Как составить уравнение реакции процесса дыхания

Химия дыхания

Разделы: Химия

Цели:

• раскрыть сущность физико-химического процесса дыхания живых организмов, показать взаимосвязь дыхательной и кровеносной системы организма человека;
• продолжить развитие навыков логического мышления;
• способствовать формированию навыков экологического мышления, навыков здорового образа жизни.

Методы: словесный, демонстрационный, использование компьютерных технологий, исследовательский, проблемный метод.

Формы: интегрированный урок – 2 часа.

Методические приемы: поисковая беседа, тестирование, решение задачи, демонстрация слайдов, рисунков, эксперимент.

Оборудование: компьютер, экран, таблица «Система органов дыхания человека», диск А Лекция Жданова В.Г. «О вреде алкоголя и курения», хвоя сосны, фильтры с результатами исследования загрязнения воздуха.

I. Организационный момент

II.Актуализация знаний

Учитель. Дыхание – важнейший физико – химический процесс для большинства живых организмов, обитающих на поверхности Земли, поскольку она наиболее интенсивно связывает организмы с окружающей средой. Главные механизмы дыхания растений и животных были выявлены наукой к началу XX века. Основной функцией дыхания считалось доставка кислорода к тканям, где происходит окисление биотоплива и последующее удаление образовавшихся углекислого газа и воды. Главным реактором, осуществляющим газообмен организма с атмосферой, для высших животных оказались легкие, образование множеством легочных пузырьков – альвеол.

1. Каков же путь воздуха из атмосферы до альвеол?

Ответ ученика с демонстрацией слайда «Дыхательная система человека». (Приложение 1)

– Мы вспомнили о легочном дыхании, когда осуществляется газообмен между воздухом и кровью.

2. Какие виды дыхания еще нам известны?

Ответ ученика: тканевое – когда осуществляется газообмен между кровью и клетками ткани.

3. Для некоторых организмов характерен еще один тип дыхания. Какой?

Возможный ответ из класса: кожное – это дыхание через поверхность тела, заслушивается сообщение учащегося о кожном дыхании, «золотом мальчике». (Приложение 2)

– Итак, мы вспомнили виды дыхания и вспомнили путь атмосферного воздуха до альвеол и обратно.

Информация на слайде

• Внешнее дыхание: поступление кислорода из среды в организм, осуществляемое с помощью специальных органов (легкие, жабры, трахеи и т.д.) или напрямую через поверхность тела.
• Транспорт кислорода: перенос его от органов дыхания ко всем организмам, тканям и клеткам — эта функция обеспечивается кровеносной системой при участии специальных белков – переносчиков кислорода (гемоглобин, миоглобин, гемоцианин и др.)
• Клеточное дыхание и выброс его продуктов: диффузия кислорода в каждую клетку через ее оболочку, использование поступившего кислорода на окисление биотоплива, выход из клеток образовавшихся CO₂ и H₂O, их перенос в легкие и выброс при выдохе.

– Итак, вернемся к тому, что живые организмы вдыхают воздух – смесь газов: 21% O₂, 78% N₂, 0,03% CO₂, водяные пары, другие компоненты. Газообмен возможен благодаря физическим и химическим свойствам O₂ и CO₂.

5. Каковы же они? (Выполняется альтернативный тест по двум вариантам)

1. Хорошо растворим в воде
2. Намного тяжелее воздуха
3. Плохо растворим в воде
4. Участвует в фотосинтезе
5. Является жидкостью
6. Бесцветный
7. Немного тяжелее воздуха
8. Является окислителем в обмене веществ
9. Поддерживает горение и дыхание
10. Вызывает помутнение известковой воды
11. Используется при тушении пожаров
12. Молекула электронейтральна
13. Газ переходит их области большего давления в область меньшего давления

Ответы:

• O₂ – 3, 4, 6, 7, 8, 9, 12, 13
• CO₂ – 2, 3, 4, 6, 10, 11, 12, 13

III. Изучение новой темы

6. Какова же роль хотя бы некоторых химических и физических свойств этих газов на указанных стадиях дыхания?

Проанализируем I стадию дыхания:

– Воздух – в альвеолах, их стенки выстланы молекулами воды, которые, как вам известно, полярны, а молекулы O₂ – электронейтральны.
К альвеолам подходят капилляры, в которых протекает кровь. Кислород не задерживается в альвеолах, а быстро за 0,01 сек. диффундирует в капилляры. Почему?

Ответ учащихся: O₂ плохо растворим в воде.

– Далее кислород попадает большей частью в эритроциты. Почему?

Ответ учителя: этому способствует почти мгновенное соединение с гемоглобином

1 моль Hb + 4 моль O₂

– А сейчас проанализируем III стадию – клеточное дыхание:

O₂, поступает в клетку из капилляра
О₂ эритроцит CO₂, выходит из клетки в капилляр

– Почему это возможно?

– В капилляре > O₂, в клетке мало. В каком направлении пойдет диффузия O₂?

Ответ учащихся: в направлении клетки. В клетке > CO₂ (вследствие обмена веществ), а в крови давления в область H₂CO₃); значит, по крови к легким идет H₂CO₃и в альвеолах идет обратный процесс (тот же учащийся составляет уравнениеH₂CO₃ ––> H₂O+ CO₂).

– Таким образом, при выдохе в атмосферу выходят эти продукты обмена.

– Какое же свойство CO₂ здесь прослеживается?

Ответ учащихся: взаимодействие углекислого газа с водой – явление обратимое.

– Какова же роль кислорода в клетке?

(Приглашается к доске учащийся для совместной работы с учителем)

– В клетке всегда должно быть биотопливо – глюкоза C₆H₁₂O₆, она взаимодействует с O₂, образует CO₂ и H₂O (учащийся пишет уравнение)

– Роль кислорода – освобождать эту энергию, необходимую для осуществления всех функций организма.

– Как называется эта реакция? Какое химическое свойство O₂ здесь прослеживается?

Ответ учащихся: это реакция окисления, а O₂ – окислитель.

– Итак, газообмен при дыхании основан на физических и химических свойствах кислорода и углекислого газа.

– II стадия зависит в основном от чистоты кровеносных сосудов, а значит от образа жизни индивида.

(Учащимся предлагается фрагмент из лекции профессора Сибирского Гуманитарно-экологического института, президента международной ассоциации психоаналитиков Жданова В.Г. «О вреде курения»)

– Если вспомнить итоги анкетирования в нашем классе в начале года о вредных привычках, то наверное, некоторым из вас стоит призадуматься.

(Результаты анкетирования заставляют насторожиться, они обсуждены с учащимися и на родительских собраниях.)

– Но состояние нашего здоровья зависит еще и от экологической обстановки. Наш поселок расположен в лесной зоне, на берегу Бирюсы, никаких химических перерабатывающих предприятий нет. Правда, в 12 км от нас идет добыча угля, который транспортируется и в наши учреждения, и на предприятия города Тайшета.

– Что же можно сказать об экологической ситуации поселка в плане чистоты атмосферы? Об этом говорят результаты небольших исследований (Приложение 5)

(2 группы ребят дают отчет по своим домашним экспериментальным заданиям) «Химия в школе» № 2,08 с 70, 71.

– Какие предложения вы можете сделать по сохранению атмосферы нашего поселка? (Учащиеся предлагают, например : озеленение территории, ограничение проезда грузового транспорта по улицам поселка и т.д.)

Выводы: залогом чистоты атмосферного воздуха является сохранение зеленого наряда, который за счет фотосинтеза регулирует газовый баланс планеты: обеспечивает выделение O2 и поглощение CO₂

IV. Закрепление

Задача.

Котельная при нашей школе в среднем сжигает 2т угля в сутки. Состав угля: 84% углерода, 5% самородной меди, 3,5% серы, 5% воды, 2,5% негорючих веществ. Какова площадь леса, необходимого для восполнения потери O₂, расходуемого на сжигание, если 1 га в сутки даст 10 кг O₂?

Работают 3 группы учащихся.

– Приглашается один учащийся для записи данных задачи.
– выясняем, какие компоненты повлекут при сгорании затраты O2.
– учащиеся каждого ряда выполняют самостоятельно расчеты по потреблению O2 при сгорании: I ряд – углерода, II ряд – серы, III ряд – меди;
– найденные затраты суммируются
– выполняются расчеты по нахождению площади леса.

2. По уравнениям реакций горения находим массы затраченного кислорода:

– В заключение урока, еще раз возвращаясь к теме, сделаем выводы о том, что для нормальной жизнедеятельности организма необходим обмен веществ на оптимальном уровне, а это возможно при нормально протекающем газообмене между организмом и средой. Газовый баланс атмосферы поддерживается только благодаря зеленому наряду планеты и потому вечными будут заповеди человека:

1. Построить дом
2. Посадить дерево
3. Вырастить сына

Домашнее задание: § 26-28 стр.132-146

Примечание редакции: из-за размеров, превышающих допустимые Приложение 4 не прилагается.

Анализ общего уравнения дыхания

Дыхание

Определение. Виды дыхания

Для осуществления всех реакций в живых организмах требуется постоянный приток энергии. Основным источником энергии в живой клетке является дыхание.

Дыхание — это окислительно-восстановительный процесс расщепления (диссимиляции) органических веществ (углеводов, липидов) с выделением энергии. При окислении высвобождается та энергия, которую аккумулировали зеленые растения в процессе фотосинтеза.

Общее уравнение дыхания:

Это уравнение аэробного дыхания. Наряду с этим существуют организмы более древние в эволюционном отношении, у которых процесс окисления органических веществ идет в анаэробных условиях. Этот тип окисления впервые был изучен у микроорганизмов и получил название «брожение».

Различают три основные типа брожения:

Лежит в основе производства вина, пива, хлеба

Играет большую роль при изготовлении молочнокислых продуктов, кваса, хлебных заквасок, квашении овощей, получении молочной кислоты.

Вследствие неприятного вкуса и запаха масляной кислоты не находит применения, но оно вызывает порчу пищевых продуктов: картофеля, овощей, вспучивание сыра, прогоркание масла.

Кроме этих основных видов брожения в природе существуют пропионовокислое, уксуснокислое, ацетоновое и другие виды.

Для растений, животных и человека характерен аэробный распад углеводов.

Участие органических веществ в процессе дыхания

В процессе дыхания окислению могут подвергаться не только углеводы, но и жиры, белки и органические кислоты. Определить ориентировочно участие определенного субстрата в дыхании можно, оценивая величину дыхательного коэффициента (ДК), т. е. отношение количества выделившегося диоксида углерода к количеству поглощенного кислорода, согласно общему уравнению дыхания:

При расходовании в процессе дыхания углеводов ДК будет равен 1. Как следует из уравнения,

Однако на окисление в ходе дыхания используются и другие субстраты. Например, при прорастании семян масличных растений на дыхание используются запасные липиды — триацилглицеролы. При окислении триацилгли-церола ДК определяется из следующего уравнения дыхания:

ДК 1, а при анаэробном дыхании ДК равен бесконечности:

Анализ общего уравнения дыхания

Процесс дыхания лежит в основе хранения любого растительного сырья. Анализ общего уравнения показывает, что при дыхании происходят следующие явления:

3.1 Потеря сухой массы вещества. В результате расходования органического вещества на дыхание всегда происходит уменьшение сухой массы хранящегося растительного сырья.

3.2 Изменение газового состава атмосферы, окружающей массу хранящегося сырья, вследствие уменьшения массовой доли кислорода и возрастания диоксида углерода. Количество последнего может увеличиться в сотни раз, благодаря чему аэробное окисление переходит в анаэробное, главным образом в спиртовое брожение с образованием в клетке этилового спирта.

3.3 Выделение воды в виде водяных паров при дыхании. Это приводит к повышению влажности сырья и увеличению интенсивности его дыхания.

3.4 Выделение большого количества энергии в виде теплоты. Вследствие плохой теплопроводности растительной массы теплота накапливается внутри слоя хранящегося сырья.

Под влиянием выделения паров воды, накопления теплоты и роста температуры внутри массы хранящегося сырья начинается процесс самосогревания. Температура может достигать значительных величин, вызывая необратимую порчу сырья. Основными технологическими приемами, предупреждающими самосогревание, в частности зерновых масс, являются сушка, активное вентилирование, охлаждение, а для некоторых видов сырья — химическое консервирование.

Интенсивность дыхания

Количественная характеристика дыхания определяется его интенсивностью. Последняя может быть оценена в соответствии с общим уравнением дыхания следующими показателями: величиной потери массы веществ, окисляемых в ходе дыхания; количеством теплоты, выделяемой при дыхании; количеством поглощенного кислорода и выделенного диоксида углерода.

Клеточное дыхание – определение, уравнение и этапы

Определение клеточного дыхания

Клеточное дыхание – это процесс, посредством которого клетки превращают сахара в энергию. Чтобы создать АТФ и другие виды энергии для клеточных реакций, клеткам требуется топливо и акцептор электронов, который превращает химический процесс превращения энергии в полезную форму.

Обзор клеточного дыхания

эукариоты включая все многоклеточный организмы и некоторые одноклеточные организмы, использование аэробного дыхания производить энергию. Аэробного дыхания использует кислород – самый мощный акцептор электронов, доступный в природе.

Аэробного дыхания Этот чрезвычайно эффективный процесс позволяет эукариотам иметь сложные жизненные функции и активный образ жизни. Однако это также означает, что им требуется постоянный запас кислорода, иначе они не смогут получить энергию, чтобы остаться в живых.

Прокариотические организмы, такие как бактерии а также архебактерии можешь использовать другие формы дыхания, которые несколько менее эффективны. Это позволяет им жить в среде, где эукариотические организмы не могут, потому что они не требуют кислорода.

Примеры различных путей расщепления сахара организмами приведены ниже:

Более подробные статьи по аэробному дыханию и анаэробное дыхание можно найти на этом сайте. Здесь мы дадим обзор различных типов клеточного дыхания.

Уравнение клеточного дыхания

Уравнение аэробного дыхания

Уравнение аэробного дыхания показывает, что глюкоза соединяется с кислородом и АДФ с образованием углекислого газа, воды и АТФ:

C6H12O6 (глюкоза) + 6O2 + 36 АДФ (обедненная АТФ) + 36 Pi (фосфатные группы) → 6CO2 + 6H2O + 36 АТФ

Вы можете видеть, что, как только он полностью разрушен, молекулы углерода глюкозы выдыхаются как шесть молекул углекислого газа.

Уравнение брожения молочной кислоты

В молочной кислоте ферментация, один молекула глюкозы расщепляется на две молекулы молочной кислоты. Химическая энергия, которая хранилась в разорванных глюкозных связях, перемещается в связи между ADP и фосфатная группа.

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ (обедненная АТФ) + 2 Pi (фосфатные группы) → 2 CH3CHOHCOOH (молочная кислота) + 2 АТФ

Уравнение алкогольного брожения

Алкогольная ферментация похожа на ферментацию молочной кислоты тем, что кислород не является конечным акцептором электронов. Здесь вместо кислорода клетка использует преобразованную форму пируват принять последние электроны. Это создает этиловый спирт, который содержится в алкогольных напитках. Пивовары и дистилляторы используют дрожжевые клетки для создания этого спирта, который очень хорош в этой форме брожения.

