לא נכניס את עצמנו למסגרת קפדנית כבר מההתחלה ונתאר את המונח בצורה פשוטה ככל האפשר: תהליך החמצון של חומרים אורגניים (אורגניים; אלה הם, למשל, חלבונים, שומנים ופחמימות) הוא תגובה שמביאה ל עלייה בנפח החמצן (O2) וירידה בנפח המימן (H2).

חומרים אורגניים הם תרכובות כימיות שונות המכילות (C). יוצאים מן הכלל הם חומצה פחמנית (H2CO3), קרבידים (למשל קרבונדום SiC, צמנטיט Fe3C), קרבונטים (למשל קלציט CaCO3, מגנזיט MgCO3), תחמוצות פחמן, ציאנידים (כגון KCN, AgCN). חומר אורגני מגיב עם חומר החמצון הידוע ביותר, חמצן O2, ויוצר מים H2O ופחמן דו חמצני CO2.

תהליך החמצון של חומרים אורגניים

אם נחשוב בהיגיון, אז כיוון שתהליך החמצון המוחלט הוא בעירה, הרי שתהליך החמצון הבלתי שלם הוא חמצון של חומר אורגני, כי בפגיעה כזו החומר אינו מתלקח, אלא רק מחמם אותו (מלווה בשחרור של חומר אורגני. כמות מסוימת של אנרגיה בצורה של ATP - אדנוזין טריפוספט - וחום Q ).

התגובה של חמצון אורגני אינה מורכבת מדי, אז הם מתחילים לנתח אותה בתחילת הקורס בכימיה, והסטודנטים מטמיעים במהירות את המידע, אם, כמובן, הם מתאמצים לפחות. כבר למדנו מהו התהליך הזה, ועכשיו עלינו להתעמק בעצם מהות העניין. אז איך מתרחשת התגובה ומהי?

חמצון של חומר אורגני הוא סוג של מעבר, הפיכה של מחלקה אחת של תרכובות לאחרת. לדוגמה, כל התהליך מתחיל בחמצון של פחמימן רווי והפיכתו לבלתי רווי, ואז החומר המתקבל מתחמצן ליצירת אלכוהול; אלכוהול, בתורו, יוצר אלדהיד, חומצה קרבוקסילית "זורמת" מאלדהיד. כתוצאה מההליך כולו, אנו מקבלים פחמן דו חמצני (כאשר כותבים את המשוואה, אל תשכח לשים את החץ המתאים) ומים.

זוהי תגובת חיזור, וברוב המקרים, חומר אורגני מפגין תכונות מפחיתות, ומחמצן את עצמו. לכל אלמנט מעורב יש סיווג משלו - זה או חומר מפחית או חומר מחמצן, ואנו נותנים שם על סמך תוצאת ה-OVR.

יכולתם של חומרים אורגניים להתחמצן

כיום אנו יודעים כי חומר מחמצן, שלוקח אלקטרונים ובעל מטען שלילי, וחומר מפחית, אשר תורם אלקטרונים ובעל מטען חיובי, לוקחים חלק בתהליך ה-ORR (תגובת חמצון-הפחתה). עם זאת, לא כל חומר יכול להיכנס לתהליך שאנו שוקלים. כדי להקל על ההבנה, בואו נסתכל על הנקודות.

תרכובות אינן מחומצנות:

• אלקנים - נקראים אחרת פרפינים או פחמימנים רוויים (לדוגמה, מתאן, בעל הנוסחה CH4);
• ארנים הם תרכובות אורגניות ארומטיות. ביניהם, בנזן אינו מחומצן (בתיאוריה, תגובה זו יכולה להתבצע, אך לאחר מספר שלבים ארוכים; בנזן לא ניתן לחמצן בעצמו);
• אלכוהול שלישוני הם אלכוהולים שבהם קבוצת ההידרוקסו OH קשורה לאטום פחמן שלישוני;
• פנול הוא שם נוסף לחומצה קרבולית והוא כתוב בכימיה כ-C6H5OH.

דוגמאות לחומרים אורגניים המסוגלים לחמצן:

• אלקנים;
• אלקינים (כתוצאה מכך נעקוב אחר היווצרות אלדהיד, חומצה קרבוקסילית או קטון);
• Alkadienes (נוצרים אלכוהולים רב-הידריים או חומצות);
• Cycloalkanes (בנוכחות זרז נוצרת חומצה דיקרבוקסילית);
• ארנס (כל חומר בעל מבנה דומה לבנזן, כלומר ההומולוגיות שלו, ניתן לחמצן לחומצה בנזואית);
• אלכוהולים ראשוניים, משניים;
• אלדהידים (בעלי יכולת לחמצן ואז פחמנים);
• אמינים (במהלך חמצון נוצרת תרכובת אחת או יותר עם קבוצת הניטרו NO2).

חמצון של חומרים אורגניים בתא של אורגניזמים צמחיים, בעלי חיים ובני אדם

זו השאלה החשובה ביותר, לא רק לאותם אנשים שמתעניינים בכימיה. כל אחד צריך להיות בעל ידע מסוג זה כדי לגבש מושג נכון לגבי תהליכים שונים בטבע, לגבי ערכם של חומרים כלשהם בעולם, ואפילו לגבי עצמו - אדם.

מקורסי ביולוגיה של בית הספר, אתה בטח כבר יודע שלחמצון החומר האורגני תפקיד ביולוגי חשוב בגוף האדם. כתוצאה מתגובות חיזור מתרחש פיצול של BJU (חלבונים, שומנים, פחמימות): חום, ATP ונושאי אנרגיה אחרים משתחררים בתאים, ולגופנו מסופקת תמיד אספקה ​​מספקת לביצוע פעולות ותפקוד תקין של מערכות איברים.

הזרימה של תהליך זה עוזרת לשמור על טמפרטורת גוף קבועה בגוף לא רק של אדם, אלא גם של כל חיה אחרת בעלת דם חם, וגם עוזרת לווסת את הקביעות של הסביבה הפנימית (זה נקרא הומאוסטזיס), חילוף חומרים, מבטיח את העבודה האיכותית של אברוני התא, איברים, וגם מבצע הרבה יותר פונקציות נחוצות.

במהלך הפוטוסינתזה, צמחים סופגים פחמן דו חמצני מזיק ומייצרים חמצן, הנחוץ לנשימה.

החמצון הביולוגי של חומרים אורגניים יכול להתקדם אך ורק עם שימוש במגוון נושאי אלקטרונים ואנזימים (בלעדיהם, תהליך זה ייקח זמן רב להפליא).

תפקידו של חמצון אורגני בתעשייה

אם אנחנו מדברים על התפקיד של חמצון אורגני בתעשייה, אז תופעה זו משמשת בסינתזה, בעבודה של חיידקי חומצה אצטית (עם חמצון אורגני לא שלם, הם יוצרים מספר חומרים חדשים), ובמקרים מסוימים, עם חומרים אורגניים , אפשרי גם ייצור של חומרים נפיצים.

עקרונות כתיבת משוואות בכימיה אורגנית

בכימיה אי אפשר בלי לערוך משוואה - זוהי מעין שפה של המדע הזה, שכל המדענים של כדור הארץ, ללא קשר ללאום, יכולים לדבר ולהבין זה את זה.

עם זאת, הקשיים הגדולים ביותר נגרמים על ידי הידור של משוואות כאשר המחקר של כימיה אורגנית אמור להיות.

כדי לפרק נושא זה, נדרש פרק זמן ארוך מאוד, לכן נבחר כאן רק אלגוריתם קצר של פעולות לפתרון שרשרת משוואות עם כמה הסברים:

1. ראשית, אנו מיד בוחנים כמה תגובות מתרחשות בתהליך נתון, וממספרים אותן. אנו קובעים גם את המחלקות, את שמות החומרים ההתחלתיים ואת החומרים שנוצרים בסופו של דבר;
2. שנית, יש צורך לכתוב את כל המשוואות אחת אחת ולברר את סוג התגובות שלהן (תרכובת, פירוק, החלפה, החלפה) והתנאים.
3. לאחר מכן, אתה יכול לערוך יתרות אלקטרוניות, וגם לא לשכוח להגדיר את המקדמים.

