2. Розв'язування задач на фотосинтез і хемосинтез
Теоретичні відомості
Фотосинтез - процес утворення органічних сполук із неорганічних речовин із використанням енергії сонячного світла.
У світловій фазі фотосинтезу утворюються макроергічні фосфатні зв'язки під час синтезу АТФ із АДФ і неорганічного фосфату. Крім того, утворюється молекулярний кисень (Оксиген), який виділяється в атмосферу. Атомарний водень (Гідроген) бере участь в утворенні вуглеводів у темновій фазі фотосинтезу.
Сумарне рівняння фотосинтезу можна записати у такому вигляді:
6С0 2 + 6H 2O -> С 6Н 12О 6+ 60 2
Продуктивністю фотосинтезу називають масу синтезованої за 1 год. глюкози на 1 м 2 листкової поверхні. Цей показник зростає з підвищенням (до певної межі) освітленості. вологості повітря, температури і вмісту СО 2, залежить від довжини хвилі світла.
Хемосинтез властивий для деяких бактерій. У процесі хемосинтезу АТФ глюкоза та інші органічні речовини синтезуються завдяки енергії, що виділяється при окисненні неорганічних речовин.
Нижче наводимо рівняння екзотермічних реакцій, які використовують для асиміляції найпоширеніші хемосинтетики:
1)бактерії-нітрифікатори окиснюють аміак до нітриту, а потім -до нітрату:
2NH 3 + ЗО2 - HN02 + 2Н 2О + 663 кДж 2HNО2 + 02 - 2НNОз +1 92 кДж;
2) сіркобактерії окиснюють сірководень, накопичуючи в цитоплазмі сірку (Сульфур):
2HsS + 0 2- 2Н 20 + 2S + 272 кДж;
у подальшому сірку вони можуть окиснювати до сірчаної кислоти:
2S + 30 2 + Н 20 - H 2S0 4 + 483 кДж:
3) залізобактерії окиснюють солі заліза:
4FеСОз + 0 2 + бН 2О — 4Fе(ОН)з + 4С0 2 + 324 кДж;
4) водневі бактерії здатні окиснювати молекулярний водень:
2Н 2+ 0 2 - 2Н 20 + 235 кДж
Усі бактерії-хемосинтетики мають високоефективні ферменти, що прискорюють перебіг цих реакцій. Джерелом вуглецю (Карбону) при синтезі глюкози для них є вуглекислий газ.
Під час розв'язування задач, пов'язаних із такими формами пластичного обміну, як фотосинтез і хемосинтез, необхідно записувати сумарні рівняння реакцій цих процесів. Враховуючи те, в яких співвідношеннях перебувають речовини у даних рівняннях реакцій, визначаємо масу вихідних речовин і продуктів реакцій. Співвідношення за масою виражаємо в грамах відповідно до молекулярних мас речовин. Після цього складаємо пропорцію і знаходимо кількість тих речовин, які потрібно визначити за умовою задачі.
Приклади розв 'язування задач
Приклад 2.1. У процесі фотосинтезу одна рослина поглинає 280 г СО2 за день. Скільки (теоретично) утворюється в листках глюкози і виділяється кисню за 5 днів?
Дано:
280 г СO 2 поглинає одна рослина за день
С 6Н 12О 6-? О 2-? Розв'язок
1. Записуємо сумарне рівняння фотосинтезу:
6CO 2+ 6Н 20 -> С 6Н 12 О 6+ 6O 2
6 молів 1 моль 6 моль
6 х 44=264 г 180 г 6 х 32=192 г
2. За рівнянням реакції визначаємо кількість продуктів реакції, продукованих рослиною за день:
При поглинанні 264 г С0 2 утворюється 180 г С 6 Н12 О 6;
При поглинанні 280 г СО 2 утворюється х г С 6Н12О 6;
х: 180 = 280:264;
х = 280 х 180 :264;
х = 190,9 г С 6 H 12 O6 за один день.
При поглинанні 264 г СО2. виділяється 192 г O 2;
При поглинанні 280 г СO 2 виділяється х г O 2;
х: 192=280:264;
х- 192х280:264;
х = 203,6 г О 2 за один день.
Внаслідок фотосинтезу за один день рослина утворює 190,9 г С 6Н 12О 6 і виділяє 203,6 г О2. За 5 днів утворюється:
190,9 г х 5= 954,5 г С 6Н12 О6
203,6 г х 5- 1018 г0 2.
Відповідь: 954.5 г С 6Н12 О6 , 1018 г 0 2
Приклад 2.2. За двадцять хвилин пагін з листковою поверхнею 240 см2 поглинає 16 мг CO2;. Визначте інтенсивність фотосинтезу, тобто кількість мг CO2, яка поглинається 1 м2 листкової поверхні за 1 год.
