Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (43/43) · 9:34

Koloběh uhlíku V posledním díle Rychlokurzu chemie nás Hank provede globálním cyklem uhlíku. Ukážeme si, jak to celé funguje; od fixace uhlíku až k redoxním reakcím.

Tuto cestu jsme společně začali před více než rokem, kdy jsem vám představil chemii jako skvělou metodu pro pochopení světa. Zatímco fyzika objasňuje mechaniku vesmíru, biologie popisuje jak život funguje a interaguje mezi sebou, chemie se nachází někde mezi nimi. V našem dalším rychlokurzu budeme prozkoumávat psychologii. Obor zkoumající lidské duševní schopnosti a chování. Chemie nám přinesla pochopení i tak komplexních věd, jakou je psychologie. Například objasněním, jak nám neurotransmitery umožňují cítit úzkost a hormony přinášejí touhy. Ale než se podíváme na úroveň vašeho mozku a krevního řečiště, rád bych tento kurz uzavřel představením chemie v globálním měřítku. Což je rozhodně větší než vaše mysl, ale možná ne složitější. Ale je to hodně složité. A taky děsivé. Pojďme si popovídat o maličkosti zvané "globální oteplování" a o vysokých koncentracích atmosférického CO2, které jej způsobují. Jistě o tom víte. Ale povědomí ještě neznamená pochopení. Pokud bych měl poslední pokus vás přesvědčit, že chemie je důležitá, což mám, řekl bych vám o uhlíkovém cyklu, což právě teď udělám. Ze všech chemických pochodů probíhajících na naší planetě, je cyklus uhlíku tím, co dělá Zemi Zemí. Unikátem mezi planetami, které známe a chápeme. Atmosféra mladé Země se skládala z amoniaku, methanu, dusíku, oxidu uhličitého a směsi dalších látek, ale v podstatě ze žádného kyslíku. Mnoho z těchto plynů, včetně CO2, nazýváme "skleníkovými plyny", protože vstřebávají tepelnou energii, a tím zvyšují průměrnou teplotu na zemi. Když přišly rostliny se svou přepychovou fotosyntézou, spotřebovaly většinu oxidu uhličitého v atmosféře. Použily uhlík k rozvoji života. Z oxidu uhličitého se stalo vzácné zboží pro produkcí velkého množství kyslíku pro vytvoření zcela nové atmosféry. Tyto změny sloužily nejen k otevření atmosféry, což umožnilo velké většině tepla vyzářit se zpět do vesmíru, ale také vytvořily velké zásoby vysoce energetických forem uhlíku, které jsou živými tvory používány jako palivo. A to včetně nás. Organický uhlík (v jazyce chemiků "redukovaný uhlík"), je přírodním ekvivalentem baterie. Organismy dokáží čerpat energii tím, že se živí na sloučeninách organického uhlíku, a poté oxidují redukovaný uhlík zpět na oxid uhličitý. Spousta organismů je v tomto dobrá. Ale žádný organismus v tom není tak dobrý, jako jsme my. Role uhlíku v biologii a fyzice naší planety je nebývalá. Má hlavní roli v přenosu energie mezi organismy a je to hlavní cesta, kterou v naší atmosféře udržujeme tepelné záření. A proto, když mluvíme o globálním oteplování, mluvíme o uhlíku. Uhlíkové stopy, uhlíkové kredity, uhlíkové zatížení. Takže pojďme zakončit naše studium chemického vesmíru tím, že se vrátíme. Ne na první místo, ale na šesté místo... ...v periodické tabulce! Je to tak, máme periodickou tabulku navrženou společností Thought Café. Je to krásná periodická tabulka Rychlokurzu chemie. Je docela velká, ale pokud ji chcete, je dostupná za 15 dolarů na dftba.com. Globální cyklus uhlíku Jelikož je uhlík hmotou života, nejlepší ukázkou pro pochopení cyklu uhlíku je prostě