Откуда берется кислород в воде 2 класс: Откуда же берется кислород в воде?

Откуда берется кислород в воде? Взаимодействие кислорода с водой. Насыщение воды кислородом

Пожалуй, сейчас даже дети знают, что химическая формула воды — H₂O. Однако это теория, а на деле в воде растворено огромное количество веществ как органического, так и неорганического происхождения. Чистая вода, как известно, не имеет вкуса и запаха, но кто угодно может убедиться в том, что в подавляющем большинстве случаев это не так. В питьевой воде, например, содержится некоторое количество минеральных солей, что придает ей солоноватый привкус. В той или иной степени в ней содержится все то, с чем она контактирует. Точный состав воды зависит от места ее забора, ведь в разных местах она контактирует с разными веществами. Кое-где химики найдут в жидкости тяжелые металлы, где-то — различные органические вещества.

Как же так получается?

Вода является универсальным растворителем. Дистилированная вода считается наиболее чистым в химическом смысле веществом, однако через некоторое время она утрачивает свое первоначальное состояние. И вот почему: вода является настолько хорошим растворителем, что со временем в нее попадают молекулы различных веществ из воздуха. В природе же это происходит еще и за счет жизнедеятельности различных организмов, живущих в водной среде.

Газы в воде

Наливая воду в стакан, можно увидеть пузырьки газа, которые будут находиться на стенках сосуда. Наряду с солями и другими веществами вода растворяет в себе и газы. Прежде всего это азот из воздуха, а также кислород, углекислый газ, а в некоторых случаях еще метан и сероводород. Причем холодная вода растворяет газы гораздо лучше, чем теплая, так что чем ниже температура, тем выше концентрация газов. И наоборот — с ростом температуры растворимость падает.

Источники растворенных в воде газов

Но откуда вообще все эти вещества берутся в воде? Азот, как правило, растворяется в процессе взаимодействия с атмосферой, метан — в результате контакта с породами и разложения донного ила, а сероводород образуется как продукт гниения органических остатков. Как правило, сероводород содержится в глубинных водных слоях и не поднимается к поверхности. При его высокой концентрации жизнь невозможна, так, например, в Черном море на глубинах более 150-200 метров из-за высокой насыщенности вод сероводором почти нет живых организмов, кроме некоторых бактерий.

Кислород также всегда содержится в воде. Он является универсальным окислителем, поэтому частично разлагает сероводород, снижая его концентрацию. Но откуда берется кислород в воде? О нем разговор пойдет особый.

Кислород

Практически все живые организмы нуждаются в кислороде. Люди дышат вохдухом, который представляет собой смесь газов, немалую часть которой составляет именно он.

Обитатели водной среды также нуждаются в этом веществе, так что концентрация кислорода в воде — это очень важный показатель. Обычно он составляет до 14 мг/л, если речь идет о природных водах, а иногда даже больше. В той же жидкости, которая течет из-под крана, кислорода содержится гораздо меньше, и это легко объяснить. Водопроводная вода после водозабора проходит через несколько этапов очистки, а растворенный кислород — крайне неустойчивое соединение. В результате газообмена с воздушной средой большая его часть просто улетучивается. Так откуда берется кислород в воде, если не из воздуха? 

На самом деле это не совсем правда, из воздуха он тоже берется, но его доля, растворенная в результате контакта с атмосферой, крайне мала. Для того чтобы взаимодействие кислорода с водой было достаточно эффективным, необходимы особые условия: низкая температура, высокое давление и относительно низкая минерализация. Они соблюдаются далеко не всегда, и жизнь вряд ли бы существовала в нынешнем виде, если бы единственным способом образования этого газа в водной среде было взаимодействие с атмосферой. К счастью, есть еще два источника, откуда берется кислород в воде. Во-первых, растворенные молекулы газа в большом количестве содержатся в снеговых и дождевых водах, а во-вторых — и это основной источник — в результате фотосинтеза, осуществляемого водной растительностью и фитопланктоном.

Кстати, несмотря на то, что молекула воды содержит кислород, извлечь его оттуда живые организмы, конечно, не в состоянии. Поэтому им остается довольствоваться именно растворенной долей.

О значении водорослей

Мало кто в обычной жизни задумывается, чем мы дышим и почему состав воздуха именно такой, какой он есть. Практически все знают, что большинство живых организмов, дышащих воздухом, приспособлено именно к такой смеси. Но если речь идет о наземно-воздушной среде, то вопросов не возникает. А откуда в воде кислород? Как и на земле, там много растений, которые с помощью процесса, который называют фотосинтезом, потребляя свет и углекислый газ, выделяют O₂.

