про колообіги Оксигену і кисню в природі, значення кисню для життя.

Колообіг Оксигену — це переміщення атомів елемента між живою та неживою природою. Рослини під час фотосинтезу виділяють $O_2$. Процеси дихання, горіння та гниття повертають Оксиген у складні сполуки. Кисень критично необхідний для енергетичного обміну в клітинах більшості живих істот.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Зіставте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Моє запитання: «Чи змінилася б температура на планеті, якби в атмосфері зник весь кисень?»
Відповідь: Так. Зникнення кисню означає зникнення озонового шару ($O_3$), який захищає Землю від жорсткого ультрафіолету. Це зруйнувало б тепловий баланс. Оцінка відповідей залежить від розуміння зв’язку між киснем, озоном і радіацією.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

107. Укажіть відмінність між колообігами хімічного елемента і речовини. Який колообіг не пов’язаний з хімічними реакціями?

Колообіг речовини — це фізичне переміщення без зміни її хімічного складу (наприклад, випаровування води). Колообіг хімічного елемента — це перехід атомів між різними речовинами під час хімічних реакцій. З хімічними реакціями не пов’язаний суто фізичний колообіг (наприклад, розчинення кисню у воді).

108. У чому полягає значення кисню для живих організмів?

Кисень забезпечує клітинне дихання — окиснення поживних речовин із вивільненням енергії (АТФ), потрібної для всіх життєвих процесів.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

109. Відомо, що замість певного об’єму кисню, який ми споживаємо в процесі дихання, у повітря надходить такий самий об’єм вуглекислого газу. Обчисліть об’ємну частку кисню в повітрі, яке видихає людина, якщо об’ємна частка вуглекислого газу в ньому становить 4 %.

У вдихуваному повітрі: $\phi(O_2) \approx 21%$, $\phi(CO_2) \approx 0{,}04%$.
Приріст вуглекислого газу: $\Delta\phi(CO_2) = 4% – 0{,}04% = 3{,}96%$.
Оскільки об’єм спожитого кисню дорівнює об’єму виділеного $CO_2$, частка кисню зменшиться на ту саму величину: $\phi_{\text{видих}}(O_2) = 21% – 3{,}96% = 17{,}04% \approx 17%$.
Відповідь: $17%$.

110. Обчисліть масу кисню в повітрі об’ємом 10 л, якщо густина повітря становить 1,29 г/л. Додаткові відомості, необхідні для розв’язання задачі, візьміть із таблиці 2.

Дано: $V(\text{повітря}) = 10 \text{ л}$, $\rho(\text{повітря}) = 1{,}29 \text{ г/л}$. Масова частка кисню в повітрі $w(O_2) \approx 23{,}1%$ (або $0{,}231$).
Розв’язання:
1. Маса повітря: $m(\text{повітря}) = 10 \text{ л} \cdot 1{,}29 \text{ г/л} = 12{,}9 \text{ г}$.
2. Маса кисню: $m(O_2) = 12{,}9 \text{ г} \cdot 0{,}231 \approx 2{,}98 \text{ г}$.
Відповідь: $2{,}98 \text{ г}$.

АНАЛІЗУЙМО

111. Уміст вуглекислого газу в повітрі протягом останніх майже 150 років невпинно зростає. Чи змінюється, на вашу думку, вміст кисню в атмосфері? Якщо змінюється, то як саме? Чи може це вплинути на живі організми?

Вміст кисню незначно зменшується через масове спалювання викопного палива, що паралельно збільшує рівень $CO_2$. Для дихання це зниження поки не критичне, але дисбаланс газів посилює парниковий ефект і спричиняє зміну клімату, що загрожує біорізноманіттю.

У КОМАНДІ

112. Назвіть заходи, які має здійснювати людство для збереження кількісного складу атмосфери.

• Перехід на відновлювані джерела енергії для скорочення викидів $CO_2$.
• Припинення вирубки лісів і активне висаджування нових дерев.
• Впровадження енергоощадних технологій у транспорті та промисловості.
• Встановлення сучасних очисних фільтрів на заводах.

113. Визначте, для дихання якої кількості населення планети вистачить кисню, який виробляють рослини в процесі фотосинтезу (с. 60). Вважайте, що організм людини щодоби споживає 600 г кисню.

