Амирханова Н.А., Белоногов В.В., Беляева Л.С. и др. Лабораторные работы по экологии: Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
220
методы защиты окружающей среды от техногенных выбросов
предпочтительнее. Составьте оптимальную схему мониторинга, по аналогии
с рис. 4.11.
Поясните эту схему применительно к Вашей специализации.
Рекомендуется, в частности, студентам машиностроительных
специальностей описать контролируемый технологический процесс (сварка,
литье, обработка металла давлением, резанием, нанесение гальванопокрытий,
электрохимическая размерная обработка, плазменное напыление и т. п.),
виды загрязнений (ингредиентное, параметрическое и т. п.); студентам
приборостроительных специальностей желательно описать требования к
информационно-измерительной технике, приборам, применяемым в качестве
датчиков, принципы преобразования неэлектрических сигналов в
электрические, закономерности построения полярографических,
амперометрических, потенциометрических и других датчиков; студентам-
системотехникам - выделить наиболее важные параметры, по которым
проводится контроль, определяется возможность построения математической
модели процесса, пути составления программного обеспечения
мониторинга.
4.5.5. Пример имитационного моделирования круговорота
фосфора в биосфере
Для исследования используется схема круговорота фосфора (рис. 4.14).
В соответствии с изложенными выше правилами игроки заполняют
последовательно направления
1 – 8.
Гидросфера
РО
−2
5,3
, РО
−
3
, РО
5,2
, РО
−
3
4
, Р
3
О
−
3
9
, Р
3
О
−
3
10
Рис. 4.14. Схема круговорота фосфора в биосфере
для имитационного моделирования
(объяснение обозначений в тексте)
221
По ходу игры даются предварительные комментарии о применении
процесса,об экологических проблемах и т.п.
Направление 1. Переход «поверхность Земли, или дно океанов –
гидросфера».
1.1. (+HS, 20). Получение конденсированных фосфатов:
(
n-2)NaH
2
PO
4
+ 2Na
2
HPO
4
→
−
К1500600
Na
n+2
P
n
O
3n+1
+ (n-1)H
2
O;
гидратированные ортофосфаты полифосфат
nNaH
2
PO
4
→
−
К 1500600
(NaPO
3
)
n
+ nH
2
O.
метафосфат
Применение: умягчение воды, так как образуются растворимые соли с
Са(II).
Экологические проблемы: фосфаты – удобрения и могут вызывать
большой рост водорослей в озерах.
Для круговорота процесс положительный, так как переводит фосфор в
более активную для биосферы форму – в раствор.
1.2. (+HS, 30)
333284
2HPO PO2HO4HOP
+
→+ ;
фосфористая метафосфорная
кислота кислота
P
4
O
10
(т) + 6H
2
O (ж) → 4H
3
PO
4
(ж);
P
4
O
6
+ 6H
2
O → 4H
3
PO
3
.
фосфорный фосфористая
ангидрид кислота
1.3. (+HS, 30)
Получение фосфора (вывод из круговорота):
2Ca
3
(PO
4
)
2
+ 6SiO
2
+ 10C →
t
P
4
+ 6CaSiO
3
+ 10CO.
белый
фосфор
Побочные реакции (вовлечение в кругооборот в виде РН
3
, РО
−3
3
):
222
.
33333
;
33264
;
26424
PHPO3HPO4H
PO4HO6HOP
6HOPO6HP
+→
→+
+
→+
1.4. (+НS, 10)
Получение фосфористой кислоты:
.12HClPO4H6ClO12HP
33224
+
→
+
+
1.5. (+HS, 20)
Получение гипофосфита бария (II):
P
4
+ Ba(OH)
2
→
t
Ba(H
2
PO
2
)
2
+ 2PH
3
;
желтый суспензия
кипячение
фосфор
8P + 3Ba(OH)
2
+ 6H
2
O → 2PH
3
+ 3Ba(H
2
PO
2
)
2
.
1.6. (+НS, 10)
Получение ортофосфорной кислоты механолизом:
.О4НOVPO2HОН4OPOV
2
5
243
порошка
р
астирание
2
5
2
5
2
⋅⋅ +→⋅
1.7. (+НS, 10)
Производство ортофосфорной кислоты из минералов:
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 3H
2
SO
4
→ 3CaSO
4
+ 2H
3
PO
4
.