תגובות חמצון של חומרים אורגניים ותוצרי היווצרותם הסופיים

חמצון בנזן

אפילו בתנאים האגרסיביים ביותר, בנזן אינו נתון לחמצון. עם זאת, ניתן לחמצן הומולוגיות בנזן בהשפעת תמיסה של אשלגן פרמנגנט במדיום ניטרלי ליצירת אשלגן בנזואט.

אם המדיום הנייטרלי משתנה לחומצי, ניתן לחמצן הומולוגיות בנזן על ידי אשלגן פרמנגנט או דיכרומט עם היווצרות סופית של חומצה בנזואית.

היווצרות נוסחה של חומצה בנזואית

חמצון אלקן

בחמצון של אלקנים עם חומרי חמצון אנאורגניים, התוצרים הסופיים הם מה שנקרא אלכוהול דו-הידרי - גליקוגנים. הגורמים המפחיתים בתגובות אלו הם אטומי פחמן.

דוגמה טובה לכך היא התגובה הכימית של תמיסה של אשלגן פרמנגנט בקשר עם סביבה אלקלית חלשה.

תנאי חמצון אגרסיביים מובילים לעובדה ששרשרת הפחמן נהרסת בקשר הכפול עם התוצרים הסופיים של היווצרות בצורת שתי חומצות. יתר על כן, אם המדיום עם תכולה גבוהה של אלקלי יוצר שני מלחים. כמו כן, מוצרים הנובעים מפירוק שרשרת הפחמן יכולים ליצור חומצה ופחמן דו חמצני, אך בתנאים של סביבה אלקלית חזקה, מלחי קרבונט פועלים כתוצרים של התגובה החמצונית.

אלקנים מסוגלים להתחמצן כאשר הם שקועים בסביבה החומצית של אשלגן דיכרומט באופן דומה כפי שמוצג בשתי הדוגמאות הראשונות.

חמצון אלקין

שלא כמו אלקנים, אלקנים מתחמצנים בסביבה אגרסיבית יותר. הרס שרשרת הפחמן מתרחש בקשר המשולש. תכונה משותפת של אלקנים היא חומרי ההפחתה המיוצגים על ידי אטומי פחמן.

תוצרי התגובה הפלט הם פחמן דו חמצני וחומצות. מונח אשלגן פרמנגנט בסביבה חומצית יהווה חומר מחמצן.

תוצרי החמצון של אצטילן, כשהם טבולים בתווך ניטרלי עם אשלגן פרמנגנט, הם אשלגן אוקסלט.

כשמדיום ניטרלי משתנה לחומצי, תגובת החמצון ממשיכה ליצירת פחמן דו חמצני או חומצה אוקסלית.

חמצון של אלדהידים

אלדהידים מתחמצנים בקלות בשל תכונותיהם כחומרים מפחיתים חזקים. כחומרי חמצון עבור אלדהידים, ניתן להבחין באשלגן פרמנגנט עם אשלגן דיכרומט, כמו בגרסאות הקודמות, וכן בתמיסה של כסף הידרוקסיד דיאמין - OH והידרוקסיד נחושת - Cu (OH) 2, האופיינית בעיקר לאלדהידים. תנאי חשוב להתרחשות תגובת החמצון של אלדהידים הוא השפעת הטמפרטורה.

בסרטון ניתן לראות כיצד נוכחות אלדהידים נקבעת בתגובה עם הידרוקסיד נחושת.

אלדהידים מסוגלים להתחמצן לחומצות קרבוקסיליות בהשפעת כסף הידרוקסיד דיאמין בצורה של תמיסה עם שחרור מלחי אמוניום. תגובה זו נקראת "מראה הכסף".

בנוסף, הסרטון מדגים תגובה מעניינת, המכונה "מראה הכסף". חוויה זו מתרחשת באינטראקציה של גלוקוז, שהוא גם אלדהיד, עם תמיסה של אמוניה מכסף.

חמצון אלכוהול

תוצר החמצון של אלכוהול תלוי בסוג אטום הפחמן שאליו מחוברת קבוצת ה-OH של האלכוהול. אם הקבוצה מקושרת על ידי אטום פחמן ראשוני, אז תוצר החמצון יהיה אלדהידים. אם קבוצת OH של אלכוהול קשורה לאטום פחמן משני, אז תוצר החמצון הוא קטונים.

אלדהידים, בתורם, שנוצרו במהלך חמצון של אלכוהול, לאחר מכן ניתן לחמצן ליצירת חומצות. זה מושג על ידי חמצון של אלכוהולים ראשוניים עם אשלגן דיכרומט במדיום חומצי במהלך הרתיחה של האלדהיד, אשר, בתורו, אין להם זמן להתחמצן במהלך האידוי.

במצב של נוכחות מופרזת של חומרי חמצון כמו אשלגן פרמנגנט (KMnO4) ואשלגן דיכרומט (K2Cr2O7), כמעט בכל תנאי, אלכוהולים ראשוניים יכולים להתחמצן עם שחרור חומצות קרבוקסיליות, וקטונים, בתורם, לאלכוהול משניים. , דוגמאות לתגובות שלהן עם תוצרי היווצרות ייחשבו להלן.

אתילן גליקול או מה שנקרא אלכוהול דו-הידרי, תלוי במדיום, ניתן לחמצן למוצרים כמו חומצה אוקסלית או אשלגן אוקסלט. אם אתילן גליקול נמצא בתמיסה של אשלגן פרמנגנט בתוספת חומצה, נוצרת חומצה אוקסלית, אם אלכוהול דו-הידרי נמצא באותה תמיסה של אשלגן פרמנגנט או אשלגן דיכרומט, אבל במדיום ניטרלי, אז נוצר אשלגן אוקסלט. בואו נסתכל על התגובות הללו.

גילינו בהתחלה כל מה שצריך להבין ואפילו התחלנו לנתח נושא כל כך קשה כמו פתרון והרכבת משוואות. לסיכום, אנו יכולים רק לומר שתרגול מאוזן ולימודים תכופים יעזרו לגבש במהירות את החומר הנסקר וללמוד כיצד לפתור בעיות.

אחת ההנחות העיקריות של ההשערה ההטרוטרופית היא שלהופעת החיים קדמה הצטברות של מולקולות אורגניות. היום אנו קוראים למולקולות אורגניות כל אותן מולקולות המכילות פחמן ומימן. אנו קוראים למולקולות אורגניות גם משום שבמקור האמינו שתרכובות מסוג זה יכולות להיות מסונתזות רק על ידי אורגניזמים חיים.

עם זאת, עוד בשנת 1828. כימאים למדו לסנתז אוריאה מחומרים אנאורגניים. אוריאה היא תרכובת אורגנית המופרשת בשתן של בעלי חיים רבים. אורגניזמים חיים נחשבו למקור היחיד של אוריאה עד שניתן היה לסנתז אותו במעבדה. תנאי המעבדה שבהם הושגו תרכובות אורגניות על ידי כימאים מחקים ככל הנראה במידה מסוימת את תנאי הסביבה על פני כדור הארץ בתקופה המוקדמת לקיומו. תנאים אלו עלולים, לפי מחברי ההשערה ההטרוטרופית, להוביל ליצירת תרכובות אורגניות מאטומי חמצן, מימן, חנקן ופחמן.

