Урок 10 · Парниковый эффект Не начат

Источники и стоки: реакции

Символьный уровень

Главная идея. Потоки круговорота углерода записываются уравнениями химических реакций с расставленными коэффициентами, и уравнивание показывает, что атомы перегруппировываются, не возникая и не исчезая.

Открыть презентацию урока

Что нужно принести

Короткое напоминание: углерод переходит из резервуара в резервуар через потоки, по быстрому и медленному контуру, и на каждом участке путешествует в составе другого вещества: $\mathrm{CO_2}$, сахаров, $\mathrm{CaCO_3}$ (урок 4). Из раздела 4 ты знаешь, как читать формулу (какие атомы и сколько каждого) и что такое уравнение химической реакции.

Объяснение

Читать объяснение

Уравнение как поток

Поток круговорота углерода можно записать уравнением химической реакции. Читаем его так:

Часть уравненияЧто она означает в круговороте
Слева (реагенты)Вещества в том виде, в каком они находятся в исходном резервуаре
СтрелкаПроцесс: поток
Справа (продукты)Вещества в том виде, в каком они попадают в конечный резервуар
Числа перед формулами (коэффициенты)Сколько молекул каждого вещества участвует

Уравнение уравнено, когда атомов каждого элемента с обеих сторон одинаковое количество. Это не правило записи: оно говорит, что в реакции атомы перегруппировываются в другие вещества, не возникая и не исчезая.

Четыре реакции

1. Горение метана (природного газа)

$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$$
ЭлементСлеваСправа
C1 (в $\mathrm{CH_4}$)1 (в $\mathrm{CO_2}$)
H4 (в $\mathrm{CH_4}$)$2 \times 2 = 4$ (в $\mathrm{2\,H_2O}$)
O$2 \times 2 = 4$ (в $\mathrm{2\,O_2}$)$2 + 2 = 4$ ($\mathrm{CO_2}$ и $\mathrm{2\,H_2O}$)

2. Фотосинтез

$$\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{\ \text{свет}\ } C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$$
ЭлементСлеваСправа
C6 (в $\mathrm{6\,CO_2}$)6 (в $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$)
H$6 \times 2 = 12$12
O$12 + 6 = 18$$6 + 12 = 18$

Слово «свет» над стрелкой означает, что реакция идёт, только если растение получает свет.

3. Дыхание

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$$
ЭлементСлеваСправа
C66
H12$6 \times 2 = 12$
O$6 + 12 = 18$$12 + 6 = 18$

4. Выделение CO₂ из известняка (вулканизм)

$$\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{\ \text{нагрев}\ } CaO + CO_2}$$
ЭлементСлеваСправа
Ca11
C11
O3$1 + 2 = 3$

Вулканы выделяют $\mathrm{CO_2}$, который хранился в горных породах. Процессы внутри Земли сложнее, чем одна реакция: это уравнение — упрощённая модель, которая показывает, откуда берётся этот углерод (известняк, $\mathrm{CaCO_3}$, из урока 4), когда порода сильно нагревается.

Источники: NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle (фотосинтез и дыхание как обратные процессы, углерод горных пород, выделяемый вулканами, известняк); Ciclo de carbono.pdf, слайд 9 ($\mathrm{CaCO_3}$, извержения). Формулы и уравнивание — из раздела 4.

Источники и стоки

Если смотреть на $\mathrm{CO_2}$ атмосферы, процесс является источником, если добавляет ей $\mathrm{CO_2}$ (он стоит справа в уравнении), и стоком, если забирает его (он стоит слева).

Контуры: урок 4 (NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle; Ciclo de carbono.pdf, слайды 6–9). Потоки: IPCC (2021), AR6 WG1, рис. 5.12.
ПроцессУравнениеДля атмосферного CO₂Исходный резервуар углерода → конечныйКонтур
Горение метана$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$ИсточникИскопаемое топливо → атмосфера (всё ископаемое топливо и цемент: 9,4 GtC/год)Переводит углерод из медленного контура в быстрый
Фотосинтез$\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$СтокАтмосфера → растительность (113 GtC/год)Быстро
Дыхание$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$ИсточникЖивые организмы → атмосфера (111,1 GtC/год, с пожарами)Быстро
Вулканизм$\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2}$ (модель)ИсточникГорные породы → атмосфера (0,1 GtC/год)Медленно

Горение и вулканизм — оба источники, но не одно и то же: вулканизм переносит около 0,1 GtC в год, а сжигание ископаемого топлива и производство цемента — около 9,4 (IPCC, рис. 5.12).

Фотосинтез — это горение наоборот?

ФотосинтезДыханиеГорение метана
Участвующее углеродсодержащее веществоОбразует глюкозуРасходует глюкозуРасходует метан
Коэффициенты6 : 6 → 1 : 61 : 6 → 6 : 61 : 2 → 1 : 2
Что вызывает реакциюСветПроисходит внутри живых организмовНачинается от искры или пламени

Если перевернуть уравнение фотосинтеза, получится уравнение дыхания, а не горения метана: у них разные вещества и коэффициенты. Общее у всех трёх то, что углерод переходит между углеродсодержащим веществом и $\mathrm{CO_2}$.

Человек и ископаемое топливо

С XVIII века, с промышленной революцией, сжигание угля резко выросло, а вместе с ним и выбросы парниковых газов. Потом к углю добавились другие виды ископаемого топлива для получения энергии и ресурсов. Промышленности, фабрикам, поездам, автомобилям, бытовым приборам и самолётам нужна энергия, и главным способом её получать, особенно до XXI века, было сжигание ископаемого топлива.

