Интегрированный урок по теме 'Круговорот углерода в природе'

Круговорот углерода в природе

( интегрированный урок химии и биологии в 9 классе)

Чернышова Ольга Александровна, учитель химии

Иванова Ирина Александровна, учитель биологии

Завершается изучение химии углерода обзором его круговорота в природе. Необходимый компонент данного урока - обсуждение последствий вмешательства человека в круговорот углерода Целесообразно обсудить природоохранные и экологические проблемы, стоящие перед человеком, и наметить возможные пути их решения. При этом можно применить групповую и исследовательскую работу, выступления учащихся с докладами.

Творческие уроки с экологическим содержанием вызывают у учащихся интерес к экологическим проблемам, а следовательно, и бережное отношение к окружающей среде.

Средства межпредметной интеграции позволяют полноценно использовать потенциал школьного курса.

Урок готовился совместно учителями химии и биологии, а проводился самими учащимися. Был вынесен на обсуждение план урока, выбран ведущий. Проводился он в форме диспута, где затрагивались такие вопросы:

1.Что мы знаем о углероде?

2.Так ли важен углерод?

3. Что происходит с углеродом в почве, воде и воздухе?

4. Чем грозит нарушение процесса фотосинтеза?

5.Значение круговорота углерода в природе.

6.Влияние человека на круговорот углерода в природе.

Автор учебника: Н.Е.Кузнецова, И.М.Титова, Н.Н.Гара, А.Ю.Жегин. Химия 9 кл. Москва. Издательский центр «Вентана - Граф». 2004 г.

Программа составлена на основе методического пособия: Шаталов М.А. Уроки химии. Методическое пособие 9 кл. Москва. Издательский центр «Вентана - Граф». 2006 г.

Цели урока:

- ознакомление с круговоротом углерода в природе

- продолжение формирования умений наблюдать, сравнивать, делать выводы и обобщения, осуществлять перенос знаний в новую ситуацию.

-формирование положительного отношения к знаниям по химии, эксперименту, профессиональным умениям.

-продолжить формирование логического мышления, развивать навыки самообразовательной работы: умение работать со справочными таблицами, учебником, составлять блок- схемы.

Оборудование: схема «Круговорот углерода в природе», таблицы «Строение атома углерода», «Влияние углекислого газа на организм человека», «Баланс содержания углекислого газа в атмосфере», видеомагнитофон, телевизор.

План урока:

1. Углерод - важнейший биогенный элемент.

2. Превращения углерода в почве, воде и воздухе.

3. Причины и последствия нарушения круговорота углерода.

1.Углерод известен человеку с древнейших времён, а как химический элемент был признан только в 1775 году благодаря исследованиям французского учёного Лавуазье.

Что мы знаем про этот элемент?

Нахождение в природе. На долю углерода приходится всего 0,001 массы земной коры. Причём наибольшая его часть содержится в мощных отложениях известняка и доломита, которые составляют 5 % всех осадочных пород и служат цементирующей основой песчаных, нефтеносных и газоносных пород, а каменный уголь и нефть, по сравнению с ними, можно считать редкими минералами.

До появления на Земле водной оболочки углерод почти полностью находился в составе атмосферы в виде углекислого газа. По мере охлаждения земной коры и с появлением гидросферы, которая забрала часть углекислого газа, происходил процесс выветривания магматических горных пород, что в основном сводилось к замещению кремниевой кислоты в силикатах на угольную, более сильную. При этом растворимые соли, в том числе и гидрокарбонаты, увлекались в Мировой океан. Так были созданы условия для жизни автотрофных организмов в воде: наличие углекислого газа, солей и воды. В результате процесса фотосинтеза углерод из атмосферы стал переходить в биосферу. Начал меняться и состав атмосферы - в ней увеличилось количество кислорода. В итоге на Земле были созданы условия для появления гетеротрофов: наличие свободного кислорода и созданных автотрофами органических веществ.

Углерод - важнейший макроэлемент, так как именно его соединения образуют ткани живых существ.

Строение атома. Химические свойства.

2.Что происходит с углеродом в почве, воде, воздухе?

Углерода больше всего в гидросфере, меньше в атмосфере и ещё меньше в литосфере, на суше.

Поступление углекислого газа в атмосферу в современных условиях происходит в результате:

а) дыхания всех организмов

б) минерализации органических веществ

в) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеющих биогенное происхождение)

г) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях ( до 0,01 %)

д) сжигания топлива.