Если же быть точнее, в последние десятилетия по тем или иным причинам человечество уничтожило огромную часть лесов. Но речи о глобальном кризисе пока нет, хотя население планеты постоянно растет, и потребление кислорода
огромно. И огромное значение в этом вопросе имеют водоросли, которые обитают в Мировом океане, большей частью именно за их счет происходит насыщение воды кислородом. Некоторые их виды люди и морские обитатели употребляют в пищу, но их количество остается достаточным для эффективного фотосинтезирования. Вот откуда берется кислород в воде, а значит, благодаря газообмену с атмосферой, и в воздухе. Именно фотосинтез водорослей — его основной источник. Кстати, именно за счет процессов, происходящих в растениях, был накоплен первичный кислород в атмосфере, а сейчас происходит только поддержание ее неизменного состава.

Роль растворенного кислорода (РК)

Несмотря на то что дыхательная система водных обитателей устроена иначе, чем у жителей наземно-воздушной среды, они нуждаются все в тех же веществах. Прежде всего речь идет о кислороде, который играет важную роль в жизнедеятельности подавляющего большинства организмов. И если мы извлекаем его из атмосферы, где его доля более или менее стабильна и составляет около 21%, то жители рек, морей и океанов сильно зависят от того, сколько кислорода в воде содержится в месте их обитания. Помимо рыб, кислород нужен и растениям. Однако его продукция обычно выше, чем уровень потребления, так что это не должно вызывать беспокойства.

Нормальные показатели

Из-за своей значительной роли в нормальном функционировании экосистем, уровень РК часто подвергается контролю со стороны биологов и экологов. Ведь в природе все связано, нарушение газового баланса в одном водоеме может вызвать проблемы и в соседних, если они связаны. Как правило, замеры проводятся до полудня, в этот период концентрация газа в поверхностных водах становится максимальной и составляет до 14 мг/л. Этот показатель подвержен серьезным суточным и сезонным колебаниям, но он не должен опускаться ниже 4 мг/л.
Уменьшение концентрации до 2 мг/л и менее вызывает массовую гибель обитателей гидросферы. Фактически — от удушья. Постепенное снижение показателя может говорить о загрязнении водоема и также может со временем закончиться гибелью водных жителей.

РК в искусственно созданных экосистемах

Важное значение хорошая аэрация имеет, например, в аквариумистике. Именно поэтому необходимо не только устанавливать специальные насосы, закачивающие воздух в воду и насыщающие его кислородом, но и, например, при необходимости высаживать на дне различные водоросли. Конечно, тем, кто имеет подобное хобби, в первую очередь интересна эстетика экосистемы, однако нельзя забывать о ее устойчивости и некой долговечности.

Если же речь идет о рыбных хозяйствах, производстве жемчуга и других специфических отраслях подобного типа, то помимо различных мер, направленных на сохранение достаточной концентрации растворенного кислорода в воде, необходимо регулярно проводить измерение этого показателя с помощью специальных проб. При их заборе крайне важно, чтобы не произошло контакта с воздухом, это может исказить результаты анализа.

Фотосинтез кратко и понятно

☰

Фотосинтез — это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света. В подавляющем большинстве случаев фотосинтез осуществляют растения с помощью таких клеточных органелл как хлоропласты, содержащих зеленый пигмент хлорофилл.

Если бы растения не были способны к синтезу органики, то почти всем остальным организмам на Земле нечем было бы питаться, так как животные, грибы и многие бактерии не могут синтезировать органические вещества из неорганических. Они лишь поглощают готовые, расщепляют их на более простые, из которых снова собирают сложные, но уже характерные для своего тела.

Так обстоит дело, если говорить о фотосинтезе и его роли совсем кратко. Чтобы понять фотосинтез, нужно сказать больше: какие конкретно неорганические вещества используются, как происходит синтез?

Для фотосинтеза нужны два неорганических вещества — углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O). Первый поглощается из воздуха надземными частями растений в основном через устьица. Вода — из почвы, откуда доставляется в фотосинтезирующие клетки проводящей системой растений. Также для фотосинтеза нужна энергия фотонов (hν), но их нельзя отнести к веществу.

В общей сложности в результате фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород (O₂). Обычно под органическим веществом чаще всего имеют в виду глюкозу (C₆H₁₂O₆).

Органические соединения большей частью состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Именно они содержатся в углекислом газе и воде. Однако при фотосинтезе происходит выделение кислорода. Его атомы берутся из воды.

Кратко и обобщенно уравнение реакции фотосинтеза принято записывать так:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Но это уравнение не отражает сути фотосинтеза, не делает его понятным. Посмотрите, хотя уравнение сбалансированно, в нем общее количество атомов в свободном кислороде 12. Но мы сказали, что они берутся из воды, а там их только 6.

На самом деле фотосинтез протекает в две фазы. Первая называется световой, вторая — темновой. Такие названия обусловлены тем, что свет нужен только для световой фазы, темновая фаза независима от его наличия, но это не значит, что она идет в темноте. Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов хлоропласта, темновая — в строме хлоропласта.

