Значение химических процессов в природе
Значение химических процессов в природе невозможно охватить в полной степени без понимания содержания двух важнейших понятий химии – вещество и химическая реакция. Ведь природные и синтетические органические и неорганические вещества – строительный материал, из которого создан окружающий мир во всём его величии и разнообразии. Каждую секунду и даже за меньшие промежутки времени происходит множество химических реакций, вследствие которых одни вещества превращаются в другие.
Химическую природу имеют и чрезвычайно важные процессы, которые существенно влияют на свойства окружающего мира, способы и формы сосуществования живого и неживого на планете Земля – это горение, дыхание, фотосинтез. С их течением тесно связаны биогеохимические процессы, характерные для биосферы и обусловленные деятельностью организмов.
Большая французская революция в химии – именно так характеризуют учёные утверждение в химии кислородной теории горения А.Л. Лавуазье. Она открыла путь к правильному пониманию всех окислительных процессов с участием кислорода – горения, дыхания, гниения.
Химические реакции – процесс превращения одних веществ в другие, постоянно происходят в природе. Реакции проходят между горными породами, воздухом и водой, в организмах растений, животных и человека, на различных небесных телах в Космосе.
Химические реакции имеют огромное значение как для природы, так и для человечества. Их используют для добывания металлов, пластмасс, минеральных удобрений, медикаментов и многих других веществ.
Реакции являются источником добывания энергии различного вида.
Откуда же берётся энергия?
Энергия накопляется в растениях в процессе фотосинтеза. Значение этого процесса для существования жизни на Земле тяжело переоценить. Именно зелёное растение является той единственной в мире лабораторией, которая усваивает солнечную энергию и сохраняет её в виде химических связей синтезированных им углеводородов. Зелёное растение образует питательные вещества для животного и растительного мира, которые не имеют зелёной окраски. Оно в буквальном понимании слова кормит, одевает и согревает нас. Горят дрова, нафта или газ – всё это результат его жизнедеятельности. Поглощённый сотни миллионов лет назад зелёным растением солнечны й луч сохранился до наших дней в виде каменного угля. В хлоропластах зелёных растений происходит фотосинтез – процесс образования органических веществ (сахаров) из неорганических (воды и углекислого газа). Этот процесс происходит лишь под действием света.
Процесс фотосинтеза происходит и при искусственном освещении, что позволяет выращивать овощи на протяжении года.
Во время фотосинтеза происходит такая реакция:
Каждый год благодаря фотосинтезу на Земле синтезируется около 150 млрд т углеводородов и выделяется более 200 млрд т кислорода.
Вода, которую растения всасывают корнями, и углекислый газ из воздуха превращаются в хлоропластах в глюкозу, а освобождённый кислород выходит в атмосферу. Кислород необходим для дыхания. В листьях глюкоза превращается в крахмал, крахмал может превращаться в сахар и частично оттекать от листа в другие органы растения.
Часть кислорода под действием космических лучей превращается в озон, который образует озоновый слой. Он поглощает коротковолновые космические ультрафиолетовые лучи, которые пагубно действуют на живые организмы.
С процессом фотосинтеза тесно связан другой естественный процесс – дыхание. Дыхание – характерный признак жизни как растительного, так и животного организма. Смерть организма характеризуется полным прекращением дыхания.
Дыхание представляет собой комплекс тесно взаимосвязанных окислительно – восстановительных процессов, которые происходят с участием ферментов. Дыхание является источником энергии для всех биохимических процессов в организме. В процессе дыхания образуются вещества, необходимые для синтеза составных частей цитоплазмы.
Освобождённая в процессе дыхания химическая энергия поддаётся превращениям, обуславливает ряд физиологических процессов в организме (рост, движение, усвоение питательных веществ). Часть её выделяется в виде тепла, часть накопляется в митохондриях в составе АТФ.