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ (обедненный АТФ) + 2 Pi (фосфатные группы) → 2 C2H5OH (этиловый спирт) + 2 СО2 + 2 АТФ

Клеточные шаги дыхания

Шаг 1

гликолиз это единственный шаг, который разделяют все виды дыхания. При гликолизе молекула сахара, такая как глюкоза, расщепляется пополам, образуя две молекулы АТФ.

Уравнение для гликолиза имеет вид:

C6H12O6 (глюкоза) + 2 NAD + + 2 АДФ + 2 Pi → 2 CH3COCOO- + 2 NADH + 2 АТФ + 2 H2O + 2H +

Название «гликолиз» происходит от греческого «глико» для «сахара» и «лизис» для «расщепления». Это может помочь вам вспомнить, что гликолиз это процесс расщепления сахара.

В большинстве путей гликолиз начинается с глюкозы, которая затем расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. Эти две молекулы пировиноградной кислоты затем подвергаются дальнейшей обработке с образованием различных конечных продуктов, таких как этиловый спирт или молочная кислота.

Шаг 2

Сокращение – следующая часть процесса. В химическом смысле «уменьшить» молекулу означает добавить к ней электроны.

В случае ферментации молочной кислоты NADH отдает электрон пировиноградной кислоте, что приводит к конечным продуктам молочной кислоты и NAD +. Это полезно для клетки, потому что NAD + необходим для гликолиза. В случае спиртового брожения пировиноградная кислота подвергается дополнительной стадии, на которой она теряет атом углерода в форме CO2. Полученная промежуточная молекула, называемая ацетальдегидом, затем восстанавливается с образованием НАД + плюс этиловый спирт.

Шаг 3

Продукты клеточного дыхания

Основным продуктом любого клеточного дыхания является молекула аденозинтрифосфат (АТФ), Эта молекула хранит энергию, выделяемую во время дыхания, и позволяет клетке передавать эту энергию различным частям клетки. АТФ используется рядом клеточных компонентов в качестве источника энергии. Например, ферменту может потребоваться энергия от АТФ для объединения двух молекул. АТФ также обычно используется на транспортерах, которые являются белками, которые функционируют, чтобы перемещать молекулы через клеточная мембрана.

Углекислый газ

Углекислый газ – универсальный продукт, созданный клеточным дыханием. Как правило, углекислый газ считается отходом и должен быть удален. В водной решение диоксид углерода создает кислые ионы. Это может резко снизить рН клетки и в конечном итоге приведет к прекращению нормальных клеточных функций. Чтобы избежать этого, клетки должны активно вытеснять углекислый газ.

Другие продукты

В то время как АТФ и углекислый газ регулярно вырабатываются всеми формами клеточного дыхания, различные типы дыхания полагаются на разные молекулы, чтобы быть конечными акцепторами электронов, используемых в процессе.

Цель клеточного дыхания

Все клетки должны иметь возможность получать и транспортировать энергию для обеспечения жизненных функций. Чтобы клетки продолжали жить, они должны иметь возможность управлять основными механизмами, такими как насосы в клеточных мембранах, которые поддерживают внутреннюю среду клетки таким образом, чтобы она подходила для жизни.

Наиболее распространенной «энергетической валютой» клеток является АТФ – молекула, которая накапливает много энергии в своих фосфатных связях. Эти связи могут быть разорваны, чтобы высвободить эту энергию и вызвать изменения в других молекулах, таких как те, которые необходимы для питания клеточных мембранных насосов.

Поскольку АТФ нестабилен в течение длительных периодов времени, он не используется для длительного хранения энергии. Вместо этого сахара и жиры используются в качестве долгосрочной формы хранения, и клетки должны постоянно обрабатывать эти молекулы, чтобы произвести новый АТФ. Это процесс дыхания.

Процесс аэробного дыхания вырабатывает огромное количество АТФ из каждой молекулы сахара. На самом деле, каждая молекула сахара переваривается растение или клетка животного дает 36 молекул АТФ! Для сравнения, ферментация обычно производит только 2-4 молекулы АТФ.