сиропообразный
85 % -ный раствор
1.8. (NP, 50)
Природные процессы перехода минералов, содержащих фосфор, в
растворимые соединения:
Сa
3
(PO
4
)
2
→
4
NaHPO
CaHPO
4
;
не растворим
223
7CaHPO
4
+ H
2
O → Ca
5
(PO
4
)
3
+ 2Ca(H
2
PO
4
)
2
;
гидроксилапатит хорошо
(хлопья) растворим
Ca(H
2
PO
4
)
2
+ Na
2
HPO
4
= CaHPO
4
+ 2NaH
2
PO
4
;
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 2H
2
SO
4
+ 4H
2
O = Ca(H
2
PO
4
)
2
+ 2CaSO
4
·2H
2
O;
хорошо
растворим
Ca
3
(PO
4
)
3
OH + 7H
2
SO
4
+ 12H
2
O = 3Ca(H
2
PO
4
)
2
+ 7CaSO
4
·2H
2
O.
хорошо
растворим
1.9. (NP, 40)
Р
4
S
3
+ 8О
2
→
t
2Р
2
О
5
+ 3СО
2
;
минерал
извержение
вулкана
Р
2
О
5
+ Н
2
О → 2НРО
3
(метафосфорная кислота);
Р
2
О
5
+ 2Н
2
О → Н
4
Р
2
О
7
(пирофосфорная кислота);
Р
2
О
7
+ 3Н
2
О → 2Н
3
РО
4
(ортофосфорная кислота).
Направление 2. Переход «Поверхность Земли или дно океанов –
растения».
2.1. (+HS, 20)
Производство соединений, усваиваемых растениями.
Са
3
(РО
4
)
2
→ Р
4
→ Н
3
РО
4
→ РCl
5
.
нерастворимые
фосфаты
Синтез гексахлортрифосфазена:
nPCl
5
+ nNH
4
Cl
→
4
Сl
3
Н
2
С в
(NPCl
2
)
n
+ 4nHCl.
или С
6
Н
5
Cl
(NPCl
2
)
n
– ключевое промежуточное соединение в синтезе многих
фосфазенов, может быть и удобрением для растений.
224
2.2. (+HS, 20)
Ca
3
(PO
4
)
2
→ P
4
;
P
4
+ H
2
O →
>0рН
PH
3
+ H
3
PO
3
.
фосфин
Получение важного соединения фосфониевого ряда:
PH
3
+ 4HCHO + HCl (гидр) → [P(CH
2
OH)
4
]
+
Cl
−
.
2.3. (+HS, 20)
Ca
3
(PO
4
)
2
→ P
4
→ PCl
3
;
PCl
3
+ 3C
6
H
5
MgCl → P(C
6
H
5
)
3
+ 3MgCl
2
.
2.4. (+HS, 30)
Ca
3
(PO
4
)
2
→ P
4
→PH
3
→ пестициды.
Примеры фосфорсодержащих пестицидов:
(СH
3
O)
2
P SСH
2
СONHСH
3
||
S рогор;
(СH
3
O)
2
P O— — NO
2
||
S метафос;
(CH
3
O)
2
P SCCHCOOC
2
H
5
|| |
S CH
3
COOC
2
H
5
карбофос.
Хотя пестициды и несут некоторую экологическую опасность,
вовлечение фосфора в круговорот положительно.
2.5. (NP, 20)
Ca
3
(PO
4
)
2
→PO
−
3
4
→ фосфолипиды.
225
Примеры фосфолипидов:
O
||
CH
2
—O—C—R’
|
R—C—O—CH O монофосфатидная кислота;
|| | ||
O CH
2
—O—P—O—
|
O—
O
||
СН
2
—О—С—R
O
||
CH —O— C —R’
O NH
+
3
|| |
CH
2
—O— P—O—CH
2
—CH—COOH
|
O— фосфадилсерин.
2.6. (+HS, 20)
Ca
3
(PO
4
)
2
→P
4
→PH
3
→PCl
5
H
CH C Cl
PCl
5
+ → H
CH C PCl
4
CH
3
CH
2
В PCl
5
присутствует как структурная единица группа [PCl
6
]
−
.
2.7. (+HS, 20)
Ca
3
(PO
4
)
2
→P
4
→PH
3
→PCl
5
nPCl
5
+ nNH
4
Cl → (PNCl
2
)n + 4nHCl.
226
фосфонитригалогенид
Примеры фосфонитригалогенидов:
PCl
2
— N PCl
2
— N
N PCl
2
; N PCl
2
PCl
2
═ N
цикло-трифосфо-нитрилхлорид P Cl
2
N
N — PCl
2
цикло-тетрафосфонитрилхлорид.
