Сторінка
8

Природні системи абіотичного середовища біосфери

На практиці цей показник виражають через десятичний логарифм концентрації іонів водню, узятий з оберненим знаком і позначають символом рН.

Для нейтрального розчину будь-якої речовини, як і для чистої води, рН = –lg [H+] = – lg 10–7 = 7, а якщо [H+] = 10–10, то рН = 10, за 10–3 рН = 3 і т. д. Отже, рН може змінюватись від 1 до 14. Іонна рівновага порушується в разі зміни зовнішніх умов, наприклад, за введення до розчину іншої речовини, яка здатна дисоціювати з утворенням H+ або ОH– іона. Так, якщо до водного розчину етанової кислоти, яка є слабким електролітом і дисоціює з утворенням іонів СН3СОО– і H+ (система І), добавити її натрієву сіль, що також здатна дисоціювати на іони СН3СОО–1 і Nа+ (система ІІ), то матимемо новий розчин (система ІІІ):

І. СН3СООН Н+ + СН3СОО–.

ІІ. СН3СООNа Nа+ + СН3СОО–.

ІІІ. СН3СООН + СН3СООNа Н+ + Nа+ + 2 СН3СОО–.

Як бачимо, уведення до розчину етанової кислоти її солі збільшило (відносно Н+) концентрацію іонів СН3СОО–, порушивши іонну рівновагу. Згідно з принципом ле Шательє, для встановлення іонної рівноваги системи ІІІ треба, щоб у системі І рівновага змістилась ліворуч, тобто зменшилася ступінь дисоціації етанової кислоти. З розглянутого можна зробити такий висновок: уведення до розчину слабкого електроліту будь-якого з його іонів зменшує ступінь дисоціації цього електроліту. Якщо в такий електроліт увести речовину, що зв’яже один із її іонів, це спричинятиме дисоціацію достатньої кількості молекул електроліту. Прикладом такої ситуації може бути введення в розчин слабкої кислоти будь-якого лугу, гідроксид-іони якого зв’яжуть її іони водню.

Отже, щоб знизити ступінь розчинності слабкого електроліту у воді, наприклад СаSО4, достатньо, щоб до його насиченого розчину надійшов сильний електроліт з однотипним іоном, наприклад NаSО4. При цьому частина іонів Са 2+ зв’яжеться із іонами сильного електроліту і випаде в осад.

Ця закономірність пояснює такий факт, як витисненя сильними кислотами слабких кислот з їхніх солей, і утворення відповідної солі з катіоном слабкої кислоти, наприклад:

СН3СООК + НNО3 СН3СООН + К NО3.

За такою ж схемою відбуваються реакції між солями слабких основ і сильної кислоти (наприклад FeSO4) і такими сильними основами, як КОН.

Напишемо таку реакцію в іонній формі:

Fe2+ + 2 ОН– Fe(ОН)2

У цьому разі гідроксид-іон сильної основи зв’язує катіон солі слабкої основи, утворюючи слаборозчинну сполуку гідроксиду заліза, яка випадає в осад. При цьому катіон сильної основи Nа+ утворює добре розчинну сіль з аніоном солі слабкої основи — К2 SO4.

Зазначимо, що вода у розглянутих водних розчинах слабкої етанової кислоти є ще більш слабким електролітом, ніж кислота. Отже, рівновагу реакції СН3СООН + ОН– СН3СОО– + Н2О буде змі­щено праворуч.

Ми присвятили процесам дисоціації води і розчинених у ній сполук багато уваги, оскільки вони визначають характер перебігу процесів у живому організмі, хімічний склад якого на 65% складається з води. Щоб переконатися в цьому, достатньо розглянути відому схему синтезу в організмі універсального джерела енергії функціональної діяльності клітини — молекул аденозинтрифосфорної кислоти (АФТ).

Розроблена англійським ученим П. Мітчеллом схема базується на понятті протонного градієнта в полі протона Н+ і гідроксид-іона ОН– водного розчину поживних речовин. У мембранах особливих клітин — мітохондрій — через ферментну систему вилучаються протони з клітинної маси, або матриксу, склад якого близький до цитоплазми, і переносять їх до зовнішньої межі мембрани клітини, формуючи позитивний заряд мітохондріальної цитоплазми. Так виникає різниця концентрації іонів Н+ з різних боків мембрани. Одночасно друга ферментативна система — аденозинтрифосфаза — переносить іони водню в зворотному напрямку, зменшуючи градієнт електрохімічного потенціалу. Енергія, яка при цьому вивільняється, акумулюється в енергію міжатомного зв’язку в процесі синтезу нових молекул АФТ. До цього процесу ми ще повернемося. За значний внесок у вирішення проблем біоенергетики живої клітини П. Мітчеллу у 1978 р. присуджено Нобелівську премію.

Роль води в тепловому балансі і кругообігу речовин у біосфері

Як уже зазначалося, загальний об’єм води на земній поверхні становить понад трильйон* (1018) m3, з яких близько 94% в океанах, інше — це підземні води — 4%, льодовики — 1,6% (понад 24 · 106 km3), вода в озерах (майже в 100 разів менше, ніж у льодовиках). Найменше води в річках — тільки одна десятитисячна процента (1200 km3) від усієї води планети! Але вже з давніх-давен люди цікавилися, куди течуть річки і чому вода в них не зникає? Біблійний Екклезіяст з цього приводу писав:

«Усі річки течуть в море, а море не переповнюється.

Туди, куди течуть річки,

Туди вони й тектимуть».

І стародавні греки не знали, що річки поповнюються атмосферними опадами. За їхніми уявленнями води Океану постійно стікали в «Тартар», тобто в підземне царство, і виходили знов на поверхню, даючи початок річкам. Хоч у поглядах Арістотеля (IV ст. до н. е.) вже є деяке розуміння зв’язку кругообігу води з атмосферою, «Океанічна» схема вважалася слушною аж до ХV ст.

Перші описи кругообігу води гідросфери з’явилися в епоху Відродження в працях геніального вченого Леонардо да Вінчі (1452—1519).

Рушійною силою кругообігу води в біосфері є енергія Сонця, котра, як уже зазначалось, на 98% перетворюється на теплову енергію поверхні Землі.

Але як відбувається її перетворення на роботу з переміщення величезних мас води? Цього питання ми вже торкалися в розділі «Термодинаміка». Саме термодинамічними законами перетворення теплової енергії на роботу зумовлюються процеси планетарного кругообігу води.

Океанологічними дослідами встановлено, що найбільш інтенсивне охолодження вод Світового океану відбувається в Північній півкулі в Гренландськім морі, а в Південній — у морі Уедделла. У цих районах Землі протягом усього року температура повітря завжди нижча, ніж води. Оскільки густина солоної води з глибиною зростає, то поверхневі води, охолоджуючись до –1,8°С, не опускаються вглиб, а, перетворюючись на кригу меншої теплопровідності, ніж вода, захищають нижні шари води від переохолодження. У такий спосіб відбувається вертикальна стабілізація водних мас: до нижніх шарів постійно надходить більш солона і важка вода з Атлантичного океану.