Анаэробное дыхание процессы, используемые бактериями и архебактериями, дают меньшее количество АТФ, но они могут происходить без кислорода. Ниже мы обсудим, как различные типы клеточного дыхания производят АТФ.

Типы клеточного дыхания

Аэробного дыхания

Эукариотические организмы выполняют клеточное дыхание в своих митохондрии – органеллы, которые предназначены для расщепления сахара и очень эффективного производства АТФ. Митохондрии часто называют «электростанцией клетки», потому что они способны вырабатывать так много АТФ!

Аэробное дыхание настолько эффективно, потому что кислород – самый мощный акцептор электронов, найденный в природе. Кислород «любит» электроны – и его любовь к электронам «вытягивает» их через цепь переноса электронов в митохондриях.

Специализированный анатомия митохондрий, которые объединяют все необходимые реагенты для клеточного дыхания в небольшом мембранном пространстве внутри клетки, также способствует высокой эффективности аэробного дыхания.

В отсутствие кислорода большинство эукариотических клеток могут также выполнять различные виды анаэробного дыхания, такие как ферментация молочной кислоты. Однако эти процессы не дают достаточного количества АТФ для поддержания жизнедеятельности клетки, и без кислорода клетки в конечном итоге погибают или перестают функционировать.

Ферментация

Ферментация – это название, данное многим различным типам анаэробного дыхания, которые выполняются различными вид бактерий и архебактерий, а также некоторыми эукариотическими клетками в отсутствие кислорода.

Эти процессы могут использовать различные акцепторы электронов и производить различные побочные продукты. Несколько видов брожения:

• Алкогольная ферментация – Этот тип ферментации, осуществляемый дрожжевыми клетками и некоторыми другими клетками, метаболизирует сахар и производит алкоголь и углекислый газ в качестве побочных продуктов. Вот почему пиво шипучее: во время брожения его дрожжи выделяют как углекислый газ, который образует пузырьки, так и этиловый спирт.
• Брожение молочной кислоты – Этот тип брожения осуществляется человеком мускул клетки в отсутствие кислорода, а некоторые бактерии. Ферментация молочной кислоты фактически используется людьми, чтобы сделать йогурт. Для приготовления йогурта в молоке выращиваются безвредные бактерии. Молочная кислота, вырабатываемая этими бактериями, придает йогурту характерный острый кислый вкус, а также реагирует с молочными белками, образуя густую кремообразную текстуру.
• Пропионовая кислота – Этот тип ферментации выполняется некоторыми бактериями и используется для приготовления швейцарского сыра. Пропионовая кислота отвечает за характерный острый ореховый вкус швейцарского сыра. Пузырьки газа, созданные этими бактериями, ответственны за отверстия, найденные в сыре.
• Acetogenesis – Ацетогенез – это вид ферментации, осуществляемый бактериями, который производит уксусная кислота как его побочный продукт. Уксусная кислота является отличительным ингредиентом в уксусе, который придает ему острый, кислый вкус и запах. Интересно, что бактерии, которые производят уксусную кислоту, используют этиловый спирт в качестве топлива. Это означает, что для производства уксуса сахаросодержащий раствор должен сначала ферментироваться дрожжами для производства спирта, а затем снова ферментироваться бактериями, которые превращают спирт в уксусную кислоту!

Метаногенез

Метаногенез является уникальным типом анаэробного дыхания, которое может быть выполнено только архебактериями. В метаногенезе углевод-источник топлива расщепляется с образованием углекислого газа и метана.

Метаногенез осуществляется некоторыми симбиотическими бактериями в пищеварительном тракте людей, коров и некоторых других животных. Некоторые из этих бактерий способны переваривать целлюлозу, сахар, содержащийся в растениях, который невозможно разрушить при помощи клеточного дыхания. Симбиотические бактерии позволяют коровам и другим животным получать энергию из этих неперевариваемых сахаров!