2.8. (+HS, 40)
Ca
3
(PO
4
)
2
→P
4
→PH
3
→PCl
5
;
3PCl
5
+ 2B(OH)
3
→ 3POCl
3
+ 6HCl + B
2
O
3
;
PCl
5
+ H
2
C
2
O
4
→ POCl
3
+ 2HCl + CO
2
+ CO;
3PCl
5
+ P
2
O
5
→ 5POCl
3
;
PO OH
→ PO(OH)
3
+ 3RCl.
2.9. (+HS, 30)
Простой суперфосфат:
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 2H
2
SO
4
= 2CaSO
4
+ Ca(H
2
PO
4
)
2
;
Ca(H
2
PO
4
)
2
– хорошо растворим, легко усваивается растениями.
Двойной суперфосфат (без «балласта» CaSO
4
) :
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 3H
2
SO
4
= 3CaSO
4
↓ + 2H
3
PO
4
;
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 4H
3
PO
4
→ 3Ca(H
2
PO
4
)
2
.
Преципитат (СаНРО
4
·2Н
2
О) получают при взаимодействии Са(ОН)
2
и
Н
3
РО
4
.
Направление 3. Переход «Поверхность Земли, дно океанов –
животные».
3.1. (NP, 30)
Ca
3
(PO
4
)
2
→ PO
−
3
4
→ растения → свингомиелин.
Формула свингомиелина:
O
||
СН
3
—(СН
2
)
12
—СН═СН—СН—СН—СН
3
—О— Р—О—СН
2
СН
3
N(СН
3
)
3
| | |
OH NH O— остаток холина
|
227
COR-остаток жирной кислоты.
Свингомиелин – один из фосфосфинголипидов, входит в состав
мембран животных, клеток нервной ткани, плазмы крови, селезенки, печени.
Направление 4. Переход «Гидросфера – растения».
4.1. (NP, 20)
PO
−3
4
→
ферменты
ДНК
катализаторы: дезоксирибонуклеиновые
фосфаттрасферазы кислоты
ДНК – первичные носители информации.
Фрагмент ДНК:
ОН Н
| |
…—О—Р—О—С—Н
|| |
O СН—О—СН—R
1
| |
CH—H—C—H
|
O—…
Радикал R
1
– аденил:
С N
N C C—H
| || |
C C — N
H N |
H
2
C—O—H
2
PO
3
4.2. (NP, 20) |
C=O
|
PO
−3
4
→
ферменты
H—C—OH
катализаторы:
|
фосфокиназы
Н—С—ОН
|
Н
2
С—О—Н
2
РО
3
рибулозодифосфат.
4.3. (NP, 30)
Цикл Кальвина при фотосинтезе (темновая фаза) включает 4 стадии.
228
I стадия – карбоксилирование
Н
2
С—О—Н
2
РО
3
| Н
2
С—О—Н
2
РО
3
С=О |
СО
2
+ | + Н
2
О →
RUBISCO
2 СНОН
СНОН |
| СООН
СНОН 2-фосфоглицериновая
| кислота
СН
2
ОР
рибулозодифосфат
RUBISCO – фермент – рибилозбисфосфат – карбоксилаза оксигеназа.
Это самый распространенный фермент на планете (10 млн т или около 20 кг
на каждого жителя Земли).
4.4. (NP, 40)
Цикл Кальвина (продолжение)
II стадия – восстановление
СН
2
─О─Н
2
РО
3
|
СНОН + АТФ + НАДФН + Н
+
→
ферменты
|
СООН
→
ферменты
СН
2
─О─Н
2
РО
3
+ АДФ + Рi + НАДФ
+
+ Н
2
О.
|
СНОН
|
СНО
фосфоглицеральдегид
(триозофосфат)
III стадия - регенерация
Триозофосфат → рибулозофосфат.
(содержит 3 атома С) (содержит 5 атомов С)
IV стадия – синтез продуктов
Триозофосфат → сахароза, крахмал, аминокислоты, жиры и др.
229
Обозначения:
НАДФН – восстановленный никотинамидаденин-динуклеотид;
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота;
АДФ – аденозиндифосфат;
Р
i – продукты гидролиза.
Направление 5. Переход «Гидросфера – животные».
5.1. (NP, 20)
Растворенные
→
ферменты
растения →
ферменты
животные.
фосфат-ионы
катализаторы катализаторы
5.2 (NP, 20)
5.3. (NP, 20)
Коллектором атомов водорода (протонов и электронов) в окисленной
молекуле NAД
+
служит только небольшая ее часть: