1.2. Karakteristik dan komposisi biosfer Untuk pertama kalinya, konsep "biosfer" (dari bahasa Yunani. bios - kehidupan dan sphaira - bola) diperkenalkan ke dalam biologi oleh J. Lamarck pada awal abad ke-19. Dia menekankan bahwa semua zat yang ada di permukaan bola dunia dan membentuk keraknya terbentuk karena

Unsur kimia sel

Dalam organisme hidup, tidak ada satu unsur kimia pun yang tidak akan ditemukan dalam tubuh alam mati (yang menunjukkan kesamaan alam hidup dan mati).
Sel-sel yang berbeda mencakup unsur-unsur kimia yang hampir sama (yang membuktikan kesatuan alam yang hidup); dan pada saat yang sama, bahkan sel-sel dari satu organisme multiseluler, yang melakukan fungsi yang berbeda, dapat berbeda secara signifikan satu sama lain dalam komposisi kimia.
Dari lebih dari 115 elemen yang diketahui saat ini, sekitar 80 ditemukan dalam komposisi sel.

Semua elemen menurut isinya dalam organisme hidup dibagi menjadi tiga kelompok:

1. makronutrien- kandungannya melebihi 0,001% dari berat badan.
   98% massa sel apa pun jatuh pada empat elemen (kadang-kadang disebut organogen): - oksigen (O) - 75%, karbon (C) - 15%, hidrogen (H) - 8%, nitrogen (N) - 3%. Unsur-unsur ini membentuk dasar senyawa organik (dan oksigen dan hidrogen, sebagai tambahan, merupakan bagian dari air, yang juga terkandung di dalam sel). Sekitar 2% dari massa sel menyumbang delapan lainnya makronutrien: magnesium (Mg), natrium (Na), kalsium (Ca), besi (Fe), kalium (K), fosfor (P), klorin (Cl), belerang (S);
2. Unsur-unsur kimia yang tersisa terkandung dalam sel dalam jumlah yang sangat kecil: elemen jejak- yang terdiri dari 0,000001% sampai 0,001% - boron (B), nikel (Ni), kobalt (Co), tembaga (Cu), molibdenum (Mb), seng (Zn), dll.;
3. elemen ultramikro- kandungannya tidak melebihi 0,000001% - uranium (U), radium (Ra), emas (Au), merkuri (Hg), timbal (Pb), cesium (Cs), selenium (Se), dll.

Organisme hidup mampu mengakumulasi unsur-unsur kimia tertentu. Jadi, misalnya, beberapa ganggang menumpuk yodium, buttercup - lithium, duckweed - radium, dll.

Bahan kimia sel

Unsur yang berbentuk atom merupakan bagian dari molekul anorganik dan organik senyawa sel.

Ke senyawa anorganik termasuk air dan garam mineral.

senyawa organik adalah karakteristik hanya untuk organisme hidup, sedangkan anorganik ada di alam mati.

Ke senyawa organik termasuk senyawa karbon dengan berat molekul 100 hingga beberapa ratus ribu.
Karbon adalah bahan kimia dasar kehidupan. Itu dapat bersentuhan dengan banyak atom dan kelompoknya, membentuk rantai, cincin yang membentuk kerangka molekul organik yang berbeda dalam komposisi kimia, struktur, panjang dan bentuk. Mereka membentuk senyawa kimia kompleks yang berbeda dalam struktur dan fungsi. Senyawa organik penyusun sel makhluk hidup disebut... polimer biologis, atau biopolimer. Mereka membuat lebih dari 97% dari bahan kering sel.

Pada abad terakhir, bahan bakar utama adalah kayu bakar. Bahkan hingga saat ini, kayu sebagai bahan bakar masih sangat penting, terutama untuk pemanas bangunan di pedesaan. Saat membakar kayu di tungku, sulit membayangkan bahwa kita sebenarnya menggunakan energi yang diterima dari Matahari, yang terletak pada jarak sekitar 150 juta kilometer dari Bumi. Namun, itulah yang terjadi.

Bagaimana energi matahari terakumulasi dalam kayu? Mengapa kita dapat mengatakan bahwa ketika kita membakar kayu, kita menggunakan energi yang diterima dari Matahari?

Ilmuwan Rusia yang luar biasa K. A. Timiryazev memberikan jawaban yang jelas untuk pertanyaan yang diajukan. Ternyata perkembangan hampir semua tanaman hanya mungkin dilakukan di bawah pengaruh sinar matahari. Kehidupan sebagian besar tanaman dari rumput kecil hingga kayu putih yang kuat, yang tingginya mencapai 150 meter dan keliling batang 30 meter, didasarkan pada persepsi sinar matahari. Daun hijau tanaman mengandung zat khusus - klorofil. Zat ini memberikan sifat penting pada tanaman: menyerap energi sinar matahari, menguraikan karbon dioksida, yang merupakan senyawa karbon dan oksigen, menjadi bagian-bagian penyusunnya, yaitu menjadi karbon dan oksigen, dan membentuk zat organik dalam jaringannya, dari mana jaringan tanaman sebenarnya terdiri. Tanpa berlebihan, khasiat tumbuhan ini bisa disebut luar biasa, karena berkat itu tumbuhan mampu mengubah zat anorganik menjadi zat organik. Selain itu, tanaman menyerap karbon dioksida dari udara, yang merupakan produk dari aktivitas makhluk hidup, industri dan aktivitas gunung berapi, dan memenuhi udara dengan oksigen, yang tanpanya, seperti yang Anda ketahui, proses respirasi dan pembakaran tidak mungkin dilakukan. Oleh karena itu, ruang terbuka hijau sangat penting bagi kehidupan manusia.

Memverifikasi bahwa daun tanaman menyerap karbon dioksida dan memisahkannya menjadi karbon dan oksigen mudah dilakukan dengan eksperimen yang sangat sederhana. Bayangkan bahwa dalam tabung reaksi ada air dengan karbon dioksida terlarut di dalamnya dan daun hijau dari beberapa pohon atau rumput. Air yang mengandung karbon dioksida sangat tersebar luas: pada hari yang panas, air inilah, yang disebut air soda, yang sangat menyenangkan untuk menghilangkan dahaga Anda.

Namun, mari kita kembali ke pengalaman kita. Setelah beberapa waktu, gelembung-gelembung kecil dapat terlihat pada daun, yang, ketika terbentuk, naik dan menumpuk di bagian atas tabung. Jika gas ini, yang diperoleh dari daun, dikumpulkan dalam wadah terpisah dan kemudian serpihan yang sedikit membara dimasukkan ke dalamnya, maka ia akan menyala dengan nyala api yang terang. Atas dasar ini, dan juga sejumlah lainnya, dapat dipastikan bahwa kita berurusan dengan oksigen. Adapun karbon, diserap oleh daun dan zat organik terbentuk darinya - jaringan tanaman, yang energi kimianya, yang merupakan energi yang dikonversi dari sinar matahari, dilepaskan selama pembakaran dalam bentuk panas.

Dalam cerita kami, yang tentu saja menyentuh berbagai cabang ilmu pengetahuan alam, konsep baru lainnya telah ditemukan: energi kimia. Hal ini diperlukan untuk setidaknya menjelaskan secara singkat apa itu. Energi kimia suatu zat (khususnya kayu bakar) memiliki banyak kesamaan dengan energi panas. Energi panas, seperti yang diingat pembaca, adalah jumlah energi kinetik dan energi potensial dari partikel terkecil tubuh: molekul dan atom. Energi panas suatu benda dengan demikian didefinisikan sebagai jumlah energi dari gerakan translasi dan rotasi molekul dan atom dari suatu benda tertentu dan energi tarik-menarik atau tolak-menolak di antara mereka. Energi kimia suatu benda, tidak seperti energi panas, terdiri dari energi yang terakumulasi di dalam molekul. Energi ini hanya dapat dilepaskan melalui transformasi kimia, reaksi kimia di mana satu atau lebih zat diubah menjadi zat lain.

Dua klarifikasi penting harus ditambahkan untuk ini. Tetapi pertama-tama perlu diingatkan kepada pembaca tentang beberapa ketentuan tentang struktur materi. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan berasumsi bahwa semua benda terdiri dari partikel terkecil dan tak terpisahkan lebih lanjut - atom. Dalam bahasa Yunani, kata "atom" berarti tidak dapat dibagi. Pada bagian pertama, asumsi ini dikonfirmasi: semua benda benar-benar terdiri dari atom, dan dimensi yang terakhir ini sangat kecil. Berat atom hidrogen, misalnya, adalah 0,0000000000000000000000017 gram. Ukuran atom sangat kecil sehingga tidak mungkin untuk melihatnya bahkan di mikroskop yang paling kuat sekalipun. Jika mungkin untuk mengatur atom sedemikian rupa saat kita menuangkan kacang polong ke dalam gelas, mis. menghubungi mereka satu sama lain, maka dalam volume yang sangat kecil dari 1 milimeter kubik sekitar 10.000.000.000.000.000.000.000.000 atom akan cocok.

Secara total, sekitar seratus jenis atom diketahui. Berat atom uranium - salah satu atom terberat - sekitar 238 kali berat atom hidrogen paling ringan. Zat sederhana, yaitu Zat yang tersusun dari atom-atom yang sejenis disebut unsur.

Ketika digabungkan, atom membentuk molekul. Jika suatu molekul terdiri dari berbagai jenis atom, maka zat tersebut disebut kompleks. Sebuah molekul air, misalnya, terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Sama seperti atom, molekul sangat kecil. Contoh mencolok, yang menunjukkan ukuran kecil molekul dan seberapa besar jumlahnya bahkan dalam volume yang relatif kecil, adalah contoh yang diberikan oleh fisikawan Inggris Thomson. Jika kita mengambil segelas air dan menandai semua molekul air dalam gelas ini dengan cara tertentu, lalu menuangkan air ke laut dan mengaduknya dengan seksama, ternyata di samudra atau laut apa pun kita menggambar segelas air. , itu akan berisi sekitar seratus molekul bertanda kami.

Semua benda adalah akumulasi dari sejumlah besar molekul atau atom. Dalam gas, partikel-partikel ini bergerak kacau, yang semakin besar intensitasnya, semakin tinggi suhu gasnya. Dalam cairan, gaya kohesi antara molekul individu jauh lebih besar daripada di gas. Oleh karena itu, meskipun molekul-molekul cairan juga bergerak, mereka tidak dapat lagi melepaskan diri satu sama lain. Padatan dibangun dari atom. Gaya tarik-menarik antara atom-atom zat padat jauh lebih besar, tidak hanya dibandingkan dengan gaya tarik-menarik antara molekul-molekul gas, tetapi juga tidak dibandingkan dengan molekul-molekul cairan. Akibatnya, atom-atom benda padat hanya melakukan gerakan osilasi di sekitar posisi kesetimbangan yang kurang lebih tidak berubah. Semakin tinggi suhu tubuh, semakin besar energi kinetik atom dan molekul. Sebenarnya, itu adalah energi kinetik atom dan molekul yang menentukan suhu.

Adapun asumsi bahwa atom tidak dapat dibagi, bahwa ia dianggap sebagai partikel terkecil dari materi, asumsi ini kemudian ditolak. Fisikawan sekarang memiliki satu kesatuan pandangan, yaitu bahwa atom tidak dapat dibagi, bahwa ia terdiri dari partikel materi yang bahkan lebih kecil. Selain itu, sudut pandang fisikawan ini sekarang dikonfirmasi dengan bantuan eksperimen. Jadi, atom, pada gilirannya, adalah partikel kompleks yang terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron membentuk inti atom yang dikelilingi oleh kulit elektron. Hampir semua massa atom terkonsentrasi di nukleusnya. Inti atom terkecil dari semua yang ada - inti atom hidrogen, yang hanya terdiri dari satu proton - memiliki massa 1.850 kali lebih besar dari massa elektron. Massa proton dan neutron kira-kira sama satu sama lain. Jadi, massa atom ditentukan oleh massa intinya, atau, dengan kata lain, oleh jumlah proton dan neutron. Proton memiliki muatan listrik positif, elektron memiliki muatan listrik negatif, dan neutron tidak memiliki muatan listrik sama sekali. Oleh karena itu, muatan inti selalu positif dan sama dengan jumlah proton. Nilai ini disebut nomor urut unsur dalam sistem periodik D. I. Mendeleev. Biasanya jumlah elektron yang menyusun kulit sama dengan jumlah proton, dan karena muatan elektron negatif, atom secara keseluruhan bersifat netral.