Химическая реакция дыхания противоположна фотосинтезу:
Широко распространено в природе молочнокислое брожение. Оно вызывается целой группой бактерий. Этот процесс используется при квашении капусты, огурцов, помидор, силоса, изготовлении кумыса, кефира, сметаны. Образованная при этом молочная кислота угнетает действие гнилостных бактерий. Закваска для приготовления чёрного хлеба, кроме дрожжей, содержит и бактерии молочнокислого брожения.
Благодаря процессу фотосинтеза зелёные растения накопляют энергию в виде химических связей синтезированных ими органических соединений.
Во время дыхания происходят окислительно – восстановительные реакции, в результате которых накопленная зелёными растениями энергия освобождается. Часть этой энергии используется на процессы жизнедеятельности, часть – на поддержание температуры тела (в случае растений – выделяется в атмосферу), а часть аккумулируется в митохондриях.
Широко распространено и маслянокислое брожение, при котором образуется масляная кислота.
Последствием маслянокислого брожения является прогорклость животного масла при длительном хранении.
Большое значение в природе играют нитрификующие бактерии. Окисляя последовательно аммониак до нитратов, тем самим делают доступным Нитроген для усвоения растениями.
Хемотрофные организмы содействуют процессам кругооборота веществ в природе.
Круговорот веществ
Горение, дыхание, фотосинтез имеют химическую природу и являются важными звеньями планетарных процессов – кругооборотов Оксигена и Карбона.
Упрощённо кругооборот Оксигена в природе можно описать как процесс образования кислорода в результате фотосинтеза растений и использование его во время дыхания, в реакциях окисления и горения. Кругооборот Оксигена связывает атмосферу и гидросферу с земной корой.
Карбон – составная всех органических веществ, его кругооборот связан с кругооборотом Оксигена. Горение ископаемого топлива, образование глюкозы и крахмала из углекислого газа и воды во время фотосинтеза, обменные процессы в живых организмах, гниение отмерших органических остатков – звенья кругооборота Карбона.
Дыхание – череда процессов, в ходе которых органические вещества сложного строения окисляются с образованием углекислого газа и воды.
Окисление и восстановление – две стороны единого окислительно – восстановительного процесса. В масштабах планеты Земля окисление вследствие горения и дыхания «уравновешивается» восстановлением во время фотосинтеза.
Природные химические процессы в жизни человека
Органические вещества в живой природе были первыми объектами исследования науки, которая со временем получила название органическая химия. Впервые это понятие ввёл шведский учёный Й.Я. Берцелиус. В своём учебнике по химии (1827) он утверждал, что в живой природе элементы подчиняются иным законам, чем в неживой, потому органические вещества не могут образовываться под влиянием обычных физических и химических сил, для этого нужна особенная «жизненная сила». Потому органическую химию Берцелиус определял, как химию растительных и животных веществ.
Чтобы доказать ограниченность этого утверждения, достаточно вспомнить первые синтезы органических веществ «in vitro». К тому же, посмотрев вокруг, легко убедиться: чуть ли не на каждом шагу мы используем синтетические органические вещества, которых в живой природе нет.
Однако живая природа с давних времён была и остаётся неисчерпаемым источником органических веществ, важность которых невозможно переоценить.
Масла и животные жиры, разнообразные смолистые, клейкие и сахаристые вещества, крахмал, воск, душистые эссенции, красители растительного и животного происхождения ещё во второй половине І ст. описал в энциклопедическом сочинении «Естественная история» римлянин Гай Плиний – Секунд.
До нашего времени человечество использует органические вещества, выработанные живыми организмами, чтобы удовлетворить материальные потребности, прежде всего – в пищевых продуктах, удобной одежде, комфортном жилище, соблюдении гигиены, сохранении здоровья и т. п.
Создание синтетических материалов, синтез искусственных радионуклидов обусловили появление новых токсических источников загрязнения окружающей среды, что, в конце концов, вызывает огромную угрозу для существования жизни на Земле.
Успехи человечества в использовании природных ресурсов зависят от познания законов природы и умелого их использования.