Розв'язок
1. Визначаємо кількість у мг поглинутого СO2 листковою поверхнево 240 см2 за 1 хв:
За 20 хв. поглинають 16 мг СО2:
За 1 хв. поглинають х мг СО2;
х: 16= 1 : 20; х=16:20;
х = 0,8 г С02
2. Визначаємо кількість у мг поглинутого CO; листковою поверхнею 1 м2 за 1 хв.:
240 см2 = 0,024 м2;
0,024 м2 листкової поверхні поглинають 0,8 мг CO2
1 м2 листкової поверхні поглинають х мг СО2;
х : 0,8 = 1 : 0,024;
х = 0,8 : 0.024;
х = 33,333 мг СO 2 за 1 хв.
3. Визначаємо кількість у мг поглинутого CO2 листковою поверхнею 1 м2 за 1 год.:
33,333 мг х 60 хв. = 1999,999 мг СО2 = 2000 мг С0 2
Відповідь: 2000 мг С0 2
ЗАДАЧІ КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ
(Номер варіанту визначається порядковим номер студента у списку за алфавітом)
2.1 На основі закону Авогадро і знань про молярний об'єм газів визначте, скільки літрів О2 (за нормальних умов) потрібно організмові людини для повного розщеплення 250 г глюкози і скільки літрів вуглекислого газу при цьому виділиться?
2.2 10 бруньок виділяють за ЗО хв. 2.5 мг СО2. Людина за добу виділяє 1.2% СО2 від своєї маси. Визначте інтенсивність дихання молодої бруньки і людини (в 1 мг на 1 грам маси за 1 год.).
2.3 Зелений листок на світлі при температурі 25°С поглинає СО2. Коли температуру підвищили до 40°С, він почав виділяти вуглекислий газ. Як пояснити зміну обміну листка? Яка із зазначених температур оптимальна для дихання? Для фотосинтезу?
2.4 У процесі фотосинтезу за один світловий день - 12 год. рослина помідора вбирає 132 г вуглекислого газу. Скільки (теоретично) може утворитися в листках глюкози і виділиться при цьому в атмосферу кисню за 10 днів? Яка продуктивність фотосинтезу в помідора, якщо площа листкової поверхні дорівнює 1 м2?
2.5 У процесі фотосинтезу за один світловий день - 12 год рослина цукрового буряка вбирає 44 г вуглекислого газу. Скільки (теоретично) може утворитися в коренеплоді глюкози за 12 днів? Яка продуктивність фотосинтезу в цієї рослини, якщо площа листкової поверхні дорівнює 0,5 м2 ?
2.6 У процесі фотосинтезу за один світловий день - 10 годин сто рослин пшениці вбирають 264 г вуглекислого газу. Скільки грамів соломи (в перерахунку на целюлозу), кожна молекула якої складається з 10 000 глюкозних залишків, можуть утворити ці рослини за 10 діб, якщо на формування зерна потрібно 75% усієї синтезованої глюкози? Розрахуйте продуктивність фотосинтезу у пшениці, якщо площа листкової поверхні однієї рослини дорівнює 10 см2?
2.7 За добу людина споживає в середньому 430 г кисню. Одне дерево за вегетаційний період вбирає близько 42 кг вуглекислого газу. На скільки днів вистачить людині кисню. продукованого одним деревом за вегетаційний період? Скільки (мінімально) дерев має припадати на одну людину( промислове використання О2 не враховувати)?
2.8 У процесі фотосинтезу кімнатна рослина монстера ввібрала 1 м3 CO2. Скільки кисню (у м3) виділилося при цьому і яку кількість глюкози синтезовано рослиною (умови нормальні)?
2.9 За 20 хв один пагін гіркого каштана з сумарною площею листків 250 см2 вбирає 16 мг CO;. Визначте інтенсивність фотосинтезу в рослини (кількість мг СО2, яку вбирає 1 м2 листкової поверхні за 1 год ).
2.10 Листки горіха волоського загальною масою 1 кг виділяють при сонячному освітленні за 15 хв. 125 мг СО2. Людина, що відпочиває під цим деревом, за 6 год. виділяє 0,3% СО2 відносно своєї маси. Порівняйте інтенсивність дихання людини і молодих листків горіха (у мг С02 на 1 г маси за 1 год.). Завдяки якому процесові волоський горіх продукує кисень?
2.11 Визначте, скільки молів аміаку мають окиснити нітрифікуючі бактерії для синтезу 360 г глюкози, якщо для синтезу одного моля глюкози використовується близько 12 600 кДж енергії?
2.12 Унаслідок діяльності залізобактерій (наприклад, лептотрикс) на дні болота відклалося 100 тонн залізної руди. Скільки глюкози при цьому синтезовано бактеріями, якщо вуглекислого газу було достатньо, а для синтезу одного моля глюкози потрібно 12 600 кДж енергії?
2.13 За добу людина споживає в середньому 430 г 02. Одне дерево за вегетаційний період поглинає біля 42 кг СО2 На скільки днів вистачить людині О2 продукованого одним деревом за вегетаційний період?