Terlepas dari kenyataan bahwa volume atom sangat kecil, nukleus dan elektron yang mengelilinginya hanya menempati sebagian kecil dari volume ini. Oleh karena itu orang dapat membayangkan betapa rapatnya inti atom. Jika mungkin untuk menempatkan inti hidrogen sedemikian rupa sehingga mereka hanya mengisi volume 1 sentimeter kubik dengan padat, maka beratnya akan menjadi sekitar 100 juta ton.

Setelah menguraikan secara singkat beberapa ketentuan tentang struktur materi dan mengingat sekali lagi bahwa energi kimia adalah energi yang terakumulasi di dalam molekul, kita akhirnya dapat beralih ke menyajikan dua pertimbangan penting yang dijanjikan sebelumnya yang lebih sepenuhnya mengungkapkan esensi energi kimia.

Kami mengatakan di atas bahwa energi panas suatu benda adalah jumlah energi dari gerakan translasi dan rotasi molekul dan energi tarik-menarik atau tolak-menolak di antara mereka. Definisi energi panas ini tidak sepenuhnya akurat, atau lebih baik dikatakan, tidak cukup lengkap. Dalam hal suatu molekul suatu zat (cair atau gas) terdiri dari dua atom atau lebih, maka energi gerak vibrasi atom-atom di dalam molekul tersebut juga harus termasuk dalam energi panas. Kesimpulan ini diambil atas dasar pertimbangan berikut. Pengalaman menunjukkan bahwa kapasitas panas hampir semua zat meningkat dengan meningkatnya suhu. Dengan kata lain, jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kilogram suatu zat sebesar 1 °C, sebagai aturan, semakin besar, semakin besar suhu zat ini. Sebagian besar gas mengikuti aturan ini. Apa yang menjelaskan ini? Fisika modern menjawab pertanyaan ini sebagai berikut: alasan utama peningkatan kapasitas panas gas dengan meningkatnya suhu adalah peningkatan cepat energi vibrasi atom-atom yang membentuk molekul gas ketika suhu meningkat. Penjelasan ini ditegaskan oleh fakta bahwa kapasitas panas meningkat dengan meningkatnya suhu, semakin banyak atom yang terdiri dari molekul gas. Kapasitas panas gas monoatomik, yaitu gas, yang partikel terkecilnya adalah atom, secara umum, hampir tidak berubah dengan meningkatnya suhu.

Tetapi jika energi dari gerakan vibrasi atom-atom di dalam molekul berubah, dan bahkan sangat signifikan, ketika gas dipanaskan, yang terjadi tanpa mengubah komposisi kimia gas ini, maka, tampaknya, energi ini tidak dapat dianggap sebagai energi kimia. Tetapi bagaimana dengan definisi energi kimia di atas, yang menurutnya adalah energi yang terakumulasi di dalam molekul?

Pertanyaan ini cukup tepat. Definisi energi kimia di atas harus diklarifikasi terlebih dahulu: energi kimia tidak mencakup semua energi yang terakumulasi di dalam molekul, tetapi hanya sebagian saja yang dapat diubah hanya melalui transformasi kimia.