В световую фазу связывания CO₂ не происходит. Происходит лишь улавливание солнечной энергии хлорофилльными комплексами, запасание ее в АТФ, использование энергии на восстановление НАДФ до НАДФ*H₂. Поток энергии от возбужденного светом хлорофилла обеспечивается электронами, передающимися по электрон-транспортной цепи ферментов, встроенных в мембраны тилакоидов.

Водород для НАДФ берется из воды, которая под действием солнечного света разлагается на атомы кислорода, протоны водорода и электроны. Этот процесс называется фотолизом. Кислород из воды для фотосинтеза не нужен. Атомы кислорода из двух молекул воды соединяются с образованием молекулярного кислорода. Уравнение реакции световой фазы фотосинтеза кратко выглядит так:

H₂O + (АДФ+Ф) + НАДФ → АТФ + НАДФ*H₂ + ½O₂

Таким образом, выделение кислорода происходит в световую фазу фотосинтеза. Количество молекул АТФ, синтезированных из АДФ и фосфорной кислоты, приходящихся на фотолиз одной молекулы воды, может быть различным: одна или две.

Итак, из световой фазы в темновую поступают АТФ и НАДФ*H₂. Здесь энергия первого и восстановительная сила второго тратятся на связывание углекислого газа. Этот этап фотосинтеза невозможно объяснить просто и кратко, потому что он протекает не так, что шесть молекул CO₂ объединяются с водородом, высвобождаемым из молекул НАДФ*H₂, и образуется глюкоза:

6CO₂ + 6НАДФ*H₂ →С₆H₁₂O₆ + 6НАДФ
(реакция идет с затратой энергии АТФ, которая распадается на АДФ и фосфорную кислоту).

Приведенная реакция – лишь упрощение для облегчения понимания. На самом деле молекулы углекислого газа связываются по одной, присоединяются к уже готовому пятиуглеродному органическому веществу. Образуется неустойчивое шестиуглеродное органическое вещество, которое распадается на трехуглеродные молекулы углевода. Часть этих молекул используется на ресинтез исходного пятиуглеродного вещества для связывания CO₂. Такой ресинтез обеспечивается циклом Кальвина. Меньшая часть молекул углевода, включающего три атома углерода, выходит из цикла. Уже из них и других веществ синтезируются все остальные органические вещества (углеводы, жиры, белки).

То есть на самом деле из темновой фазы фотосинтеза выходят трехуглеродные сахара, а не глюкоза.

Растворенный кислород

Узнайте, сколько кислорода нужно живым существам залива, чтобы выжить, и что происходит, когда образуются области с низким содержанием кислорода.

Растворенный кислород (DO) – это количество кислорода, присутствующего в воде. Измеряется в миллиграммах на литр (мг/л) — количество миллиграммов кислорода, растворенного в литре воды.

Почему важен растворенный кислород?

Как и люди, все живые существа Чесапикского залива — от рыб и крабов, которые плавают в его водах, до червей, которые зарываются в илистое дно — нуждаются в кислороде, чтобы выжить.

Люди используют легкие для вдыхания кислорода из воздуха. Но черви, рыбы, крабы и другие подводные животные используют жабры для получения кислорода из воды. Когда вода проходит через жабры животного, кислород удаляется и попадает в кровь.

Жабры работают лучше, когда в окружающей воде больше кислорода. По мере снижения уровня растворенного кислорода животным становится все труднее получать кислород, необходимый им для выживания.

Сколько растворенного кислорода нужно животным?

Ученые в целом согласны с тем, что животным залива для жизни и процветания требуется концентрация растворенного кислорода 5,0 мг/л или выше. Однако количество кислорода, необходимого животному, варьируется в зависимости от того, насколько большое или сложное животное и где оно живет.

• Черви и моллюски, обитающие на илистом дне залива, где содержание кислорода естественно низкое, нуждаются в концентрации растворенного кислорода не менее 1 мг/л.
• Рыба, крабы и устрицы, живущие или кормящиеся на дне, нуждаются в концентрации растворенного кислорода 3 мг/л или выше.
• Нерестящимся мигрирующим рыбам, их икре и личинкам требуется до 6 мг/л на этих чувствительных стадиях жизни.

Чтобы увидеть уровни растворенного кислорода в Чесапикском заливе, посетите сайт Eyes on the Bay (для вод Мэриленда) или Систему наблюдения за устьем и побережьем Вирджинии (для вод Вирджинии).

Как кислород попадает в воду?

Кислород может попасть в воду несколькими путями:

• Кислород из атмосферы растворяется и смешивается с поверхностью воды.
• Водоросли и подводные травы выделяют кислород в процессе фотосинтеза.
• Вода поступает в залив из ручьев, рек и океана. В океанских водах обычно больше кислорода. Речные воды быстро движутся, что способствует смешиванию кислорода из воздуха.