2.14 Вважають, що шкідливо залишати на ніч квіти в кімнаті, тому що вони поглинають О2 необхідний для дихання людини. Щоб довести, чи вірна ця думка, підрахуйте, до якої величини зменшиться вміст кисню у кімнаті об'ємом 45 м3 за 10 год. внаслідок дихання рослин масою 4 кг і середньою інтенсивністю дихання 12 мл О 2 на 1 г за добу (умови нормальні). Початковий вміст кисню 21%.
2.15 У процесі фотосинтезу рослина поглинула 2 м3 СО2 Визначте, скільки літрів О2 виділиться при цьому і скільки грамів глюкози синтезується (умови нормальні).
2.16 На долю С02 припадає 0,03% повітря. Скільки літрів повітря потрібно для утворення 120 г глюкози, якщо маса одного літра повітря 1,2 г?
2.17 За добу людина масою 60 кг споживає 430 г кисню. 25-річна тополя за 5 місяців вегетації поглинає 42 кг С02. Скільки таких дерев необхідно для забезпечення киснем однієї людини на рік0
2.18 Земна поверхня одержує 2 Дж/см 2 сонячної енергії за хвилину. Яка кількість глюкози синтезується в 1000 листках однієї рослини, якщо середня площа одного листка 10 см 2, довжина (тривалість) світлового дня 16 год., а коефіцієнт переходу сонячної енергії в енергію хімічних зв'язків - 10%?
2.19 За добу людина споживає в середньому 430 г кисню. Одне дерево за вегетаційний період вбирає близько 42 кг вуглекислого газу. На скільки днів вистачить людині кисню, продукованого одним деревом за вегетаційний період? Скільки (мінімально) дерев має припадати на одну людину(промислове використання О2 не враховувати)?
2.20 У процесі фотосинтезу кімнатна рослина монстера ввібрала 1 м3 СО2. Скільки кисню (у м3) виділилося при цьому і яку кількість глюкози синтезовано рослиною (умови нормальні)?
2.21 За 20 хв один пагін гіркокаштана з сумарною площею листків 250 см2 вбирає 16 мг CO2. Визначте інтенсивність фотосинтезу в рослини (кількість мг С02, яку вбирає 1 м2 листкової поверхні за 1 год).
2.22 Листки горіха волоського загальною масою 1 кг виділяють при сонячному освітленні за 15 хв. 125 мг С02. Людина, що відпочиває під цим деревом, за 6 год. виділяє 0,3% CO2
відносно своєї маси. Порівняйте інтенсивність дихання людини і молодих листків горіха (у мг СО2 на 1 г. маси за 1 год.). Завдяки якому процесові волоський горіх продукує кисень?
2.23 Визначте, скільки молів аміаку мають окиснити нітрифікуючі бактерії для синтезу 360 г глюкози, якщо для синтезу одного моля глюкози використовується близько 12 600 кДж енергії?
2.24 Унаслідок діяльності залізобактерій (наприклад, лептотрикс) на дні болота відклалося 100 тонн залізної руди. Скільки глюкози при цьому синтезовано бактеріями, якщо вуглекислого газу було достатньо, а для синтезу одного моля глюкози потрібно 12 600 кДж
енергії?
2.25 За добу людина споживає в середньому 430 г О2 Одне дерево за вегетаційний період поглинає біля 42 кг СО2 На скільки днів вистачить людині О;, продукованого одним деревом за вегетаційний період?
2.26 Вважають, що шкідливо залишати на ніч квіти в кімнаті, тому що вони поглинають О2 необхідний для дихання людини, Щоб довести, чи вірна ця думка, підрахуйте, до якої величини зменшиться вміст кисню у кімнаті об'ємом 45 м3 за 10 год. внаслідок дихання рослин масою 4 кг і середньою інтенсивністю дихання 12 мл О2 на 1 г за добу (умови нормальні). Початковий вміст кисню 21%.
2.27 У процесі фотосинтезу рослина поглинула 2 м3 CO2. Визначте, скільки літрів О2 виділиться при цьому і скільки грамів глюкози синтезується (умови нормальні).
2.28 На долю СО2 припадає 0,03% повітря. Скільки літрів повітря потрібно для утворення 120 г глюкози, якщо маса одного літра повітря 1,2 г?
2.29 За добу людина масою 60 кг споживає 430 г кисню. 25-річна тополя за 5 місяців вегетації поглинає 42 кг CO2 Скільки таких дерев необхідно для забезпечення киснем однієї людини на рік?
2.30 Земна поверхня одержує 2 Дж/см 2 сонячної енергії за хвилину. Яка кількість глюкози синтезується в 1000 листках однієї рослини, якщо середня площа одного листка 10 см 2, довжина (тривалість) світлового дня 16 год., а коефіцієнт переходу сонячної енергії в енергію хімічних зв'язків-10%?