Готуємось до олімпіади з біології. Матеріал для учнів 11 класу.

                                Розв'язування задач на фотосинтез


Фотосинтез – це процес трансформації поглинутої організмом енергії світла в хімічну енергію органічних (і неорганічних) сполук. Головну роль у цьому процесі відіграє використання енергії світла для відновлення 
СО₂ до рівня вуглеводів.

Процес фотосинтезу являє собою ланцюг окисно-відновних реакцій, сукупність яких прийнято поділяти на дві фази: світлову і темнову.

Для світлової фази фотосинтезу характерним є те, що енергія сонячної радіації, поглинута пігментними системами хлоропластів, перетворюються в електрохімічну. Загальне рівняння світлової стадії фотосинтезу має вигляд:

12Н₂О + 12АДФ + 12Ф_н  24Н + 12АТФ + 6О₂.

Темнова фаза відбувається в стромі хлоропластів без участі світла. Реакції, які спричиняють зв’язування СО₂ й утворення органічних речовин, у цій фазі відбуваються за рахунок використання енергії АТФ і НАДФ∙Н + Н⁺, синтезованих у світловій фазі. Загальне рівнянні темнової фази фотосинтезу:

6СО₂ + 24Н + 12АТФ → С₆Н₁₂О₆ + 12АДФ + 12Ф_н + 6Н₂О.

Якщо об’єднати реакції світлової і темнової фаз, виключивши всі проміжні етапи, то отримаємо сумарне рівняння фотосинтезу:

6СО₂ + 6Н₂О  С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Продуктивністю фотосинтезу називають масу синтезованої за 1 год глюкози на 1 м² листкової поверхні. Цей показник зростає з підвищенням (до певної межі) освітленості, вологості повітря, температури, вмісту СО₂ і залежить від довжини хвилі світла.

Крім фотосинтезу, існує ще одна форма автотрофної асиміляції – хемосинтез, властивий деяким бактеріям. На відміну від фотосинтезу джерелом енергії для синтезу складних органічних речовин із простих неорганічних тут служить не світло, а окиснення деяких неорганічних речовин: сірководню, сірки, амоніаку, водню, нітритної кислоти, сполук феруму(ІІ).

Важливою групою хемосинтезуючих організмів є нітрифікуючі бактерії, здатні окиснювати амоніак, що утворився під час гниття органічних решток, до нітритної, а потім до нітратної кислоти:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + 663 кДж;

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + 192кДж.

Нітратна кислота, реагуючи з мінеральними сполуками ґрунту, перетворюється в нітрати, які добре засвоюються рослинами.

Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень і накопичують у своїх клітинах сірку:

2H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S + 272 кДж.

У разі нестачі сірководню бактерії здійснюють екзотермічне окиснення накопиченої в них сірки до сульфатної кислоти:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ + 636 кДж.

Залізобактерії перетворюють сполуки Феруму(ІІ) у сполуки Феруму(ІІІ):

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + 324 кДж.

Водневі бактерії використовують як джерело енергії реакцію окиснення молекулярного водню:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + 235 кДж.

А в якості єдиного джерела Карбону – оксид карбону (ІV).

Під час розв’язання задач на фотосинтез і хемосинтез, необхідно записувати сумарні рівняння реакцій цих процесів.

ЗАДАЧА 1. У процесі фотосинтезу одна рослина поглинає 280 г СO₂ за світловий день. Яка маса глюкози (теоретично) утвориться в листках і яка маса кисню виділиться за 5 днів? Процесом дихання знехтувати.

Розв’язання

Дано:

    

Записуємо сумарне рівняння фотосинтезу:

За рівнянням реакції визначаємо маси продуктів реакції, утворених рослиною за день:

унаслідок поглинання 264 г СO₂ утворюється 180 г С₆Н₁₂O₆;\

унаслідок поглинання 280 г СO₂ — х г С₆Н₁₂O₆;

Унаслідок поглинання 264 г СO₂ виділяється 192 г O₂;

унаслідок поглинання 280 г СO₂ — х г O₂;

У результаті фотосинтезу за один день рослина утворює 109,9 г С₆Н₁₂O₆ і виділяє 203,6 г O₂.За 5 днів утвориться :190,9 г ∙ 5 = 954,5 г С₆Н₁₂O₆;

203,6 г ∙ 5= 1018 г O₂.

Відповідь. Утвориться 954,5 г глюкози й виділиться 1018 г кисню.

ЗАДАЧА 2.За добу людина споживає в середньому 430 г O₂. Одне дерево середніх розмірів за вегетаційний період поглинає близько 42 кг СO₂. На скільки діб вистачить людині кисню, продукованого одним деревом за вегетаційний період?

Розв’язання

Дано:

m(O₂) — 430 г (0,43 кг) споживає людина за добу;

m(СO₂) — 42 кг поглинає дерево за вегетаційний період.

m(O₂) — ?

N(днів) — ?

За сумарним рівнянням реакції фотосинтезу визначаємо масу кисню, яку виділить одне дерево за вегетаційний період:

унаслідок поглинання 264 кг СО₂ виділяється 192 кг О₂;

унаслідок поглинання 42 кг СО₂ — х кг О₂;

Визначаємо, на скільки діб вистачить одній людині кисню, продукованого деревом за вегетаційний період:

30,545 кг : 0,43 кг/добу = 71 добу.

Відповідь. Кисню вистачить на 71 добу.

ЗАДАЧА 3. Уважають, що шкідливо залишати на ніч кімнатні рослини в кімнаті, бо вони поглинають кисень, необхідний для дихання людини. Щоб перевірити, чи правильна ця думка, обчисліть, наскільки знизиться вміст кисню в кімнаті об’єму 45 м³ за 10 год унаслідок дихання рослин, загальна маса яких 4 кг, якщо середня інтенсивність їх дихання становить 12 мл О₂ на 1 г маси за добу (н. у.). Початковий вміст кисню в повітрі — 21 %.

Розв’язання

Дано:

V(кімнати) — 45 м³;

t — 10 год;

m(рослин) — 4 кг;

w(J₂) — 21 %;

Інтенсивність дихання — 12 мл O₂/1 г за добу (н. у.).

Вміст O₂ через 10 год — ?

Визначаємо об’єм кисню в кімнаті:

Визначаємо об’єм поглинутого кисню рослинами, маса яких 4 кг, за 10 годин:

За ніч об’єм O₂ в кімнаті, де стоять квіти, зменшиться з 9450 л до 9430 л, тобто приблизно на 0,002%. 

Відповідь. Об’єм кисню в кімнаті, де стояли рослини, знизиться за 10 год приблизно на 0,002 %. Отже, кімнатні рослини шкоди диханню людини не завдають.

ЗАДАЧА 4. Земна поверхня одержує 2 Дж/см² сонячної енергії за хвилину. Яка маса глюкози синтезується в 1000 листках однієї рослини, якщо середня площа листка становить 10 см², тривалість світлового дня — 16 год, а коефіцієнт переходу сонячної енергії в енергію хімічних зв’язків — 10 %?

Розв’язання

Дано:                                

Земна поверхня одержує 2 Дж/см²/1 хв;

S(листка) — 10 см²;

N — 1000 листків;

t — 16 год;

Коефіцієнт використання сонячної енергії — 0,1 (10%).

m(С₆Н₁₂O₆) —?

Загальна площа листків:

10 см² ∙ 1000 = 10 000 см².

Кількість сонячної енергії, що потрапляє на листки за 1 хв:

2 Дж/см² ∙ 10 000 см² = 20 000 Дж = 20 кДж.

Кількість енергії, яку одержить ця рослина протягом 16 год світлового дня:

20 кДж/хв ∙ (60 ∙ 16) хв = 19 200 кДж.

Кількість енергії, що переходить в енергію хімічних зв’язків:

19 200 кДж — 100%;

х кДж — 10 %;

З рівняння сумарної реакції фотосинтезу випливає, що для синтезу 1 моль глюкози необхідно 2800 кДж енергії:

6СO₂ + 6Н₂O + 2800 кДж → С₆Н₁₂О_б + 6O₂.

Звідси:

1 моль — 2800 кДж;

х моль — 1920 кДж;

х = 1920 : 2800 = 0,68 моль.

М(С₆Н₁₂O₆) = 180 г/моль. Звідси:

1 моль С₆Н₁₂O₆ — 180 г;

0,68 моль С₆Н₁₂O₆ — х г;

х = 0,68 ∙ 180 = 122,4 (г) С₆Н₁₂O₆.

Відповідь. Синтезовано 122,4 г глюкози.

ЗАДАЧА 5. У нітрифікуючих бактеріях відбуваються процеси, які можна виразити такими рівняннями реакцій:

2NH₃ + 3O₂  → 2HNO₂ + 2Н₂O + 663 кДж;

2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + 192 кДж.

Визначте, яку кількість речовини амоніаку повинні окиснити нітрифікуючі бактерії для вивільнення 5768 кДж енергії.

Розв’язання

За рівняннями обох реакцій визначаємо, яку кількість речовини амоніаку потрібно окиснити бактеріям, щоб вивільнити 5768 кДж енергії.

Унаслідок окиснення 2 моль NH₃ в обох послідовних реакціях вивільняється 855 кДж енергії (663 + 192 = 855), а внаслідок окиснення х моль NH₃ — 5768 кДж енергії. Складаємо пропорцію:

2 моль — 855 кДж;

х моль — 5768 кДж;

Відповідь. Для вивільнення 5768 кДж енергії нітрифікуючі бактерії повинні окиснити 6,746 моль амоніаку.

ЗАДАЧА 6. Яку кількість речовини амоніаку потрібно окиснити нітрифікуючим бактеріям для синтезу певної кількості глюкози, якщо для цього процесу використано 10 260 кДж енергії?

Розв'язання

За рівняннями обох реакцій визначаємо кількість речовини NH₃, яку потрібно окиснити нітрифікуючим бактеріям для одержання 10 260 кДж енергії:

2NH₃ + 3O₂ → 2HN0₂+ 2Н₂O + 663 кДж;

2НNO₂ + O₂ → 2HN0₃+ 192 кДж.

Унаслідок окиснення 2 моль NH₃ в обох послідовних реакціях вивільняється 855 кДж енергії (663 кДж + 192 кДж = 855 кДж), а внаслідок окиснення х моль NH₃ — 10 260 кДж енергії.

Складаємо пропорцію:

2 моль NH₃ — 855 кДж енергії;

х моль NH₃ — 10 260 кДж енергії;

Відповідь. Для отримання 10 260 кДж енергії нітрифікуючі бактерії повинні окиснити 24 моль амоніаку.