Как формируются области с низким содержанием кислорода?

Гипоксические или низкокислородные районы — это регионы с содержанием растворенного кислорода менее 2 мг/л. Бескислородные или бескислородные области — это области с содержанием растворенного кислорода менее 0,2 мг/л. Эти области часто называют «мертвыми зонами», потому что большинство животных не могут там выжить. Области залива с низким уровнем растворенного кислорода являются результатом сложного взаимодействия нескольких природных и антропогенных факторов, включая температуру, загрязнение биогенными веществами, водные потоки и форму дна залива.

Высокие температуры

Температура ограничивает количество кислорода, которое может растворяться в воде: зимой вода может удерживать больше кислорода, чем в жаркие летние месяцы. Однако даже при самых высоких температурах залива (около 91 градуса по Фаренгейту) концентрация растворенного кислорода в воде может составлять от 6 до 7 мг/л. Таким образом, хотя высокие температуры могут влиять на уровень растворенного кислорода, температура — не единственная причина появления областей с низким содержанием кислорода в заливе каждое лето.

Загрязнение питательными веществами

Избыток питательных веществ в воде (известный как эвтрофикация) может способствовать росту цветения водорослей. Устрицы, менхадены и другие фильтраторы съедают часть избыточных водорослей, но большая их часть в конечном итоге не потребляется. Оставшиеся водоросли умирают и опускаются на дно залива, где разлагаются бактериями. Во время этого процесса бактерии потребляют кислород до тех пор, пока в этих придонных водах не останется его мало или совсем не останется.

Поток воды

Разделение воды, поступающей из океана и из пресноводных рек и ручьев залива, также может влиять на уровень растворенного кислорода. Вода, вытекающая из океана, обычно более соленая и прохладная, а речная вода пресная и более теплая. Из-за этих различий речная вода весит меньше, чем океанская вода, и плавает поверх нее, хотя ветер и другие сильные перемешивающие силы могут изменить эту картину.

Граница, где слой пресной воды встречается с нижележащим слоем соленой воды, называется пикноклином. Пикноклин действует как физический барьер, препятствующий смешиванию двух слоев. Летом, когда бактерии, потребляющие водоросли, наиболее активны, пикноклин отделяет бедные кислородом придонные воды от богатых кислородом поверхностных вод. Это может создать большие области с низким или нулевым содержанием кислорода на дне залива.

Форма дна залива

Дно залива не плоское, а имеет разные участки мелководья и глубины. В некоторых чашеобразных участках на дне залива пикноклин может действовать как «крышка», отсекающая придонные воды от поступления кислорода. Это явление часто происходит каждое лето в:

• Середина основного ствола залива, от моста через залив на юг до устья реки Потомак,
• Нижняя часть рек Честер, Потомак и Раппаханнок и
• Нижняя часть Восточного залива, недалеко от острова Кент.

Растворенный кислород — RMBEL

Растворенный кислород (DO) — это количество кислорода, растворенного в озерной воде. Кислород необходим для выживания всех живых организмов, за исключением некоторых бактерий. Живые организмы дышат кислородом, растворенным в воде. Количество кислорода, которое может удерживать вода в озере, напрямую связано с температурой. Чем холоднее вода, тем больше растворенного кислорода она может удерживать.

Источники DO

Растворенный кислород поступает в озеро из двух основных источников: фотосинтеза растений и водорослей и диффузии из атмосферы. В процессе фотосинтеза растения используют солнечную энергию для преобразования углекислого газа и воды в кислород и клеточный материал (рост). Поскольку концентрация кислорода в атмосфере (воздухе) выше, чем в воде, кислород диффундирует на поверхность озера из атмосферы.

Использование DO

Растворенный кислород используется в двух основных процессах: дыхании и разложении. Дыхание — это когда животные вдыхают кислород и используют его для производства энергии, выделяя углекислый газ и воду в качестве побочных продуктов. Проще говоря, это акт дыхания. Разложение — это когда беспозвоночные, бактерии и грибы разрушают мертвый органический материал. В большинстве процессов разложения используется кислород.

Распределение кислорода

Кислород добавляется в озеро только у поверхности, потому что именно там находятся растения (эвфотическая зона) и где происходит диффузия из атмосферы. Летом и зимой в эвтрофном или мезотрофном озере озеро обычно разделяется на верхний и нижний слои (стратификация). При стратификации дно озера становится бескислородным, лишенным кислорода. Аноксия возникает из-за того, что дыхание и разложение происходят на дне озера и расходуют кислород. Кислород не может быть пополнен на дне озера, потому что он отрезан от верхней части озера. Весной и осенью, когда озеро снова перемешивается, на дне озера пополняется кислород.