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

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яка суть колообігів кисню та Оксигену в природі?

Суть колообігу кисню ($O_2$) як простої речовини полягає в його постійному обміні між атмосферою та гідросферою через процеси розчинення у воді та виділення в атмосферу. Колообіг Оксигену ($O$) як хімічного елемента полягає у переході його атомів від одних речовин до інших внаслідок хімічних реакцій. Основними ланками цього процесу є утворення вільного кисню під час фотосинтезу та його споживання під час дихання, горіння, гниття та окиснення.

У чому полягає біологічна роль кисню?

Біологічна роль кисню полягає у забезпеченні процесу дихання переважної більшості живих організмів (аеробів). Кисень окиснює органічні речовини (білки, жири, вуглеводи) в клітинах, завдяки чому виділяється енергія, необхідна для росту, розвитку, руху та підтримки сталої температури тіла організмів.

Які сфери застосування кисню?

Кисень широко використовують у металургії для виплавки чавуну та сталі, у хімічній промисловості для синтезу різноманітних речовин (наприклад, кислот), а також для зварювання та різання металів (киснево-ацетиленове полум’я). У медицині кисень застосовують для підтримки дихання хворих, а в техніці — для забезпечення життєдіяльності космонавтів, водолазів і пожежників. В авіації та космонавтиці рідкий кисень слугує окиснювачем ракетного пального.

ДОСЛІДЖУЄМО ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

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

На основі даних про склад повітря діаграма матиме такий вигляд: азот ($N_2$) займає найбільший сектор ($78{,}08\%$), кисень ($O_2$) — трохи більше однієї п’ятої частини ($20{,}95\%$), аргон ($Ar$) — вузький сегмент ($0{,}93\%$), а вуглекислий газ ($CO_2$) разом з іншими газами займає найменшу частку ($0{,}042\%$). Для візуалізації найкраще підійде кругова діаграма.

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

Згідно з науковими даними, у повітрі, яке видихає людина, об’ємна частка кисню становить приблизно $16\%$, а вуглекислого газу — $4\%$. Для обчислення відношення ділимо 16 на 4:
$16 : 4 = 4 : 1$
Отже, об’ємне відношення кисню до вуглекислого газу у видихуваному повітрі становить $4 : 1$.

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

У вдихуваному повітрі об’ємна частка кисню становить $20{,}95\%$, а вуглекислого газу — $0{,}042\%$. Їхнє відношення складає:
$20{,}95 : 0{,}042 \approx 499 : 1$
У повітрі, яке ми видихаємо, це відношення становить $4 : 1$. Це свідчить про значне зменшення частки кисню та зростання частки вуглекислого газу в процесі дихання.

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

Зменшення об’ємної частки кисню (нижче $16-17\%$) призведе до кисневого голодування (гіпоксії), утруднення дихання та можливої загибелі аеробних організмів, а також до сповільнення процесів горіння. Якщо ж частка кисню значно збільшиться, це спричинить підвищену пожежну небезпеку (речовини горітимуть набагато інтенсивніше) та може мати токсичний вплив на організми через пришвидшення процесів окиснення в клітинах (старіння).

У природі відбувається колообіг води. Назвіть його складники.

Основними складниками колообігу води ($H_2O$) є випаровування води з поверхонь водойм і ґрунту, транспірація (випаровування рослинами), конденсація водяної пари в атмосфері з утворенням хмар, випадання опадів (дощ, сніг) та стікання води (поверхневе або підземне) назад у річки, моря та океани.

Створіть ментальну карту «Застосування кисню».

Ментальна карта може включати такі основні гілки:

1. Промисловість: металургія (виплавка чавуну та сталі), синтез хімічних речовин, зварювання металів.
2. Медицина: кисневі маски та подушки, барокамери, апарати ШВЛ.
3. Транспорт і техніка: окиснювач ракетного палива, вибухові роботи.
4. Життєзабезпечення: дихання космонавтів, аквалангістів, пожежників, альпіністів.