Что значит сжечь топливо

Сжечь топливо — это химическая реакция между горючим и окислителем, которым обычно служит кислород воздуха. Такая реакция называется горением: она даёт тепло и свет — те виды энергии, которые используют, — и выделяет газы, главным образом углекислый газ и водяной пар.

$$\text{горючее} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}_{(\text{г})} + \text{энергия (тепло и свет)}$$

Обычные виды топлива — бензин, газ и уголь. Реакции горения из этого урока (метан, пропан) — частные случаи этой схемы; поэтому мы связываем сжигание ископаемого топлива с выбросами парниковых газов.

Зависимость от ископаемой энергии, вырубка лесов и население

Индустриализация создала зависимость от ископаемой энергии в транспорте, промышленном земледелии, промышленном животноводстве, на фабриках и в промышленности, на электростанциях. Кроме того:

  • Вырубка лесов. Уничтожая деревья, мы уничтожаем хранилище CO₂ и источник кислорода, необходимого для дыхания.
  • Деревья регулируют CO₂: в ходе фотосинтеза они поглощают углекислый газ и выделяют кислород.
  • Население. Больше людей — больше потребность в ресурсах.

Когда парниковых газов в атмосфере становится больше из-за выбросов и вырубки лесов, планета удерживает больше тепла: деятельность человека усилила парниковый эффект, и это вызывает изменение климата.

Круговая диаграмма: выбросы парниковых газов по секторам (подписи на испанском)
Выбросы парниковых газов по секторам: производство электроэнергии 21,3 %; промышленные процессы 16,8 %; транспорт 14,0 %; побочные продукты сельского хозяйства 12,5 %; добыча, переработка и распределение ископаемого топлива 11,3 %; жилой, коммерческий и прочие секторы 10,3 %; сжигание биомассы и землепользование 10,0 %; переработка отходов 3,4 %. По газам: CO₂ — 72 % всех выбросов, метан — 18 %, закись азота — 9 %. Диаграмма из презентации преподавателя (слайд 40, подписи на испанском); на слайде не указаны первоисточник и год данных.

Подумай: какой сектор на диаграмме самый большой? Какой урок этого сайта посвящён именно ему? (Подсказка: уроки 21–23.)

Источник: презентация преподавателя Un invernadero gigante (Canva), слайды 22–30 и 40.

Анимация

Описание анимации

Потоки круговорота углерода можно записать как химические реакции, и тогда появляется то, на что стоит внимательно посмотреть.

Фотосинтез берёт углекислый газ и воду и образует органическое вещество и кислород: он забирает углерод из воздуха, значит, это сток. Дыхание делает обратное: берёт органическое вещество и кислород и образует углекислый газ и воду. Это источник. Разложение делает ровно то же, что дыхание, только его осуществляют бактерии и грибы. А горение снова берёт топливо и кислород и образует углекислый газ и воду.

Посмотри на последние три: уравнение практически одно и то же. Меняется не химия процесса, а то, из какого резервуара вышел сгорающий углерод.

Поэтому сжечь полено — не то же самое, что сжечь бензин, хотя реакция записывается почти одинаково. Полено возвращает в атмосферу углерод, который растение забрало из воздуха несколько лет назад: он возвращается в контур, который его уже учитывал. Бензин возвращает углерод, миллионы лет хранившийся в медленном контуре: он вводит в быстрый контур углерод, которого в нём не было.

Так что ярлык «источник» или «сток» ставит не одно уравнение. Нужно знать, откуда пришёл углерод и куда он идёт.

Источники анимации: суммарные уравнения фотосинтеза, дыхания и горения из любого учебника общей химии; различие между биогенным и ископаемым углеродом — по IPCC (2021), AR6 WG1, глава 5. Схема, не в реальном масштабе.

Симуляторы для этого урока

Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.

Листы для скачивания (на испанском)

Задания

1. Уравнивание по шагам: пропан из газового баллона

Газ в баллонах — в основном пропан, $\mathrm{C_3H_8}$. При горении в кислороде он образует углекислый газ и воду. Начни с неуравненного уравнения:

$$\mathrm{C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O}$$
  1. Углерод. Сколько атомов C слева? Поставь коэффициент перед $\mathrm{CO_2}$, чтобы справа их было столько же.
  2. Водород. Сколько атомов H слева? В каждой $\mathrm{H_2O}$ их 2. Поставь коэффициент перед водой.
  3. Кислород. Посчитай атомы O справа (в $\mathrm{CO_2}$ и в воде). В каждой $\mathrm{O_2}$ их 2. Поставь коэффициент перед кислородом.
  4. Проверка. Заполни таблицу итоговым подсчётом:
ЭлементСлеваСправаРавны?
C………
H………
O………
Посмотреть уравненное уравнение для сравнения
$$\mathrm{C_3H_8 + 5\,O_2 \rightarrow 3\,CO_2 + 4\,H_2O}$$

C: 3 слева, 3 справа. H: 8 слева, $4 \times 2 = 8$ справа. O: $5 \times 2 = 10$ слева, $3 \times 2 + 4 = 10$ справа.

2. От уравнения к миру

Выбери одну из четырёх реакций урока (или реакцию пропана) и ответь, не повторяя уравнение:

  1. Что можно было бы увидеть или измерить в реальном мире, пока она идёт? (Подумай о растении, конфорке, вулкане, своём дыхании.)
  2. Какой резервуар теряет массу углерода, а какой её получает? Используй таблицу источников и стоков.
  3. Какая формула уравнения говорит, где углерод был до реакции, а какая — где он после?

3. Углерод не создаётся

Утверждение, которое нужно защитить: уравнение горения доказывает, что сжигание топлива не создаёт углерода.

То, что ты пишешь, никуда не отправляется: файл остаётся на твоём устройстве.

Самопроверка

Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.

Загрузка вопросов…