זוכה פרס נובל הרולד אורי, שעבד באוניברסיטת שיקגו, החל להתעניין באבולוציה של תרכובות כימיות על פני כדור הארץ בתקופה המוקדמת של קיומו. הוא דן בבעיה זו עם אחד מתלמידיו, סטנלי מילר. במאי 1953 פירסם מילר מאמר שכותרתו "היווצרות חומצות אמינו בתנאים דומים לאלו שהיו על כדור הארץ בתקופה המוקדמת", בו ציין כי A.I. אופרין היה הראשון שהביע את הרעיון שבסיס החיים - תרכובות אורגניות נוצרו בתקופה שבה האטמוספירה של כדור הארץ הכילה מתאן, אמוניה, מים ומימן, ולא פחמן דו חמצני, חנקן, חמצן ומים. לאחרונה, הרעיון הזה קיבל אישור ברובוטים של Urey וברנל.

על מנת לבחון השערה זו, הועברה תערובת של גזים CH4, NH3, H2O ו-H2 דרך מערכת צינורות במכשיר שתוכנן במיוחד, ונוצרה פריקה חשמלית בנקודת זמן מסוימת. התוכן של חומצות אמינו נקבע בתערובת שהתקבלה.

במכשיר האטום שתכנן מילר, המלא במתאן, מימן ואמוניה, עברה פריקה חשמלית. אדי מים הגיעו ממכשיר מיוחד הקשור לחלק העיקרי של המכשיר. הקיטור, שעבר דרך המכשיר, התקרר והתעבה בצורה של גשם. לפיכך, התנאים שהיו קיימים באטמוספירה של כדור הארץ הפרימיטיבי שוחזרו בצורה מדויקת למדי במעבדה. אלה כוללים חום, גשם והבזקי אור קצרים. שבוע לאחר מכן, מילר ניתח את הגז, שהיה בתנאי ניסוי. הוא גילה שהנוזל חסר הצבע שנוצר בעבר הפך לאדום.

ניתוח כימי הראה שבנוזל הופיעו כמה תרכובות שלא היו בתחילת הניסוי. האטומים של כמה מולקולות גז חברו מחדש ויצרו מולקולות חדשות ומורכבות יותר - מולקולות אורגניות. על ידי ניתוח התרכובות שנמצאו בנוזל, גילה מילר כי נוצרות שם מולקולות אורגניות הידועות כחומצות אמינו. חומצות אמינו מורכבות מאטומי פחמן, מימן, חמצן וחנקן.

כל אטום פחמן מסוגל ליצור ארבעה קשרים כימיים עם אטומים אחרים. הניסויים של מילר מצביעים על כך שתהליכים דומים יכולים להתרחש באטמוספירה של כדור הארץ בתקופה המוקדמת לקיומו. ניסויים אלו היו אישור חשוב להשערה ההטרוטרופית.

הסוכנות הפדרלית לחינוך

מוסד חינוך ממלכתי

אוניברסיטת נובגורוד ירוסלב החכם

הפקולטה למדעי הטבע ומשאבי טבע

המחלקה לכימיה ואקולוגיה

ייצור וצריכה של חומרים אורגניים על ידי צמחים

אוסף הנחיות

וליקי נובגורוד

היווצרות וצריכה של חומרים אורגניים על ידי צמחים: אוסף הנחיות לעבודת מעבדה / ערוך על ידי Kuzmina I. A. - Novgorod State University, Veliky Novgorod, 2007. - 12 p.

ההנחיות מיועדות לתלמידי ההתמחות 020801.65 - "אקולוגיה" ולכל הסטודנטים הלומדים "אקולוגיה כללית".

מבוא

להיווצרות חומרים אורגניים - יש צורך בבסיס של ביומסה צמחית על פני כדור הארץ, פחמן דו חמצני ומים אטמוספריים, כמו גם מינרלים בקרקע. בעזרת אור באורך גל מסוים, פחמן דו חמצני מקובע בצמחים במהלך הפוטוסינתזה. כתוצאה מכך משתחרר חמצן לאטמוספירה, שנוצר במהלך הפוטוליזה של המים. זהו השלב הראשון של מחזור הפחמן הביוכימי.

כמות האנרגיה הנאגרת על פני כדור הארץ באמצעות פוטוסינתזה היא עצומה. מדי שנה, כתוצאה מפוטוסינתזה על ידי צמחים ירוקים, נוצרים 100 מיליארד טונות של חומרים אורגניים, המכילים כ-450-1015 קק"ל של אנרגיית השמש המומרת לאנרגיה של קשרים כימיים. תהליכים אלו מלווים בתופעות גרנדיוזיות כמו הטמעה של כ-170 מיליארד טונות של פחמן דו חמצני על ידי צמחים, פירוק פוטוכימי של כ-130 מיליארד טונות מים, מהם משתחררים 115 מיליארד טונות של חמצן חופשי.

החמצן הוא בסיס החיים של כל היצורים החיים, המשתמשים בו כדי לחמצן תרכובות אורגניות שונות בתהליך הנשימה; בולט בזה CO2.זהו השלב השני של מחזור הפחמן הביוכימי הקשור לתפקוד הפחמן הדו חמצני של אורגניזמים חיים. יחד עם זאת, שחרור החמצן בשלב הראשון גבוה בסדר גודל בערך מספיגתו בשלב השני, כתוצאה מכך, במהלך תפקודם של צמחים ירוקים, מצטבר חמצן באטמוספרה.

האנרגיה הנקשרת על ידי אוטוטרופים בתהליך הפוטוסינתזה מושקעת לאחר מכן על פעילותם החיונית של הטרוטרופים שונים, כולל בני אדם, והופכת חלקית לאנרגיה תרמית, ונאגרת במספר מרכיבים המרכיבים את הביוספרה (צמחים ואדמה). בביומות יבשתיות, הפחמן במהלך הפוטוסינתזה מקובע בצורה החזקה ביותר על ידי יערות (-11 מיליארד טון בשנה), לאחר מכן אדמה לעיבוד (-4 מיליארד טון), ערבות (-1.1 מיליארד טון), מדבריות (-0.2 מיליארד טון). אבל רוב הפחמן קושר את האוקיינוס ​​העולמי, שתופס כ-70% משטח כדור הארץ (127 מיליארד טון בשנה).

החומרים האורגניים המתקבלים של אוטוטרופים נכנסים לשרשרות המזון של הטרוטרופים שונים, ועוברים דרכם, עוברים טרנספורמציה, מאבדים מסה ואנרגיה (פירמידות מסה, אנרגיה), האחרון מושקע בתהליכים החיוניים של כל האורגניזמים שהם חלק מהמזון שרשראות כחוליות, נכנסות לחלל העולם בצורה של אנרגיה תרמית.

החומר האורגני של אורגניזמים חיים שונים לאחר מותם הופך לרכוש (מזון) של מיקרואורגניזמים הטרוטרופיים. מיקרואורגניזמים מפרקים חומר אורגני בתהליך של תזונה, נשימה ותסיסה. כאשר פחמימות מתפרקות, נוצר פחמן דו חמצני המשתחרר לאטמוספירה מחומר אורגני מפורק על הקרקע וכן מהאדמה. במהלך פירוק החלבונים נוצרת אמוניה המשתחררת חלקית לאטמוספירה ובעיקר ממלאת את מאגרי החנקן בקרקע בתהליך הניטריפיקציה.

חלק מהחומר האורגני אינו מתפרק, אלא יוצר "קרן מילואים". בתקופה הפרהיסטורית נוצרו כך פחם, גז, פצלי, וכיום - חומוס כבול ואדמה.

כל התהליכים הנ"ל הם השלבים והשלבים החשובים ביותר של מחזורים ביוכימיים (פחמן, חמצן, חנקן, זרחן, גופרית וכו'). לפיכך, חומר חי בתהליך חילוף החומרים שלו מבטיח את יציבות קיומו של הביוספרה עם הרכב מסוים של אוויר, מים, אדמה, וללא התערבות אנושית, ההומאוסטזיס הזה של המערכת האקולוגית "כדור הארץ" יישמר ללא הגבלת זמן.