hromada živých organismů, kteří si v procesu žití a umírání vyměňují uhlík. Tady je 30 sekundová verze: Uhlík v atmosférickém CO2 slouží rostlinám k výrobě cukrů a sacharidů k růstu a rozmnožování. Většinu těchto rostlin sní jiné organismy, čímž dostávají látky potřebné pro tvorbu stavebních a zásobních látek. Poté, co je uhlík metabolizován, se vrací zpět do prostředí jedním z několika různých způsobů. Skončí buď ve vzduchu, ve vodě nebo v půdě. Poté je buď přirozeně vyplavován nebo je extrahován lidmi. V každém případě se oxid uhličitý vrací do atmosféry a cyklus se opakuje. Takže pojďme probrat zelené rostliny, co přesně dělají. Fotosyntéza je extrémně složitý proces. Probíhá v několika různých formách, podle konkrétního organismu. Ale hlavním smyslem je vzít oxid uhličitý z prostředí a procesem uhlíkové fixace ho přeměnit na organické sloučeniny, jako jsou cukry. Proces se nazývá fixace, protože vezme uhlík v plynné formě (oxid uhličitý), a přemění ho na uhlíkaté sloučeniny pevného skupenství. Obecná reakce vypadá takto. CH2O vlastně nic není, jen redukovaný vzorec pro jednoduché sacharidy, sloučeniny skládající se z uhlíku, vodíku a kyslíku v poměru 1:2:1. V reálném světě je mnoho druhů sacharidů a většinou jsou o dost větší, ale chemici používají tento zápis pro znázornění základní reakce. Tato reakce je prakticky stejná s každým uhlovodíkem, nejspíše jste ji viděli s glukózou. Zde platí, že 6 molů oxidu uhličitého, 6 molů vody a trocha světelné energie vyprodukuje 1 mol glukózy a 6 molů kyslíku. A možná jste si všimli něčeho důležitého, je to redoxní reakce! Uhlík je redukován; mění své oxidační číslo z +4 na 0. A kyslík ho mění z -2 na 0, což znamená, že je oxidován. Může se to stát! Sacharidy produkované těmito uhlíkovými fixacemi jsou nejvyhledávanější měnou mezi živými tvory. Organismy je můžou využít buď jako stavební materiál, nebo jako palivo. Některé sacharidy procházejí dalšími reakcemi, aby se staly komplexnějšími, jako škroby, tuky, proteiny, nukleové kyseliny, a další složky, které tvoří živé organismy. Sacharidy používané k produkci energie procházejí procesem nazvaným buněčné dýchání. Stejně jako fixace uhlíku, dýchání je velmi složitý shluk reakcí, takže ho redukujeme na celkem jednoduchou reakci. Reakce buněčného dýchání je vlastně obrácená fixace uhlíku. Sacharid a kyslík reagují za produkce oxidu uhličitého, vody a energie. Toto je zase nejčastěji psáno s glukózou, jak vidíte i tady. A stejně jako fixace uhlíku, je to také redoxní reakce. V tomto případě je kyslík redukován z oxidačního čísla 0 na -2 a uhlík je oxidován z 0 na +4. Přesně tak, buňky živých tvorů znovu oxidují redukovaný uhlík a znovu redukují oxidovaný kyslík, aby produkovaly veškerou energii, kterou živé organismy potřebují. Ale přesto, že tyto dvě reakce vypadají jako své přesné opaky, a to včetně změn v oxidačních číslech, je důležité si pamatovat, že se jedná o souhrnné reakce. Celkové procesy zahrnují mnoho kroků, kterými se od sebe naprosto liší. Poté, co organismy metabolizují sacharidy, se může uhlík uvolnit zpět různými způsoby. Zaprvé, hodně CO2 je uvolněno jako přímý produkt buněčného dýchání: u vás i u mě se toto děje hlavně při výdechu. Tento oxid uhličitý může být okamžitě recyklován fotosyntetizujícími rostlinami. Uhlík uvolňující se z organismů žijících ve vodě se