Pertimbangan kedua mengenai esensi energi kimia adalah sebagai berikut. Tidak semua energi yang terakumulasi di dalam molekul dapat dilepaskan sebagai hasil dari reaksi kimia. Bagian dari energi, dan yang sangat besar pada saat itu, tidak berubah dengan cara apa pun sebagai akibat dari proses kimia. Ini adalah energi yang terkandung di dalam atom, atau lebih tepatnya, di dalam inti atom. Ini disebut energi atom atau nuklir. Sebenarnya, ini tidak mengejutkan. Mungkin, bahkan berdasarkan semua yang telah dikatakan di atas, keadaan ini dapat diramalkan. Memang, dengan bantuan reaksi kimia apa pun, tidak mungkin mengubah satu unsur menjadi unsur lain, atom dari satu jenis menjadi atom jenis lain. Di masa lalu, para alkemis menetapkan diri mereka sendiri tugas seperti itu, berjuang dengan segala cara untuk mengubah logam lain, seperti merkuri, menjadi emas. Para alkemis gagal mencapai kesuksesan dalam hal ini. Tetapi jika dengan bantuan reaksi kimia tidak mungkin untuk mengubah satu elemen menjadi yang lain, atom dari satu jenis menjadi atom dari jenis lain, maka ini berarti bahwa atom itu sendiri, atau lebih tepatnya bagian utamanya - inti - tetap tidak berubah selama reaksi kimia. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk melepaskan energi yang sangat besar yang terakumulasi dalam inti atom. Dan energi ini benar-benar sangat hebat. Saat ini, fisikawan telah mempelajari cara melepaskan energi nuklir atom uranium dan beberapa elemen lainnya. Ini berarti bahwa menjadi mungkin untuk mengubah satu elemen menjadi elemen lain. Pemisahan atom uranium, yang diambil dalam jumlah hanya 1 gram, melepaskan sekitar 10 juta kalori panas. Untuk mendapatkan jumlah panas seperti itu, perlu membakar sekitar satu setengah ton batu bara yang bagus. Orang dapat membayangkan kemungkinan besar apa yang ada dalam penggunaan energi nuklir (atom).

Karena transformasi atom dari satu jenis menjadi atom jenis lain dan pelepasan energi nuklir yang terkait dengan transformasi semacam itu bukan lagi bagian dari tugas kimia, energi nuklir tidak termasuk dalam komposisi energi kimia materi.

Jadi, energi kimia tanaman, yang seolah-olah, energi matahari kalengan, dapat dilepaskan dan digunakan sesuai kebijaksanaan kami. Untuk melepaskan energi kimia suatu zat, mengubahnya setidaknya sebagian menjadi jenis energi lain, perlu untuk mengatur proses kimia seperti itu, sebagai akibatnya zat tersebut akan diperoleh, yang energi kimianya akan menjadi kurang dari energi kimia dari zat yang awalnya diambil. Dalam hal ini, sebagian energi kimia dapat diubah menjadi panas, dan yang terakhir ini digunakan dalam pembangkit listrik termal dengan tujuan akhir memperoleh energi listrik.

Berkenaan dengan kayu bakar - bahan bakar nabati - proses kimia yang cocok adalah proses pembakaran. Pembaca tentu sudah tidak asing lagi dengannya. Oleh karena itu, kita hanya mengingat secara singkat bahwa pembakaran atau oksidasi suatu zat adalah proses kimia menggabungkan zat ini dengan oksigen. Sebagai hasil dari kombinasi zat yang terbakar dengan oksigen, sejumlah besar energi kimia dilepaskan - panas dilepaskan. Panas dilepaskan tidak hanya selama pembakaran kayu bakar, tetapi juga selama proses pembakaran atau oksidasi lainnya. Sudah diketahui, misalnya, berapa banyak panas yang dilepaskan ketika jerami atau batu bara dibakar. Di dalam tubuh kita juga terjadi proses oksidasi yang lambat sehingga suhu di dalam tubuh sedikit lebih tinggi dari suhu lingkungan yang biasanya mengelilingi kita. Karat besi juga merupakan proses oksidasi. Panas juga dilepaskan di sini, tetapi hanya proses ini yang berlangsung sangat lambat sehingga kita praktis tidak menyadari adanya pemanasan.

Saat ini, kayu bakar hampir tidak digunakan dalam industri. Hutan terlalu penting bagi kehidupan manusia untuk dapat membakar kayu bakar dalam tungku ketel uap di pabrik, pabrik dan pembangkit listrik. Dan tidak untuk waktu yang lama akan cukup semua sumber daya hutan di bumi, jika mereka memutuskan untuk menggunakannya untuk tujuan ini. Di negara kita, pekerjaan yang sama sekali berbeda sedang dilakukan: penanaman massal penahan angin dan saluran hutan sedang dilakukan untuk memperbaiki kondisi iklim daerah tersebut.