2 דרישות בטיחות

הניסויים מתבצעים אך ורק בהתאם להנחיות המתודולוגיות. בעת ביצוע עבודה, יש להקפיד על תקנות הבטיחות הכלליות עבור מעבדות כימיות. במקרה של מגע של ריאגנטים עם עור או בגדים, יש לשטוף את האזור הפגוע במהירות עם הרבה מים.

3 ניסיוני

עבודה מס' 1. קביעת היווצרות חומר אורגני בעלים של צמחים בזמן פוטוסינתזה (לפי תכולת פחמן)

פוטוסינתזה היא התהליך העיקרי של צבירת חומר ואנרגיה על פני כדור הארץ, כתוצאה מכך CO2ו H2Oנוצרים חומרים אורגניים (בנוסחה זו - גלוקוז):

6CO2 + 6H2O + אנרגיית אור → С6Н12О6+ 602t

אחת הדרכים למדוד את עוצמת הפוטוסינתזה היא לקבוע את היווצרות החומר האורגני בצמחים לפי תכולת פחמן, הנלקחת בחשבון בשיטת הבעירה הרטובה שפותחה לקרקעות ושונתה עבור צמחים עציים על ידי F. 3. Borodulina.

בדגימת העלים שנלקחה קובעים את תכולת הפחמן, לאחר מכן שומרים את העלים 2-3 שעות או יותר באור, ושוב קובעים את תכולת הפחמן. ההבדל בין הקביעה השנייה והראשונה, המבוטא ליחידת פני עלה ליחידת זמן, מעיד על כמות החומר האורגני שנוצר.

במהלך הבעירה, הפחמן של העלים מתחמצן בתמיסת 0.4 N של אשלגן ביכרומט בחומצה גופרתית. התגובה ממשיכה לפי המשוואה הבאה:

2K2Cr2О7 + 8H2SO4 + 3C = 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O + 3СО2

הכמות הלא מנוצלת של אשלגן דיכרומט נקבעת על ידי טיטרציה חזרה עם תמיסה של 0.2 N של מלח מוהר:

6FeSO4 ∙ (NH4)2SO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 =

Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 6(NH4)2SO4 + K2SO4 + 7H2O

כאינדיקטור, משתמשים בתמיסה חסרת צבע של דיפנילמין, שעם חמצון הופכת לסגול דיפנילבנזידין כחול-סגול. אשלגן ביכרומט מחמצן את דיפנילמין והתערובת הופכת בצבע אדום-חום. כאשר טיטרציה עם מלח מוהר, כרום משושה מופחת לכרום תלת ערכי. כתוצאה מכך, צבע התמיסה הופך לכחול, ובסוף הטיטרציה - כחול-סגול. כאשר כרום עובר טיטרציה, התוספת שלאחר מכן של מלח מוהר גורמת למעבר של הצורה המחומצנת של האינדיקטור לצמצום (חסר צבע); מופיע צבע ירוק, שניתן לתמיסה על ידי יוני כרום משולשים. מעבר ברור מכחול-סגול לירוק מונע על ידי יוני ברזל המופיעים במהלך התגובה. כדי להפוך את סוף תגובת הטיטרציה לבהירה יותר, היא מתבצעת בנוכחות חומצה זרחתית, הקושרת את יוני Fe3+ ליון מורכב חסר צבע 3- ומגינה על דיפנילמין מפני חמצון.

ציוד, ריאגנטים, חומרים:

1) צלוחיות חרוטיות של 250 מ"ל; 2) צלוחיות חרוטיות עמידות בחום של 100 מ"ל; 3) משפכי זכוכית קטנים המשמשים כמעבים ריפלוקס; 4) בוריטים; 5) תמיסה של 0.4 N של אשלגן דיכרומט (בחומצה גופרתית מדוללת (1:1)); 6) 0.2 N תמיסת מלח Mohr's; 7) דיפנילמין; 8) 85% חומצה זרחתית; 9) מקדחה שעם או מכשיר אחר לניתוק דיסקים בקוטר 1 ס"מ; 10) גליל מדידה; 11) צמחים וגטטיביים בעלי להב עלה סימטרי רחב ודק (גרניום, פוקסיה, עלים של צמחים עציים).

התקדמות

עלה של צמח צומח מחולק לשני חצאים לאורך הווריד הראשי ועל אחד מהם חותכים 3 דיסקים בקוטר 1 ס"מ בעזרת מקדחה שעם, המונחות בתחתית בקבוק עמיד בחום של 100 מ"ל, כאשר 10 מ"ל של תמיסת 0.4 N K2Cr2O7 יוצקים . את הבקבוק סוגרים עם משפך קטן, זורקים כלפי מטה ומניחים על פלטה עם ספירלה סגורה במנדף. כשהתמיסה רותחת, מביאים לרתיחה עדינה למשך 5 דקות, ומדי פעם מנערים קלות את הבקבוק בתנועות סיבוביות כדי שהדיסקים מכוסים היטב בנוזל. בחלק העליון של הבקבוקון (מבלי לסגור את הצוואר) מתחזקת חגורה של מספר שכבות של נייר עבה, שתמנע כוויות בידיים בעת ערבוב תכולת הבקבוק ובעת סידורה מחדש.

לאחר מכן מסירים את הבקבוק מהחימום, מניחים אותו על אריחי קרמיקה ומצננים. הנוזל צריך להיות בצבע חום. אם צבעו ירקרק, אז זה מצביע על כמות לא מספקת של אשלגן ביכרומט שנלקח לחמצון של חומר אורגני. במקרה זה, יש לחזור על הקביעה עם יותר מגיב או פחות חתכים.

150 מ"ל מים מזוקקים יוצקים לתמיסה המקוררת במנות קטנות במספר שלבים, ואז נוזל זה נשפך בהדרגה לבקבוק של 250 מ"ל, שבו מוסיפים 3 מ"ל חומצה אורתופוספורית 85% ו-10 טיפות דיפנילמין. נער את התוכן וטיטר עם תמיסת מלח 0.2 N Mohr's.

במקביל, מתבצעת קביעת בקרה (ללא חומר צמחי תוך הקפדה על כל הפעולות לעיל. מלח מוהר מאבד טיטר מהר יחסית, ולכן יש לבדוק את התמיסה מעת לעת לפני שמתחילים בקביעה.

כמות הפחמן של חומר אורגני הכלול ב-1 dm2 של פני העלים מחושבת על ידי הנוסחה:

א - כמות מלח מוהר במיליליטר המשמשת לטיטרציה של תמיסת הבקרה;

b היא כמות המלח של Mohr במיליליטר המשמשת לטיטרציה של תמיסת הבדיקה;

k - תיקון לטיטר של מלח מוהר;

0,6 - מיליגרם פחמן המקביל ל-1 מ"ל של תמיסת מלח 0.2 N Mohr's בדיוק;

S - שטח חתך, cm2.

תכנית לרישום תוצאות

דוגמה לחישוב כמות הפחמן:

1. בתחילת החוויה:

a = 19 מ"ל, b = 9 מ"ל, k = 1, S = πr2∙3 = (3.14∙12)∙3 = 9.4 cm2

מימן" href="/text/category/vodorod/" rel="bookmark"> מימן מתנדף בצורה של פחמן דו חמצני, מים ותחמוצות חנקן. השארית הבלתי נדיפה הנותרת (אפר) מכילה יסודות הנקראים אפר. ההבדל בין המסה של כל המדגם היבש ושארית האפר היא מסת החומר האורגני.

1) סולמות טכנוכימיים אנליטיים או מדויקים; 2) תנור מופל; 3) מלקחי היתוך; 4) כיריים חשמליות עם ספירלה סגורה; 5) כור היתוך פורצלן או כוסות אידוי; 6) לנתח מחטים; 7) ייבוש; 8) אלכוהול; 9) מים מזוקקים; 10) סידן כלורי; 11) שבבי עץ מיובשים עד יבשים לחלוטין, קליפה כתושה, עלים, אדמת חומוס.

