1. Значение данного процесса для биосферы.
Фосфор – очень важный элемент для всего живого. Элемент жизни на Земле, поскольку участвует в образовании и превращении азотистых веществ и углеводов в живых тканях – биосинтез белков, нуклеиновых кислот, играющих главную роль в хранении и передаче наследственной информации и обеспечивающих синтез белков в клетках, пептидов и др. Фосфор входит в состав скелета, тканей мозга, хромосом, ферментов, вирусов, протоплазмы живой клетки. По сравнению с азотом, фосфор относительно редкий элемент, напри-мер, отношение Р: N в природных водах составляет примерно 1: 23.
2. Движущая сила круговорота.
Как и для других процессов в биосфере это солнечная энергия.
3. Описываем основные переходы в круговороте фосфора. Про-цесс представлен на рис. 3. П 2.
Происходит фотосинтез растениями и их переход по трофической цепи к животным. Остатки растений и животных за счет фосфатредуцирующих бактерий переводят в растворенные фосфаты, и частично в осадки. Туда же попадают экскреции, костные остатки не только животных, но и птиц, в том числе морских. Осадки глубоководные выходят из круговорота («тупик»), мелководные – опять в него вовлекаются в виде морских птиц и рыб. Растворенные фосфаты используются в построении протоплазмы – выход к растениям.
4. Объясняем механизм физико-химических или биохимических превращений.
Энергетической основой миграции фосфора в цикле является фотосинтез. Фосфор играет важную роль в этом процессе, при протекании которого с участием зеленого вещества – хлорофилла образуется аденозиндифосфат (АДФ):
ОН ОН
| |
R―O―P―O―P―OH,
|| ||
O O
где R – радикал аденозина С10Н12N5О3.
В живой клетке образуется энергоноситель – аденозинтрифос-фат (АТФ):
Переход аденозиндифосфата (АДФ) в аденозинтрифосфат (АТФ) отражает уравнение:
АДФ + Н3РО4 + Е АТФ + Н2О.
Синтез идет с утратой части энергии АТФ:
АТФ + Н2О + СО2 → АДФ + сахар + О2.
Образование природных залежей фосфоритов происходит в результате разложения на дне океана отмерших морских организмов:
3(NH4)2CO3 + Ca3(PO4)2 = 3CaCO3 + 2(NH4)3PO4.
Фосфат аммония, реагируя с известковыми раковинами и скелетными частями детрита, образует фосфорит:
2(NH4)3PO4 + 3CaCO3 = Ca3(PO4)2 + 3(NH4)2CO3.
детрит
5. Антропогенный фактор. Значительная роль как в концентрировании, так и в рассеивании содержащих фосфор веществ принадлежит человеку, который воздействует на самые различные стадии круговорота фосфора, начиная от реакции его получения:
3Са3(РО4)2 + 6SiО2 + 10С = Р4 + 6СаSiО3 + 10СО
и процессов горения
10NO + 4P = 5N2 + 2P2O5.
Важное соединение фосфониевого ряда, используемое для пропитки огнезащитных тканей, получается по реакции:
РН3 + 4НСНО = НСl (гидр.) → [P(CH2OH)4] + Cl .
Производные трифенилфосфина применяют в синтезе олефинов по реакции Виттинга:
[(C6H5)3PCH3] Br (C6H5)3P=CH2;
|
Цвиттерионные соединения
Оксид трифенилфосфина
Другой важный компонент антропогенного воздействия на круговорот фосфора – производство и применение удобрений. Рассмотрим процессы при производстве простого суперфосфата:
2Са5F(PO4)3 + 7H2SO4 + 6,5H2O → 3[Ca(H2PO4)2∙H2O] +
+ 7[CaSO4∙0,5H2O] + 2HF;
H = –227,4 кДж.
Реакция идет в две стадии. В первой стадии 70 % апатита реагирует с серной кислотой:
Са5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 2,5H2O → 5[CaSO4∙0,5H2O] +
+ 3Н3РО4 + НF.
Во второй стадии реагируют оставшиеся 30 %:
Са5F(PO4)3 + 7Н3РО4 + 5Н2О → 5[Ca(H2PO4)2∙H2O] + HF.
Прогрессивным методом в переработке фосфатного сырья является азотнокислое разложение:
Са5F(PO4)3 + 10HNO3 → 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF.
Полученную азотнокислотную вытяжку обрабатывают аммиаком, сульфатом или хлоридом калия и получают тройное NРК-удобрение – нитроаммофоску.
В машино- и приборостроении широко применяются процессы полу-чения приработочного слоя за счет фосфатирования, химического и электролитического восстановления сплавов фосфора с кобальтом, обладающих ценными магнитными свойствами.
6. Задачи перед человеком, связанные с круговоротом фосфора.
В целом, за счет антропогенного фактора континентальный цикл фосфора во многом нарушен, большей частью из-за вырубки лесов, использования удобрений, морских промыслов. Особо опасно нефтяное загрязнение вод мирового океана, которое уменьшает его биологическую продуктивность и снижает уровень гидробиохимического круговорота фосфора. Природные фосфаты имеют ограниченные запасы, которые могут истощиться при современном темпе вывода их из естественного круговорота фосфора за 75–100 лет. Это с учетом огромного значения фосфора для жизнедеятельности живого вещества, требует бережного к ним отношения. Как заметил образно Э. Диви мл. «… фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на съедение сине-зеленым водорослям». Важная проблема, стоящая перед человеком, – корректировка ресурсного цикла с тем, чтобы поддерживать естественный круговорот фосфора.
Пример 6.2. Рассчитайте долю данных по вопросу: «Техногенные факторы» в общем круговороте азота в биосфере (табл. П.3-11), дайте характеристику их роли в этом процессе.