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 глобальний процес переміщення атомів Оксигену між живою та неживою природою. Ключовими ланками є фотосинтез (зелені рослини виділяють $O_2$ з $H_2O$ та $CO_2$) та процеси окиснення (дихання, горіння, гниття), які повертають Оксиген у склад складних сполук. Кисень є життєво необхідним, оскільки забезпечує енергетичний обмін у 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, адже озоновий шар ($O_3$), який є алотропною видозміною Оксигену, захищає Землю від жорсткого ультрафіолету. Без кисню зник би й озон, що призвело б до зміни теплового балансу та згубного впливу радіації. Оцінка відповідей однокласників залежить від глибини розуміння ними зв’язку між киснем та озоном.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

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

Колообіг речовини — це фізичний процес переміщення речовини без зміни її хімічного складу (наприклад, випаровування та конденсація води). Колообіг хімічного елемента передбачає перехід атомів з однієї речовини в іншу внаслідок хімічних реакцій. З хімічними реакціями не пов’язаний суто фізичний колообіг речовини (наприклад, розчинення кисню у воді).

108. У чому полягає значення кисню для живих організмів?

Кисень бере участь у клітинному диханні — процесі окиснення поживних речовин, в результаті якого вивільняється енергія (АТФ), необхідна для всіх життєвих процесів організму.

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 таку 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 у повітрі $w(O_2) \approx 23{,}1\%$ (або $0{,}231$).

Розв’язання:

1. Обчислимо масу повітря:
   $m(\text{повітря}) = V \cdot \rho = 10 \text{ л} \cdot 1{,}29 \text{ г/л} = 12{,}9 \text{ г}$
2. Обчислимо масу кисню:
   $m(O_2) = m(\text{повітря}) \cdot w(O_2) = 12{,}9 \text{ г} \cdot 0{,}231 \approx 2{,}98 \text{ г}$

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?

Так, вміст кисню в атмосфері незначно зменшується, оскільки він витрачається на спалювання викопного палива (вугілля, нафти, газу), що і є причиною зростання концентрації $CO_2$. Хоча це зменшення поки що не є критичним для дихання, порушення балансу газів призводить до парникового ефекту та зміни клімату, що негативно впливає на біорізноманіття та живі організми.

У КОМАНДІ

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

• Зменшення викидів $CO_2$ шляхом переходу на відновлювані джерела енергії (сонячна, вітрова).
• Припинення масової вирубки лісів та активне насадження дерев (відновлення “легень планети”).
• Впровадження енергоефективних технологій у промисловості та транспорті.
• Встановлення сучасних систем очищення газів на підприємствах.

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:
Щорічне виробництво кисню рослинами: $m_{\text{заг}} = 200$ млрд тонн = $200 \cdot 10^9 \text{ т} = 2 \cdot 10^{14} \text{ кг}$.
Споживання людиною на добу: $0{,}6 \text{ кг}$.

Розв’язання:

1. Обчислимо річне споживання кисню однією людиною:
   $m_{\text{люд/рік}} = 0{,}6 \text{ кг/доба} \cdot 365 \text{ діб} = 219 \text{ кг}$
2. Обчислимо кількість людей:
   $N = \dfrac{m_{\text{заг}}}{m_{\text{люд/рік}}} = \dfrac{2 \cdot 10^{14}}{219} \approx 913 \cdot 10^9$

Відповідь: Кисню вистачить приблизно для 913 мільярдів людей (це значно перевищує поточне населення Землі).

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

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

Склад атмосфери змінюється з висотою. У нижніх шарах (тропосфера, стратосфера) склад повітря відносно сталий завдяки перемішуванню. Однак зі збільшенням висоти (вище 100 км) відбувається гравітаційний розподіл газів: важчі гази ($N_2, O_2, Ar$) концентруються нижче, а легші ($He, H_2$) переважають у верхніх шарах (екзосфері). Причина — дія сили тяжіння Землі та різна молекулярна маса газів.

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

1. Регенерація з вуглекислого газу: Використання хімічних поглиначів та реакцій Сабатьє для перетворення видихуваного $CO_2$ назад у кисень та воду.
2. Електроліз води: Розкладання води ($H_2O$) електричним струмом на кисень ($O_2$) для дихання та водень ($H_2$).
3. Біологічні системи: Використання мікроводоростей (наприклад, хлорели), які фотосинтезують, поглинаючи $CO_2$ і виділяючи $O_2$. Це найкращий варіант для тривалих подорожей, оскільки створює замкнену екосистему.

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.

(Це завдання передбачає індивідуальну роботу з інтерактивними вправами за посиланням).