התקדמות

דגימות יבשות ומרוסקות של עץ, קליפה, עלים ואדמה (3-6 גרם או יותר), שנבחרו בשיטת הדגימה הממוצעת, נשקלות עד 0.01 גרם על נייר איתור. הם מונחים בתוך כור היתוך חרסינה או כוסות אידוי (5-7 ס"מ קוטר), חתומות בתמיסה 1% של כלוריד ברזל, שהופכת לחום בחימום ואינה נעלמת בהסתיידות. כור היתוך עם חומר אורגני מונח על כיריים חשמליות מחוממות במנדף ומחממים עד להיעלמות החריכה והעשן השחור. במקרה זה, אם יש כמות גדולה יותר של חומר צמחי, ניתן להשלים אותו מדגימה שקולה מראש.

לאחר מכן מכניסים את כור ההיתוך לכבשן מופל בטמפרטורה של 400-450 מעלות צלזיוס ונשרפים עוד 20-25 דקות עד שהאפר הופך לבן-אפור. בטמפרטורת סידוד גבוהה יותר, ייתכנו הפסדים משמעותיים של גופרית, זרחן, אשלגן ונתרן. ניתן גם להבחין בהתמזגות עם חומצה סיליקית, מה שמפריע לאפר מוחלט. במקרה זה מפסיקים את ההסתיידות, מצננים את כור ההיתוך ומוסיפים לו כמה טיפות מים מזוקקים חמים; מייבשים על אריח וממשיכים בחידוד.

הווריאציות הבאות של צבע האפר אפשריות: אדום-חום (עם תכולה גבוהה של תחמוצות ברזל בדגימה), ירקרק (בנוכחות מנגן), אפור-לבן.

בהיעדר תנור מופל, ניתן לבצע בעירה למטרות הדרכה על תנור חשמלי תחת טיוטה. כדי ליצור טמפרטורות גבוהות יותר, יש צורך להגן מקרוב על האריח עם יריעת ברזל בצורת צד בגובה 5-7 ס"מ מיריעת האריח, ולכסות אותו גם בפיסת אסבסט מעל. השריפה מתבצעת במשך 30-40 דקות. בעת שריפה, יש צורך בבחישה תקופתית של החומר עם מחט לנתח. השריפה מתבצעת גם לאפר לבן.

במקרה של בעירה איטית, כמות קטנה של אלכוהול נמזגת לתוך כור היתוך מקורר ומדליקה. לא אמורים להיות חלקיקים שחורים בולטים של פחם באפר. אחרת, הדגימות מטופלות ב-1 מ"ל מים מזוקקים, מערבבים וחוזרים על ההסתיידות.

לאחר השלמת הבעירה מקררים את כור ההיתוך במייבש עם מכסה ושוקלים אותם.

הצהרה" href="/text/category/vedomostmz/" rel="bookmark">הצהרה מצוירת על הלוח.

תכנית לרישום תוצאות

עבודה מספר 3. קביעת צריכת חומר אורגני על ידי צמחים בזמן הנשימה

כל קהילה של אורגניזמים חיים על פני כדור הארץ מאופיינת בפרודוקטיביות ובקיימות שלה. פרודוקטיביות מוגדרת, במיוחד, כהבדל בין הצטברות וצריכה של חומר אורגני בתהליכים קרדינליים כמו פוטוסינתזה ונשימה. בתהליך הראשון מסונתז חומר אורגני מפחמן דו חמצני ומים עם שחרור חמצן, בשני הוא מתפרק עקב תהליכי חמצון המתרחשים במיטוכונדריה של תאים עם ספיגת חמצן. צמחים שונים משתנים מאוד ביחס של תהליכים אלה. כן, ב C4צמחים (תירס, סורגום, קני סוכר, עצי מנגרובים), נצפית עוצמה גבוהה של פוטוסינתזה עם מעט נשימה קלה, מה שמבטיח את התפוקה הגבוהה שלהם בהשוואה ל C3צמחים (חיטה, אורז).

C3 - צמחים. זהו רוב הצמחים על פני כדור הארץ שמבצעים C3- הדרך לקיבוע פחמן דו חמצני במהלך הפוטוסינתזה, וכתוצאה מכך היווצרות תרכובות שלושה פחמנים (גלוקוז וכו'). אלה הם בעיקר צמחים של קווי רוחב ממוזגים, שהטמפרטורה האופטימלית שלהם היא + 20 ... + 25 מעלות צלזיוס, והמקסימום הוא + 35 ... + 45 מעלות צלזיוס.

C4 -צמחים. אלו אלו שתוצרי הקיבוע שלהם CO2הן חומצות אורגניות עם ארבעה פחמנים וחומצות אמינו. אלה כוללים בעיקר צמחים טרופיים (תירס, סורגום, קני סוכר, מנגרובים). C4- נתיב קיבוע CO2נמצא כעת ב-943 מינים מ-18 משפחות ו-196 סוגים, כולל מספר צמחי דגנים בקווי רוחב ממוזגים. צמחים אלה נבדלים על ידי עוצמה גבוהה מאוד של פוטוסינתזה, הם סובלים טמפרטורות גבוהות (האופטימלי שלהם הוא +35 ... + 45 מעלות צלזיוס, מקסימום + 45 ... + 60 מעלות צלזיוס). הם מותאמים מאוד לתנאי חום, משתמשים במים ביעילות, סובלים מתחים - בצורת, מליחות, ומאופיינים בעוצמה מוגברת של כל התהליכים הפיזיולוגיים, מה שקובע מראש את התפוקה הביולוגית והכלכלית הגבוהה מאוד שלהם.

נשימה אירובית (בהשתתפות חמצן) היא תהליך הפוך של פוטוסינתזה. בתהליך זה, חומרים אורגניים המסונתזים בתאים (סוכרוז, חומצות אורגניות וחומצות שומן) מתפרקים עם שחרור אנרגיה:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + אנרגיה

כל הצמחים ובעלי החיים מקבלים אנרגיה כדי לקיים את חייהם באמצעות נשימה.

השיטה לקביעת עוצמת הנשימה בצמחים מבוססת על התחשבות בכמות הפחמן הדו חמצני המשתחרר על ידי הצמחים, הנספגת בבריט:

Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3 + H2O

עודף בריט שלא הגיב איתו CO2,טיטר עם חומצה הידרוכלורית:

Ba(OH)2 + 2HCl = BaC12 + H2O

ציוד, ריאגנטים, חומרים

1) צלוחיות חרוטיות בפה רחב עם קיבולת של 250 מ"ל; 2) פקקי גומי עם חורים קדחו שאליהם מוחדר צינור זכוכית; חוט דק באורך 12-15 ס"מ נמשך לתוך הצינור; 3) סולמות טכנוכימיים; 4) משקולות; 5) נייר אטום שחור; 6) בורטים עם תמיסה של Ba(OH)2 ומעליו פקק, שלתוכם מכניסים צינור עם סודה ליים; 7) תמיסה של 0.1 N Ba(OH)2; 8) תמיסה של 0.1 N HCl; 9) תמיסה של 1% של פנולפטלין בטפטפת; 10) עלים ירוקים, שנקטפו טרי בסביבה טבעית או עלים של צמחים מקורה.

התקדמות

5-8 גרם של עלים ירוקים וטריים של צמחים נשקלים עם פטוטרות על מאזניים טכנוכימיים, הפטוטרות מהודקות בקצה אחד של החוט, שנמשך דרך חור הפקק (איור 1).

אורז. 1. בקבוק מותקן לקביעת עוצמת הנשימה:

1 - חוט, 2 - צינור זכוכית, 3 - פקק גומי, 4 - צרור עלים, 5 - בריט.

מומלץ לבצע התקנת ניסיון לפני כן על ידי הורדת החומר לתוך הבקבוק וסגירת הבקבוק עם פקק. יש לוודא שהפקק סוגר היטב את הבקבוק, צרור העלים ממוקם בחלק העליון של הבקבוק והמרחק בין הבאריט לצרור גדול מספיק. מומלץ לאטום את כל החורים בין הבקבוק, הפקק והצינור בפלסטלינה, ולבודד את המערכת בעזרת פיסת נייר כסף ביציאה העליונה של החוט מהצינור.