Больше всего углерода сконцентрировано в карбонатных горных породах - известняке и доломите. Однако содержащийся в них углерод практически выводится из круговорота, как впрочем, и углерод органических веществ, погребённых в толще осадочных пород (некоторая его часть сосредоточена в горючих ископаемых). Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде углекислого газа. Из атмосферы углерод, необходимый для построения организмов, извлекают растения, в итоге, он переходит к поедающим их животным. При дыхании и гниении органическое вещество вновь превращается в углекислый газ, который возвращается в атмосферу. Поскольку углекислый газ растворим в воде, атмосфера может обмениваться углеродом с океаном. По запасам углерода океан значительно превосходит воздушную оболочку. Однако углерод океана не превращается в биомассу из-за нехватки там других жизненно важных элементов - азота и фосфора. Тем не менее океан поддерживает концентрацию углекислого газа в атмосфере более или менее постоянно, забирая углекислый газ, если его становится больше, и отдавая, если его количество уменьшается.

Океан, как насос, поглощает своими холодными водами углекислый газ в полярных широтах и отдаёт его в нагретых экваториальных и тропических зонах. Именно поэтому давление углекислого газа в области тропиков всегда несколько выше, чем в высоких широтах. Между атмосферой и океаном существует подвижное равновесие. Холодные воды растворяют больше газов, в том числе больше углекислого газа, а тёплые воды, наоборот, выделяют газ в атмосферу. Растворённый углекислый газ взаимодействует с известняком океанического дна. Нерастворимый известняк СаСО₃ превращается в растворимую соль - гидрокарбонат кальция. Эта соль диссоциирует в воде:

Са(НСО₃)₂↔Са²⁺ + 2НСО₃^-

Получается, что углерод находится в океане в виде аниона НСО₃^-. В тёплых районах Земли происходит разложение гидрокарбоната кальция:

Са(НСО₃)₂= СаСО₃↓ +Н₂О +СО₂↑

Углерод в составе углекислого газа выделяется в атмосферу. «Океан действует как грандиозный насос, забирая СО₂ из атмосферы в холодных областях и отдавая его в тропических областях» (А.П.Виноградов - учёный - геохимик).

На больших глубинах, где фотосинтез из-за недостатка света прекращается, идёт образование углекислого газа за счёт разложения органического вещества в результате распада. В верхнем 500-метровом слое окисляется в среднем до 87 % первичной продукции. В донные осадки попадает 0,1 % органического вещества, из этого количества только 0,0001 часть идёт на формирование нефти. При этом в океане ежегодно оседает всё вносимое реками количество гидрокарбонатов (1,7 млрд.т) кальция ( 0,5 млрд.т) и частично магния (0,36 млрд.т).

Потребление углекислого газа происходит главным образом:

а) в процессе фотосинтеза

б) в реакциях его с карбонатами в океане

в) при выветривании горных пород.

Общая продуктивность фотосинтеза огромна: ежегодно растительность Земли связывает 170 млрд.т углерода. Помимо того, растения вовлекают в синтез миллиарды тонн фосфора, серы и других элементов, в результате чего ежегодно синтезируется около 400 млрд.т органических веществ. Тем не менее при всей своей грандиозности природный фотосинтез - медленный и малоэффективный процесс, поскольку зелёный лист использует для фотосинтеза всего 1 % падающей на него солнечной энергии.

Углерод углекислого газа совершает полный оборот на поверхности Земли благодаря фотосинтезу примерно за 400 лет. Это большой отрезок времени, с точки зрения человека, но сравнительно небольшой в геохимическом смысле. Углерод атмосферы, гидросферы, биосферы находится в подвижном состоянии. Часть атомов углерода с течением времени переходит в состояние длительной геохимической неподвижности. Углекислый газ, связываясь с оксидами металлов, образует горные породы, состоящие из солей угольной кислоты - карбонатов. Это известняки, доломиты, которые сохраняются в земной коре сотни миллионов лет. Известняки и другие карбонатные породы слагают дно морей и океанов.

При извержении вулканов часть углекислого газа освобождается из земных недр и выносится на поверхность планеты. Таким образом, для развития жизни на Земле огромное значение имеют и процессы, происходящие в глубинах земной коры.

Влияет ли увеличение углекислого газа в атмосфере на наше здоровье?

Действие углекислого газа на животных и растения различно, что связано с его биохимическими функциями. Если для растений углекислый газ - источник питания, то для животных и человека - это конечный продукт обмена веществ, подлежащий удалению из организма. Накопление углекислого газа в воздухе затрудняет его отдачу лёгкими, а длительный недостаток кислорода вреден для организма, поэтому в атмосфере, насыщенной углекислым газом, животные и человек погибают.