Дано: Виробництво кисню рослинами за рік $m_{\text{заг}} = 200 \cdot 10^9 \text{ т} = 2 \cdot 10^{14} \text{ кг}$. Добове споживання людиною = $0{,}6 \text{ кг}$.
Розв’язання:
Річне споживання однією людиною: $m_{\text{люд/рік}} = 0{,}6 \text{ кг} \cdot 365 = 219 \text{ кг}$.
Кількість людей: $N = \dfrac{2 \cdot 10^{14}}{219} \approx 913 \cdot 10^9$.
Відповідь: Вистачить приблизно для 913 мільярдів людей.

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

114. Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення про зміну складу атмосфери з висотою та вкажіть причину цієї зміни.

У нижніх шарах атмосфери повітря активно перемішується, тому його склад відносно сталий. Вище 100 км через гравітацію гази розподіляються за масою: важкі ($N_2, O_2, Ar$) залишаються нижче, а легкі ($He, H_2$) піднімаються у верхні шари (екзосферу).

115. У майбутньому людина відправлятиметься у тривалі космічні подорожі. Запропонуйте варіанти забезпечення людини киснем у космічному кораблі.

1. Регенерація: перетворення видихуваного $CO_2$ на кисень і воду хімічним шляхом.
2. Електроліз: розщеплення води електричним струмом на кисень і водень.
3. Біологічні системи: вирощування мікроводоростей (хлорели) для поглинання $CO_2$ і виділення $O_2$ шляхом фотосинтезу (створення замкненої екосистеми).

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

116. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

Повітря, кисень, Оксиген, колообіг речовини, колообіг елемента, фотосинтез, дихання, окиснення, горіння, біологічна роль.

117. Складіть двомовний словничок із ключових слів і словосполучень, виписаних вами з параграфів 4—11.

• Фізичне явище — Physical phenomenon
• Хімічна реакція — Chemical reaction
• Закон збереження маси — Law of conservation of mass
• Хімічне рівняння — Chemical equation
• Реагенти — Reactants
• Продукти реакції — Products
• Каталізатор — Catalyst
• Оксиди — Oxides
• Горіння — Combustion
• Окиснення — Oxidation
• Кисень — Oxygen ($O_2$)
• Фотосинтез — Photosynthesis

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

118. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

119. Виконайте розміщені за QR-кодом або покликанням завдання за матеріалом параграфів 4—11.

1. Правильне твердження щодо кисню: Уміст кисню в повітрі становить 21% за об’ємом.

2. Сума коефіцієнтів у рівнянні реакції розкладу речовини $HgO$: Дорівнює 5 ($2HgO = 2Hg + O_2$).

3. Помилкове твердження: Кисень добре розчиняється у воді (насправді розчинність дуже низька).

4. Сума коефіцієнтів у правій частині рівняння реакції розкладу гідроген пероксиду: 3 (продукти: $O_2$ та $2H_2O$).

5. Фотосинтез є ланкою колообігу в природі: Кисню.

6. Аналіз тверджень про реакції кисню та озон: Правильних тверджень немає.

7. Оксиди — це: Складні сполуки елементів з Оксигеном.

8. Газ, уміст якого в повітрі найбільший: Азот.

9. Газ, уміст якого в повітрі найменший (серед основних складників): Вуглекислий газ.

10. Аналіз тверджень про горіння та пожежі: Правильне лише ІІ (пальне на АЗС легше за воду, тому його не можна гасити водою).

11. Оксид, масова частка Оксигену в якому найбільша: $H_2O$ (близько 89%).

1) CO₂: $M_r(CO_2) = 44$; $w(O) = \dfrac{32}{44} \approx 73%$.

2) H₂O: $M_r(H_2O) = 18$; $w(O) = \dfrac{16}{18} \approx 89%$.

3) SO₂: $M_r(SO_2) = 64$; $w(O) = \dfrac{32}{64} = 50%$.

4) CrO₃: $M_r(CrO_3) = 100$; $w(O) = \dfrac{48}{100} = 48%$.

12. Аналіз тверджень про типи реакцій: Правильне лише ІІ (у реакції сполучення утворюється лише один продукт).

13. Продуктами горіння природного газу є: Вуглекислий газ і вода.

14. Аналіз тверджень про молекули та реагенти: Правильних тверджень немає.

15. Промислові способи одержання кисню: Електроліз води та розділення зрідженого повітря.

16. Сума індексів у формулі продукту горіння заліза ($Fe_3O_4$): Дорівнює 7.

17. Аналіз тверджень про склад повітря та горіння: Правильне лише I.

18. Рідкий агрегатний стан за звичайних умов має: Вода ($H_2O$).

19. Твердий агрегатний стан за стандартних умов мають: $MgO$, $P_2O_5$, $HgO$.