10 מ"ל מתמיסת 0.1 N Ba(OH)2 יוצקים לתוך צלוחיות הניסוי מבורה, החומר מונח ומבודד בשיטה הנ"ל. בקרה (ללא צמחים) ממוקמת ב-2-3 שכפולים. כל הצלוחיות מכוסות בנייר אטום שחור כדי לא לכלול פוטוסינתזה וזהות כל הצלוחיות, זמן ההתחלה של הניסוי מצוין, שנמשך שעה. במהלך הניסוי, נער בעדינות את הצלוחיות מעת לעת כדי להרוס את סרט ה-BaCO3 שנוצר על משטח בריט ומונע ספיגה מלאה של CO2.

לאחר שעה, פתחו מעט את הפקק והוציאו את החומר מהצלוחיות על ידי משיכה מהירה של החוט עם העלים. סגור את הפקק מיד על ידי בידוד החלק העליון של הצינור בנייר כסף. לפני טיטרציה, הוסף 2-3 טיפות של פנולפטלין לכל בקבוק: התמיסה הופכת לארגמן. טיטר בריט חופשי עם 0.1 N HCl. צלוחיות הבקרה עוברות טיטרציה תחילה. קח את הממוצע ולאחר מכן טיטר את צלוחיות הניסוי. טיטר את התמיסות בזהירות עד שהן הופכות חסרות צבע. רשמו את התוצאות בטבלה (על הלוח ובפנקס).

מוצר סופי" href="/text/category/konechnij_produkt/" rel="bookmark">מוצרים סופיים

צורה נוספת של פירוק של חומר אורגני לתרכובות הפשוטות ביותר הם תהליכים מיקרוביולוגיים בקרקעות ובמים, וכתוצאה מכך נוצר חומוס קרקע ומשקעי תחתית שונים של חומר אורגני מפורק למחצה (ספרופל וכו'). עיקר התהליכים הללו הוא הפירוק הביולוגי על ידי ספרופיטים של חומרים אורגניים המכילים חנקן ופחמן, המהווה חלק בלתי נפרד ממחזוריות היסודות הללו במחזוריות טבעית. חיידקי אממוניצירים מינרליים חלבונים של שאריות צמחים ובעלי חיים, כמו גם מיקרואורגניזמים אחרים (כולל מקבעים חנקן), אוריאה, כיטין, חומצות גרעין, וכתוצאה מכך היווצרות אמוניה (NH3). חלבונים מהצומח ומהחי המכילים גופרית מתפרקים אף הם, וכתוצאה מכך נוצר מימן גופרתי (H2S). התוצר של פעילות חיונית של מיקרואורגניזמים הוא גם תרכובות אינדול, הפועלות כממריצות גדילה. הידוע ביותר הוא חומצה β-indolylacetic או heteroauxin. חומרי אינדול נוצרים מחומצת האמינו טריפטופן.

תהליך הפירוק של חומרים אורגניים לתרכובות פשוטות הוא אנזימטי. השלב האחרון של האמוניפיקציה הוא מלחי אמוניום הזמינים לצמחים.

ציוד, ריאגנטים, חומרים

1) סולמות טכנוכימיים; 2) תרמוסטט; 3) מבחנות; 4) פקקי כותנה; 5) כוסות כימיות; 6) צלחות פטרי; 7) NaHCO3; 8) 5% PbNO3 או Pb(CH3COO)2; 9) הריאגנט של סלקובסקי; 10) המגיב של ארליך; 11) מגיב נינהידרין; 12) הריאגנט של נסלר; 13) אדמת חומוס; 14) עלי תורמוס טריים או עלים יבשים של קטניות אחרות; 15) דגים, ארוחה בשרית או חתיכות בשר, דגים.

התקדמות

א.אמוניפיקציה של חלבונים מן החי

א) מניחים 0.5-1 גרם דג טרי או חתיכת בשר קטנה במבחנה. הוסף מים מושבעים למחצית מנפח הצינור ו-25-50 מ"ג NaHCO3 (על קצה אזמל) לנטרול הסביבה, מה שמעדיף את פעילותם של אמוניפיטורים (סביבה ניטרלית או מעט בסיסית עדיפה עבורם ב-pH=7 ומעלה). הוסף גוש קטן של אדמת חומוס להחדרת חומרי אממוניציה לתוך המדיום, ערבב את תכולת המבחנה, סתום את המבחנה עם פקק כותנה, תחילה הצמד פיסת נייר עופרת בין הפקק למבחנה (איור 2). כדי שלא יגע בפתרון. עטפו כל צינור בחלק העליון בנייר כסף כדי למנוע בריחת גז מהצינור. הכניסו הכל לתרמוסטט ב-25-30 מעלות צלזיוס למשך 7-14 ימים.

אורז. 2. מבחנה מותקנת לקביעת אמוניפיקציה של חלבונים: 1 - מבחנה; 2 - תקע כותנה; 3 - נייר עופרת; 4 - יום רביעי.

ניסוי זה מדמה פירוק של שאריות אורגניות בסביבה המימית של מאגר עומד (למשל, בריכה), שאליו יכולים להיכנס חלקיקי אדמה משדות סמוכים באמצעות שטיפה.

ב) יוצקים אדמת חומוס לכוס, יוצקים עליה מים מושבעים, טמינו חתיכת בשר קטנה באדמה, חזקו נייר עופרת בין האדמה לשולי הכוס, סוגרים את המערכת בצלחת פטרי (הצד כלפי מטה), הכניסו תרמוסטט בטמפרטורה של 25-30 מעלות צלזיוס למשך שבוע או שבועיים.

ניסוי זה מחקה פירוק של שאריות אורגניות (תולעים, חיות אדמה שונות) באדמה.

ב.אמוניפיקציה של שאריות צמחים

עקבו אחר פירוק הדשן הירוק באדמה, עבורו מלאו כוס 100 מ"ל באדמת חומוס וקברו כמה חתיכות של גבעולים ירוקים ועלים של תורמוס רב שנתי, אפונה ושעועית שנשתלו בעציץ בסתיו. ניתן להשתמש בחלקים יבשים של צמחי קטניות שנקטפו בקיץ, מאודים במים. סוגרים את הכוסות במכסה מצלחת פטרי, מניחים בתרמוסטט בטמפרטורה של 25-30 מעלות צלזיוס למשך שבוע עד שבועיים, תוך שמירה על לחות אדמה תקינה במהלך הניסוי (60% מכלל קיבולת הלחות), ללא יתר- להרטיב אותו.

המשך עבודה מס' 4 (מתבצע תוך 7-14 ימים)

א) מסננים חלק מתמיסת התרבית מהמבחנות שבהן התרחש פירוק חלבונים מן החי. שימו לב להיווצרות מוצרים בעלי ריח רע (מימן גופרתי - ריח של ביצים רקובות, תרכובות אינדול וכו').

זיהוי היווצרות של אמוניה על ידי הוספת 2-3 טיפות מגיב של נסלר ל-1 מ"ל של תמיסת התרבות. לשם כך, נוח להשתמש בזכוכית שעון המונחת על דף נייר לבן, או בכוס חרסינה. הצהבה של התמיסה מעידה על נוכחות של אמוניה שנוצרה במהלך הרס חלבונים.

גלה נוכחות של מימן גופרתי על ידי השחרת נייר העופרת מעל התמיסה או על ידי הורדתו לתוך התמיסה.

שחרר את תמיסת התרבית על נייר פילטר או כרומטוגרפיה עם מיקרופיפטה עם אף נסוג (10-20 טיפות בנקודה אחת), יבש על מאוורר, שחרר את הריאגנט של סלקובסקי, מגיב של ארליך או נינהידרין. לחמם מעל הכיריים. תרכובות אינדול עם ריאגנט של סלקובסקי נותנות צבע כחול, אדום, פטל בהתאם להרכב המוצר אינדול (חומצה אינדולאצטית אוקסין נותן צבע אדום). המגיב של ארליך נותן צבע סגול עם נגזרות אינדול. מגיב הנינהדרין הוא תגובה לחומצת האמינו טריפטופן (המבשר של אינדול אוקסינים). בחימום - צביעה כחולה.

ב) מוציאים נתח בשר או דג מהאדמה יחד עם האדמה הצמודה לנתח, שמים בכוס, יוצקים מעט מים, מועכים בעזרת מוט זכוכית, מנערים, מסננים. קבע אמוניה, מימן גופרתי, חומרים אינדול בתסנין באמצעות השיטות לעיל. תהליכים דומים מתרחשים באדמה כאשר בעלי חיים מתים נרקבים.

ג) מוציאים מהאדמה גבעולים מפורקים למחצה של מסה ירוקה של תורמוס, מנקים מהאדמה וטוחנים במעט מים. מסננים 1-2 מ"ל מהתמיסה ומבצעים בדיקה של חנקן אמוניום המשתחרר במהלך מינרליזציה של חלבונים צמחיים (עם ריאגנט של נסלר). תהליכים דומים מתרחשים בקרקע כאשר חרישים זבל ירוק או שאריות אורגניות בצורת זבל, כבול, ספרופל וכו'.

קבע נוכחות של מימן גופרתי, חומרים אינדולים, טריפטופן.

ד) מניחים טיפת נוזל תרבית ממבחנה שבה פורק חלבון מן החי על גבי שקף זכוכית ובחנו אותה במיקרוסקופ בהגדלה של 600. נמצאו מיקרואורגניזמים רבים הגורמים לפירוק של חומרים אורגניים. לעתים קרובות הם נעים במרץ ועיקולים דמויי תולעת.

מבוא. 3

2 דרישות בטיחות. 4

3 חלק ניסיוני. 4

עבודה מס' 1. קביעת היווצרות חומר אורגני בעלים של צמחים בזמן פוטוסינתזה (לפי תכולת פחמן) 4

עבודה מס' 2. קביעת הצטברות חומר אורגני בביומסה צמחית ובקרקע. שמונה

עבודה מס' 3. קביעת צריכת חומר אורגני על ידי צמחים בזמן הנשימה 11

עבודה מס' 4. פירוק חומרים אורגניים במים ובאדמה עם קביעה של כמה תוצרי קצה. 14

היווצרות חומר אורגני הן ביבשה והן באוקיינוס ​​מתחילה בפעולת אור השמש על הכלורופיל של צמחים ירוקים. מכל מיליון פוטונים שמגיעים למעטפת הגיאוגרפית, לא יותר מ-100 הולכים לייצור מזון. מתוכם, 60 נצרכים על ידי צמחי יבשה ו-40 על ידי פיטופלנקטון באוקיינוס. חלק זה של אור מספק לכוכב הלכת חומר אורגני.

פוטוסינתזה מתרחשת בטווח החום שבין 3 ל-35 מעלות צלזיוס. באקלים מודרני, הצמחייה תופסת 133.4 מיליון קמ"ר ביבשה. שאר השטח נופל על קרחונים, מאגרי מים, מבנים ומשטחים סלעיים.

בשלב הנוכחי של התפתחות כדור הארץ, החלקים היבשתיים והאוקייניים של הביוספרה שונים. אין כמעט צמחים גבוהים יותר באוקיינוס. שטח החוף, שעליו צומחים צמחים המחוברים לקרקעית, הוא רק 2% מהשטח הכולל של קרקעית האוקיינוס. בסיס החיים באוקיינוס ​​הוא אצות פיטופלנקטון מיקרוסקופיות ואוכלי עשב זואופלנקטון מיקרוסקופיים. שניהם מפוזרים מאוד במים, ריכוז החיים קטן מאות אלפי מונים מאשר ביבשה. הערכות יתר קודמות של ביומסה באוקיינוס ​​תוקנו. על פי הערכות חדשות, המסה הכוללת קטנה פי 525 מאשר ביבשה. לפי V. G. Bogorov (1969) ו- A. M. Ryabchikov (1972), התפוקה השנתית של ביומסה על פני כדור הארץ היא 177 מיליארד טונות של חומר יבש, מתוכם 122 מיליארד טונות מקורם בצמחייה יבשתית ו-55 מיליארד טונות מפיטופלנקטון ימי. למרות שנפח הביומסה בים קטן בהרבה מאשר ביבשה, התפוקה שלה גבוהה פי 328 (A.M. Ryabchikov) מאשר ביבשת, זה נובע מהשינוי המהיר בדורות של אצות.

ביומסה יבשתית מורכבת מפיטומה, זומסה, כולל חרקים וגם ביומסה של חיידקים ופטריות. המסה הכוללת של אורגניזמי הקרקע מגיעה לכ-1-10 9 טון, ובהרכב הזום-מאס, החלק העיקרי (עד 99%) נופל על אורגניזמים חסרי חוליות.
ככלל, החומר של צמחים, בעיקר עצי, שולט לחלוטין בביומסה הקרקעית: פוטומסה מהווה 97-98%, וזומאס 1-3% במשקל (קובדה, 1971).
למרות שמסת החומר החי אינה גדולה בהשוואה לנפח האטמוספירה הליתו-, ההידרו- ואפילו האטמוספרה, תפקידו בטבע גדול לאין ערוך ממשקלו הסגולי. לדוגמה, על 1 דונם תפוס על ידי צמחים, שטח העלים שלהם יכול להגיע 80 דונם, אתה יכול לעשות עסקים ישירות, ושטח של גרגרי כלורופיל, כלומר, משטח עובד פעיל, גדול מאות מונים. שטח גרגרי הכלורופיל של כל הצמחים הירוקים על פני כדור הארץ שווה בערך לשטח צדק.

נדגיש שוב שפוטוסינתזה היא צורה מושלמת מאוד של צבירת אנרגיה, שכמותה מתבטאת במספר 12.6-10 21 J (3-1021 cal). אנרגיה זו מייצרת מדי שנה כ-5.8-10 11 טון של חומר אורגני על פני כדור הארץ, כולל 3.1 ∙ 10 10 טון ביבשה. מתוך מספר זה, יערות מהווים 2.04-10 10, ערבות, ביצות וכרי דשא 0.38-10 10, מדבריות 0.1 ∙ 10 10 וצמחייה מעובדת 0.58-10 10 ט (קובלה, 1971).

1 גרם אדמה בשדה כותנה מכיל 50-100 אלף מיקרואורגניזמים, שהם כמה טונות לדונם (קובדה, 1969). חלק מהקרקעות לדונם מכילות עד 10 מיליארד תולעים עגולות, עד 3 מיליון תולעי אדמה ו-20 מיליון חרקים.

בתנאים של כדור הארץ המודרני, היווצרות טבעית של תרכובות אורגניות מאי-אורגניות כמעט ואינה מתרחשת. יתר על כן, הופעתו של חומר אורגני חי היא בלתי אפשרית. באשר לכדור הארץ המוקדם, התנאים בו היו שונים לחלוטין. אטמוספירה מפחיתה עם ריכוז גבוה של מימן, מתאן ואמוניה, קרינה אולטרה סגולה עזה מהשמש, שאינה נספגת באטמוספרה כזו, ופריקות חשמליות חזקות באטמוספירה יצרו את התנאים הדרושים וככל הנראה מספקים להיווצרות של תרכובות אורגניות. ואכן, ניסויי מעבדה שבוצעו בתנאים המדמים את האטמוספירה לכאורה של כדור הארץ הקדום אפשרו להשיג מספר תרכובות אורגניות, כולל חומצות האמינו המרכיבות חלבונים חיים.