Влияние углекислого газа на организм человека

Концентрация СО₂

Физиологический эффект

2 %

Никаких заметных беспокойств

4 %

Глубокое дыхание, возрастание мускульных усилий, быстрая утомляемость

10 %

Мучительное состояние, головная боль, прилив крови к лицу, начинается оцепенение

12-15 %

Обморок и через некоторое время смерть

Вывод: в малых концентрациях СО₂ не опасен для животных и человека, о чём, собственно, свидетельствует его постоянное присутствие в лёгких. Более того, в небольших количествах газ физиологически необходим, так как его молекулы возбуждают дыхательный центр мозга, который приводит в действие мускулатуру грудной клетки.

С первого вдоха, вызванного избытком СО₂ в крови при рождении, дыхательный центр рефлекторно управляет мускулатурой грудной клетки при помощи нервных импульсов и отслеживает накопление СО₂ в крови. Поэтому к кислороду для аппаратов искусственного дыхания всегда подмешивают углекислый газ, иначе дыхание может не восстановиться.

Интересно отметить влияние СО₂ на растительные организмы. Ещё в 1872 году польский ботаник В.А. Годлевский доказал опытным путём, что в воздухе, обогащённом СО₂, их рост замедляется. Продукция органического вещества в растении увеличивается пропорционально изменяющейся концентрации СО₂. Так происходит до тех пор, пока последняя не достигнет 1%, а затем синтез постепенно замедляется. С момента, когда содержание СО₂ достигнет 3%, его дальнейшее накопление в воздухе идёт во вред растительному организму.

Какое значение имеют круговороты элементов в природе?

Обычно в путешествиях элементов нет «конечных остановок». Как правило, завершение одного маршрута оказывается началом другого. В результате элементы и вещества постоянно движутся по сложной сети потоков, многократно «проезжая» одни и те же «пункты». Такие перемещения называются круговоротами. Именно круговороты способствуют постоянному поддержанию гомеостаза как во всепланетных, так и в локальных масштабах:

1) они не дают планете «утонуть» в отходах жизнедеятельности, поскольку эти отходы немедленно становятся пищей для других организмов.

Так, мочевина, выделяемая животными, очень быстро усваивается растениями; выдыхаемый углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза;

2) круговороты не позволяют жизненно важным элементам выйти из биосферы или отдельной экосистемы.

Например, ветры постоянно переносят с океанов на сушу хлориды, которые нужны всем живым организмам. Если бы не этот перенос, все хлориды давно бы оказались в океане.

3.Что нас ожидает, если нарушится круговорот углерода в природе?

С началом промышленной революции человек нарушил устойчивую ранее концентрацию углекислого газа в атмосфере. Он увеличил входящие потоки, добывая из-под земли углерод, захороненный там миллионы лет назад в виде угля и нефти, а также ускорил разрушение гумуса. И при этом уменьшил исходящие потоки, вырубая леса. Содержание углекислого газа в воздухе постепенно возрастает, что приводит к потеплению климата на Земле.

Главная причина увеличения содержания углекислого газа в атмосфере - это сжигание горючих ископаемых, однако, свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. Сельское хозяйство также приводит к потере углерода в почве, так как фиксация СО₂ из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумуса ( результат частой вспашки).

При уничтожении лесов содержание СО₂ в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счёт снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы ( если на месте лесов распахивают поля или строят города). Леса - важные накопители углерода; в биомассе лесов около 1,5, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере.

Баланс содержания СО₂ в атмосфере

Поступление за год, млрд тонн

Расход за год, млрд тонн

Океаны 200,0

Океаны 200,0

Дыхание и гниение 60,0

Фотосинтез 60,0

Горячие источники и вулканы 0,1

Выветривание 0,1

Сжигание топлива 6,0

Освоение земель 2,0

Доклад «Оледенение или всемирный парник?»

Просмотр отрывков из кинофильма «Послезавтра» (обсуждение доклада и кинофильма).

Вывод: именно человек нарушает баланс поступления и расхода углекислого газа в природе, и только в его силах остановить этот процесс ради будущего на Земле.

Литература:

1.Гусакова Н.В. Химия окружающей среды. Ростов - на Дону: «Феникс»,2004.

2.Алексеенко В.А., Алексеенко Л.П. Биосфера и жизнедеятельность: Учебное пособие. М.: Логос,2002.

3.Богдановский Г.А. Химическая экология: Учебное пособие. М.: Изд - во МГУ, 1994.

4.Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. Пер. с англ. М.: Прогресс, 1993.

5.Реймерс Н.Ф.Охрана природы и окружающей человека среды. М.: Просвещение, 1992.