Что нужно принести
- Урок 4: Быстрый и медленный круговорот
- Раздел 4 программы
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 уравнения | Что она означает в круговороте |
|---|---|
| Слева (реагенты) | Вещества в том виде, в каком они находятся в исходном резервуаре |
| Стрелка | Процесс: 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)
$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$$
| Элемент | Слева | Справа |
|---|---|---|
| C | 1 (в $\mathrm{CH_4}$) | 1 (в $\mathrm{CO_2}$) |
| H | 4 (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
$$\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{\ \text{свет}\ } C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$$
| Элемент | Слева | Справа |
|---|---|---|
| C | 6 (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
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$$
| Элемент | Слева | Справа |
|---|---|---|
| C | 6 | 6 |
| H | 12 | $6 \times 2 = 12$ |
| O | $6 + 12 = 18$ | $12 + 6 = 18$ |
4. Выделение CO₂ из известняка (вулканизм)
$$\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{\ \text{нагрев}\ } CaO + CO_2}$$
| Элемент | Слева | Справа |
|---|---|---|
| Ca | 1 | 1 |
| C | 1 | 1 |
| O | 3 | $1 + 2 = 3$ |
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).
| Процесс | Уравнение | Для атмосферного CO₂ | Исходный резервуар углерода → конечный | Контур |
|---|---|---|---|---|
| Горение метана | $\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$ | Источник | Ископаемое топливо → атмосфера (всё ископаемое топливо и цемент: 9,4 GtC/год) | Переводит углерод из медленного контура в быстрый |
| Фотосинтез | $\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$ | Сток | Атмосфера → растительность (113 GtC/год) | Быстро |
| Дыхание | $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$ | Источник | Живые организмы → атмосфера (111,1 GtC/год, с пожарами) | Быстро |
| Вулканизм | $\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2}$ (модель) | Источник | Горные 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?
| Фотосинтез | Дыхание | Горение метана | |
|---|---|---|---|
| Участвующее углеродсодержащее вещество | Образует глюкозу | Расходует глюкозу | Расходует метан |
| Коэффициенты | 6 : 6 → 1 : 6 | 1 : 6 → 6 : 6 | 1 : 2 → 1 : 2 |
| Что вызывает реакцию | Свет | Происходит внутри живых организмов | Начинается 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.
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.
Урок 8
Калькулятор ПГП (эквивалент CO₂)
Симулятор проф. Федерико Гарбери: переведи количество газов в эквивалент CO₂.
Открыть симулятор →
Урок 5
Что нарушает равновесие
Увеличивай выбросы и смотри, как они распределяются между атмосферой, океаном и сушей.
Открыть симулятор →
Урок 3
Резервуары и потоки: где находится углерод
Выбери резервуар и посмотри, сколько времени нужно, чтобы его углерод обновился.
Открыть симулятор →
Листы для скачивания (на испанском)
Источники и стоки
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:
$$\mathrm{C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O}$$
- Углерод. Сколько атомов C слева? Поставь коэффициент перед $\mathrm{CO_2}$, чтобы справа их было столько же.
- Водород. Сколько атомов H слева? В каждой $\mathrm{H_2O}$ их 2. Поставь коэффициент перед водой.
- Кислород. Посчитай атомы O справа (в $\mathrm{CO_2}$ и в воде). В каждой $\mathrm{O_2}$ их 2. Поставь коэффициент перед кислородом.
- Проверка. Заполни таблицу итоговым подсчётом:
| Элемент | Слева | Справа | Равны? |
|---|---|---|---|
| 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:
- Что можно было бы увидеть или измерить в реальном мире, пока она идёт? (Подумай о растении, конфорке, вулкане, своём дыхании.)
- Какой резервуар теряет массу углерода, а какой её получает? Используй таблицу источников и стоков.
- 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.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…