היעדר חמצן באטמוספירה היה תנאי הכרחי לסינתזה ספונטנית של חומר אורגני. עם זאת, מנקודת המבט של התמורות הבאות, גורם זה התברר כהרסני. למעשה, אטמוספרה נטולת חמצן מעבירה כמעט בחופשיות קרינה אולטרה סגולה עוצמתית (באטמוספירה של כדור הארץ המודרני יש שכבת אוזון שנוצרה יחד עם מרכיב החמצן, הסופג קרינה זו). קרינה, המספקת אנרגיה לתגובות הכימיות של סינתזה של תרכובות אורגניות, בו זמנית מבקשת להרוס אותן באופן מיידי. לכן, הביו-פולימרים, הליפידים והפחמימנים שנוצרו באטמוספירה, לאחר שבקושי התעוררו, נידונו. כדי לא למות, הם היו צריכים לתפוס מחסה מההשפעות המזיקות של קרינת השמש האולטרה סגולה. מאמינים שחלק מהתרכובות האורגניות הללו נמלטו מהמוות על ידי כניסה לסביבה המימית של מאגרים ראשוניים.

כאן, בתווך מימי, נכנסו תרכובות אורגניות למגוון תגובות כימיות, ביניהן קדומות התגובות שהובילו לפיתוח עצמי של הזרזים הפעילים ביותר. הטבע הוביל בצורה נוקשה מאוד את הברירה הטבעית של תגובות מסוג מחזורי, המסוגלים לקיים את עצמם, לרבות בשל האנרגיה המשתחררת במהלך התגובה. בעיית אספקת האנרגיה לתגובות אבולוציוניות, בפרט, תגובות פילמור (המשלבות מולקולות מאותו סוג - מונומרים למקרומולקולות) נראית כחשובה ביותר בשלב זה של האבולוציה, שכן התווך המימי עושה מעט כדי להפעיל תגובות כימיות. זו הסיבה שרק תגובות באנרגיה גבוהה בהשתתפות זרזים יעילים במיוחד המתפתחים בעצמם יוכלו "לשרוד".

הנה הגיע אחד מרגעי ההתפתחות המרכזיים. הבה נניח שהתגובות הכימיות הנחוצות למעבר לביו-אבולוציה התעוררו ורכשו את המאפיין של תחזוקה עצמית. לשימורם (וכמובן, פיתוח נוסף), הכרכים המתאימים חייבים להיות מבודדים איכשהו מהסביבה הלא מאורגנת, מבלי לאבד את היכולת להחליף איתה חומר ואנרגיה. התגשמות בו-זמנית של שני תנאים בלתי תואמים, במבט ראשון, הייתה חיונית כדי שהאבולוציה הכימית תגיע לרמה חדשה מבחינה איכותית.

אפשרות זו נמצאה עקב היווצרות של מבנים מיוחדים משומנים - קונכיות קרום . תוצאות ניסויי מעבדה מודרניים נותנות סיבה להאמין כי בריכוז מסוים של שומנים במים ובתנאים חיצוניים המדגימים את מצב האטמוספירה וההידרוספרה של כדור הארץ דאז, מתרחש תהליך אופייני של ארגון עצמי, המוביל ל הרכבה עצמית של קליפות שומנים בעלות תכונות ממברנה.

יתר על כן, קל להניח שתהליכי הבחירה של תגובות קטליטיות מחזוריות והרכבה עצמית של קונכיות שומנים התרחשו במקביל בזמן ובמרחב. לפיכך, תצורות טבעיות היו יכולות להופיע, מבודדות מההשפעות ההרסניות של הסביבה, אך קשורות אליה באמצעות חילוף החומרים. תגובות המקיימות את עצמן החלו להתרחש במעין כור, התורם לשימור אי-שיווי משקל משמעותי של מערכת הביופולימרים הכלולה בו. כעת המיקום של ריאגנטים כימיים רכש סדר, תהליכי הספיחה על הקליפה תרמו לעלייה בריכוזם ובכך להפעלת האפקט הקטליטי. למעשה, התרחש מעבר מתערובות כימיות למערכות מאורגנות המותאמות להמשך פיתוח כלפי מעלה.

מספר מודלים אחרים נחשבים גם הם, המובילים לאירוע חשוב דומה, אך עדיין ביניים, בדרך של המעבר לאבולוציה ביולוגית. אחד מהם מתייחס לתהליכים הקשורים להיווצרות תרכובות אורגניות ראשוניות באטמוספירה, מתוך הנחה שכדור הארץ המוקדם עם האטמוספירה המצמצמת הנדירה שלו היה גוף קר עם טמפרטורה של כ-50 מעלות צלזיוס. הנקודה המהותית של מודל זה היא ההנחה שהאטמוספירה בתנאים אלו הייתה מיומנת, כלומר הייתה במצב של פלזמה קרה. פלזמה זו נחשבת למקור האנרגיה העיקרי לתגובות האבולוציה הכימית. ההנחה של טמפרטורה נמוכה משמשת כדי להסביר את שימור הביופולימרים שנוצרו באטמוספירה: קפואים, הם נפלו על מכסה הקרח של כדור הארץ ואוחסנו במקרר הטבעי הזה "עד לזמנים טובים יותר". בצורה זו, קרינה אולטרה סגולה ופריקות עוצמתיות של חשמל כבר לא היו כל כך מסוכנות עבורם.

עוד מניחים ש"זמנים טובים יותר" הגיעו עם התעצמות הפעילות הטקטונית, תחילתן של התפרצויות געשיות המוניות. שחרור תוצרי פעילות געשית לאטמוספירה הוביל לדחיסה שלה ולהעברת גבול היינון לשכבות גבוהות יותר. עם שינוי בתנאי הטמפרטורה, כיסוי הקרח נמס באופן טבעי, ונוצרו מאגרים ראשוניים, שבהם לאחר הפשרה הצטברו ביופולימרים, שומנים ופחמימנים במשך זמן רב בפעילות כימית פעילה. לכן, אפשר לדבר על הריכוז הגבוה שלהם ב "מרק ראשוני"(כפי שהחומר המתקבל נקרא לעתים קרובות), שהיה גורם חיובי נוסף במונחים של הפעלת האבולוציה הכימית.

ניסויים חוזרים ואישרו שבמהלך ההפשרה, שומנים למעשה מדגימים הרכבה עצמית, ויוצרים מיקרוספרות בקוטר של עשרות מיקרומטרים. זה לא משנה איך הביופולימרים נכנסים לתוכם - האם הם חודרים דרך שכבת הממברנה או שמעטפת הליפידים עוטפת אותם בהדרגה. חשוב שבנפח המוקף בממברנה יוכל להתחיל שלב חדש של אבולוציה - המעבר מתגובות כימיות לביוכימיות.

באשר לרגע המכריע - המעבר לתא הפשוט ביותר, ניתן לראות בו תוצאה של קפיצה האופיינית לארגון העצמי של החומר. על מנת להתכונן לזינוק הזה, בתהליך האבולוציה הכימית, היו צריכים להופיע עוד כמה מבנים שיכולים לבצע את הפונקציות הנחוצות לפרוטו-תא. שברים מבניים כאלה נחשבים קבוצות , מתן העברת חלקיקים טעונים, הנחוצה להובלת החומר. קבוצות אחרות חייבות לספק אספקת אנרגיה - בעיקר מולקולות של תרכובות המכילות זרחן (מערכת ADP-ATP). לבסוף, יש צורך ליצור מבנים פולימריים כמו DNA ו-RNA, שתפקידם העיקרי הוא לשרת מטריצה ​​קטליטית לשכפול עצמי.

אל לנו לאבד מעינינו נקודת מפתח נוספת הקשורה להפרת הסימטריה האיזומרית. איך הבחירה באה לטובת חומר אורגני ביד שמאל, אפשר רק לנחש, אבל העובדה שהתנודה הזו קדמה מיד להולדת החיים נראית טבעית למדי. ניתן להניח שהאבולוציה הביולוגית "הושקה" על ידי הופעתו של פרוטו-תא שמאלי.