Namun, semua yang dikatakan di atas tentang pembentukan jaringan tumbuhan karena energi sinar matahari dan tentang penggunaan energi kimia jaringan tumbuhan untuk menghasilkan panas paling berhubungan langsung dengan bahan bakar yang banyak digunakan di zaman kita di industri dan, di khususnya di pembangkit listrik termal. Bahan bakar ini terutama meliputi: gambut, batubara coklat dan batubara keras. Semua bahan bakar ini adalah produk dekomposisi tanaman mati, dalam banyak kasus tanpa akses udara atau dengan sedikit akses udara. Kondisi seperti itu untuk bagian tanaman yang sekarat dibuat di dalam air, di bawah lapisan sedimen air. Oleh karena itu, pembentukan bahan bakar ini paling sering terjadi di rawa-rawa, di dataran rendah yang sering tergenang, di sungai dan danau yang dangkal atau mengering sepenuhnya.

Dari tiga bahan bakar yang tercantum di atas, gambut adalah yang termuda. Ini berisi sejumlah besar bagian tanaman. Kualitas bahan bakar tertentu sebagian besar dicirikan oleh nilai kalornya. Nilai kalor, atau nilai kalor, adalah jumlah panas, diukur dalam kalori, yang dilepaskan ketika 1 kilogram bahan bakar dibakar. Jika kita memiliki gambut kering yang tidak mengandung uap air, maka nilai kalorinya akan sedikit lebih tinggi daripada nilai kalori kayu bakar: gambut kering memiliki nilai kalori sekitar 5.500 kalori per 1 kilogram, dan kayu bakar - sekitar 4.500. , biasanya mengandung cukup banyak uap air dan karena itu memiliki nilai kalor yang lebih rendah. Penggunaan gambut di pembangkit listrik Rusia dimulai pada tahun 1914, ketika pembangkit listrik dibangun, dengan nama insinyur Rusia yang luar biasa R. E. Klasson, pendiri metode baru ekstraksi gambut, yang disebut metode hidrolik. Setelah Revolusi Sosialis Besar Oktober, penggunaan gambut di pembangkit listrik menjadi meluas. Insinyur Rusia telah mengembangkan metode paling rasional untuk mengekstraksi dan membakar bahan bakar murah ini, yang simpanannya di Rusia sangat signifikan, serta produksi saluran udara.

Produk dekomposisi yang lebih tua dari jaringan tanaman daripada gambut adalah apa yang disebut batubara coklat. Namun, batubara coklat masih mengandung sel tumbuhan dan bagian tumbuhan. Batubara coklat kering dengan kandungan rendah pengotor yang tidak mudah terbakar - abu - memiliki nilai kalori lebih dari 6.000 kalori per 1 kilogram, yaitu, bahkan lebih tinggi dari kayu bakar dan gambut kering. Faktanya, batubara coklat adalah bahan bakar dengan nilai kalor yang jauh lebih rendah karena kadar air yang signifikan, dan seringkali kadar abu yang tinggi. Saat ini, batubara coklat adalah salah satu bahan bakar yang paling umum digunakan. Depositonya di negara kita sangat besar.

Adapun bahan bakar berharga seperti minyak dan gas alam, mereka hampir tidak pernah digunakan. Seperti yang telah disebutkan, di negara kita penggunaan cadangan bahan bakar dilakukan dengan mempertimbangkan kepentingan semua industri, terencana dan ekonomis. Tidak seperti negara-negara Barat, di Rusia, pembangkit listrik terutama membakar bahan bakar kelas rendah yang tidak terlalu cocok untuk keperluan lain. Pada saat yang sama, pembangkit listrik, sebagai suatu peraturan, dibangun di area ekstraksi bahan bakar, yang tidak termasuk transportasi jarak jauhnya. Insinyur listrik Soviet harus bekerja keras untuk membangun perangkat semacam itu untuk membakar bahan bakar - tungku yang memungkinkan penggunaan bahan bakar basah bermutu rendah.