v ní také rozpouští a oceány a jiná povrchová voda také dokáží rozpouštět CO2 přímo ze vzduchu. Ať už se tam dostane jakkoli, oxid uhličitý s vodou reaguje za vzniku kyseliny uhličité, což je slabá kyselina, která se rozkládá na vodík a hydrogenuhličitanové ionty. Vodíkové ionty mohou reagovat s různými nerosty a jinými látkami typicky v neutralizačních reakcích. To má za následek zvětrávání, které kromě ničení tváří soch také produkuje jíly. Ale uhličitanové ionty mají celou řadu funkcí. Zvláště u mořských živočichů, které je ve formě uhličitanu vápenatého používají k vybudování svých koster a schránek. Uhlík v nich zůstává uvězněn, dokud zvířata neumřou a struktury se nerozloží. Což se děje velmi velmi pomalu. A pokud jsou ideální podmínky, jako velmi vysoký tlak a teplota v zemské kůře, obrovská ložiska uhličitanu vápenatého mohou tvořit horniny, jako třeba vápenec. A ještě než vás napadne, že horniny jsou nudné, měli byste vědět, že 80 procent veškerého uhlíku je uloženo v této podobě, jako anorganické uhličitany v zemské kůře, plášti nebo litosféře. Většina zbývajících 20 procent je také obsaženo v litosféře, jako organický uhlík v pohřbené organické hmotě. Jenže, co ty hromady uhlíku, kterými jsou všichni tak posedlí, ta fosilní paliva, kterými všechno poháníme? Odpovídají pouze 0,006 procent z veškerého uhlíku na Zemi. Tato uhlíková ložiska vznikla z mrtvých těl organismů. Tedy z rostlin, které nikdo nesežral, a nezbavily se uhlíku jinými cestami. Proto je nazýváme fosilní paliva, mrtvé organismy, které nyní známe jako uhlí, ropu a zemní plyn. Souhrnná chemická reakce pro spalování těchto paliv je jen uhlovodík reagující s molekulárním kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého a vodní páry. Například 1 mol methanu, nejjednoduššího uhlovodíku, reaguje za vzniku 1 molu oxidu uhličitého. A samozřejmě toto je také redoxní reakce, kde je uhlík oxidován z -4 na +4 a kyslík je redukován z 0 na -2. Hoření je velmi častým typem reakce. Jediným změnám podléhá uhlovodík. Čím větší a složitější uhlovodík je, tím se zvyšuje produkce CO2 na 1 mol paliva. A co třeba benzín? Hoření oktanu (hlavní složky benzínu) produkuje 8 molů oxidu uhličitého na 1 mol paliva. 1 mol oktanu má pouze 0,15 litru (0,041 galonu), ale těch 8 molů CO2 zabere 180 litrů vzduchu při standardním tlaku a teplotě. Oxid uhličitý je vypuštěn do atmosféry, kde znovu vstupuje do uhlíkového cyklu. Problémem ale je, že životní prostředí dokáže znovu pojmout pouze 40 procent z těch 30 miliónů tun, neboli gigatun, které každoročně lidstvo produkuje. Takže každý rok máme přebytek přibližně 18 gigatun CO2. A to číslo se každoročně zvyšuje. Přebytek zůstává v atmosféře, kde zadržuje teplo slunečního záření, a to způsobuje zvyšování teploty. A ano, jsou zde i další skleníkové plyny; jako methan, ozón, dokonce i vodní pára, ale výskyt žádného z nich nenarůstá zdaleka tak rychle, jako oxidu uhličitého. Dobrou zprávou je, že nyní problému rozumíte lépe než před 10 minutami a porozumění špatné situace je prvním krokem k jejímu zlepšení. To platí pro všechny případy a situace, ne jen ty chemické. Takže i nadále věnujte pozornost tomu, co se děje ve světě kolem vás, snažte se porozumět vědě. Díky za zhlédnutím tohoto dílu Rychlokurzu chemie a taky celého Rychlokurzu chemie, který jste doufám zhlédli.
video