Биогенная трансформация серы и железа

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное  учреждение

среднего  профессионального образования

«Чашинский  государственный аграрно-технологический  колледж» 
 
 
 

Специальность: 080110 «экономика и бухгалтерский  учёт (по отраслям)»

Дисциплина: «Химия» 
 
 
 
 
 
 
 

Учебно-исследовательская  работа

Биогенная трансформация серы и железа 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                      Исполнитель:

                                                      обучающаяся 104 группы

                                                      Попова Виктория

                                                      Руководитель:

                                                      преподаватель

                                                      Кокорина В. И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Чаши 2009 г.

Содержание 

Введение 

1. Актуальность  темы. Сера.

 

      1.1. Физические и химические свойства  серы. 

2. Историческая  справка, нахождение в природе.

 

3. Получение, применение, биологическая роль.

 

4. Трансформация серы.

 

5. Учебно-исследовательский  эксперимент:

 

            Качественная реакция  на сульфат-ион. 

            Микробиологическое  исследование накопительной культуры серобактерий. 

2. Железо.

 

      2.1. Физические свойства железа. 

      2.2. Трансформация железа. 

3. Учебно-исследовательский  эксперимент.

 

Заключение. Обсуждение экологических проблем. 

Используемая  литература. 

Приложение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Актуальность  темы:

      В новое тысячелетие человечество вступило в условиях экологического кризиса. На  нашей планете Земля  протекает круговорот веществ. Основу биологического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле, составляют энергия Солнца и хлорофилл зелёных растений. Все остальные круговороты связаны с биологическим и способствуют ему.

      В биосфере всё время совершаются  круговорот воды и всех элементов, входящих в состав живых организмов. Процесс этот длится десятки миллионов лет.

      «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем  живые организмы, взятые в целом». (Вернадский)

      В круговороте веществ планеты  Земля живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную  и биохимическую.

      Газовая функция осуществляется зелёными растениями, которые в процессе фотосинтеза выделяют кислород, а также растениями и животными, которые при дыхании выделяют углекислый газ, многими бактериями, восстанавливающими азот, сероводород и др.

      Концентрационная  функция проявляется в захвате  живым веществом химических элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, марганца, алюминия, фосфора, кремния, калия, кальция, серы, железа) и накоплении отдельными видами йода, радия и др.

Окислительно-восстановительная  функция проявляется в окислении  веществ с помощью организмов в почвах и гидросфере с образованием солей, оксидов и др., в восстановлении веществ (сероводород, серное железо и др.). В результате деятельности бактерий в земной коре образовались отложения известняков, бокситов, руды и др.

      Биохимическая функция связана: а) с питанием, дыханием и размножением и б) с разрушением и гниением отмерших организмов. В се эти функции проявляются в биогенной миграции атомов.

      Особое  место занимает функция человеческой деятельности и созданный ею круговорот выделяемых и поглощаемых промышленностью химических элементов.

      Мы  в своей работе остановились на биогенной  трансформации серы и железа. 

Цель  исследования:

Практически выполнить лабораторные опыты, доказывающее роль микроорганизмов в химических превращениях как составной части круговорота веществ в природе.  

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме.
2. Изучить качественные реакции на исследуемые соединения.
3. Осуществить опытно-экспериментальную работу по трансформации серы и железа.
4. Обсудить экологические проблемы.

 

Объект  исследования:

Соединения  серы и железа, автотрофные микроорганизмы. 

Предмет исследования:

Настой  сенной палочки (серобактерии), гетеротрофные  микроорганизмы (железобактерии). 

Гипотеза:

Бактериальные организмы, участвующие в трансформации серы и железа,  способствуют образованию отложений известняков, бокситов, руды и др., но они оказывают отрицательное многоплановое влияние на окружающую среду, т. е. могут приносить как пользу, так и вред. 

Методы  исследования:

1. Изучение теоретических источников по теме исследования (учебники, учебные пособия, методические журналы по химии, биологии, научно-популярная литература, интернет).
2. Проведение опытно-экспериментальных работ.
3. Обобщение результатов исследования.

 

Сроки эксперимента:

Октябрь-ноябрь-декабрь 2009 год. 

Участники эксперимента:

Обучающаяся 104 группы Попова Виктория.

Руководитель  работы преподаватель ЧГАТК Кокорина В. И. 

База  эксперимента:

Чашинский колледж, кабинет химии, биологии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Сера

    Сера (лат. Sulfur), S, химический элемент с атомным номером 16, атомная масса 32,066. Химический символ серы S произносится «эс». Природная сера состоит из четырех стабильных нуклидов: ³²S (содержание 95,084% по массе), ³³S (0,74 %), ³⁴S (4,16%) и ³⁶S (0,016 %). Радиус атома серы 0,104 нм. Радиусы ионов: иона S^2– 0,170 нм (координационное число 6), иона S⁴⁺ 0,051 нм (координационное число 6) и иона S⁶⁺ 0,026 нм (координационное число 4). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома серы от S⁰ до S⁶⁺ равны, соответственно, 10,36, 23,35, 34,8, 47,3, 72,5 и 88,0 эВ. Сера расположена в VIA группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3-м периоде, и принадлежит к числу халькогенов. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s²3p⁴. Наиболее характерны степени окисления в соединениях –2, +4, +6 (валентности соответственно II, IV и VI). Значение электроотрицательности серы по Полингу 2,6. Сера относится к числу неметаллов.

      В свободном виде сера представляет собой  желтые хрупкие кристаллы или  желтый порошок.

      В природе постепенно происходит круговорот серы, подобный круговороту азота и углерода. Растения потребляют серу — ведь её атомы входят в состав белка. Растения берут серу из растворимых сульфатов, а гнилостные бактерии превращают серу белков в сероводород (отсюда — отвратительный запах гниения).

    Но  есть так называемые серобактерии, которым вообще не нужна органическая пища. Они питаются сероводородом, и  в их организмах в результате реакции  между H₂S, CO₂ и O₂ образуются углеводы и элементарная сера. Серобактерии нередко оказываются переполнены крупинками серы — почти всю их массу составляет сера с очень небольшой "добавкой" органических веществ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1. Физические и химические свойства серы

    Атомы серы обладают уникальной способностью образовывать устойчивые гомоцепи, т. е. цепи, состоящие только из атомов S (энергия связи S–S составляет около 260 кДж/моль). Гомоцепи серы имеют зигзагообразную форму, так как в их образовании принимают участие электроны, расположенные в соседних атомах на взаимно перпендикулярных р-орбиталях. Эти цепи могут достигать большой длины, или, наоборот, образовывать замкнутые кольца S₂₀, S₈, S₆, S₄.

Поэтому сера образует несколько десятков как  кристаллических, так и аморфных модификаций, отличающихся как составом молекул и полимерных цепей, так и способом их упаковки в твердом состоянии.

При нормальном давлении и температурах до 98,38°C стабильна a-модификация серы (иначе эту модификацию называют ромбической), образующая лимонно-желтые кристаллы. Ее кристаллическая решетка орторомбическая, параметры элементарной ячейки a = 1,04646, b = 1,28660, c = 2,4486 нм. Плотность 2,07 кг/дм³. Выше 95,39°C стабильна b-модификация серы (так называемая моноклинная сера). При комнатной температуре параметры элементарной ячейки моноклинной b-S a = 1.090, b = 1.096, c = 1,102 нм, t = 83,27°. Плотность b-S 1,96 кг/дм³.

В структурах как a-, так и b-модификаций серы имеются неплоские восьмичленные циклические молекулы S₈. Такие молекулы немного похожи на короны.

Две эти  модификации серы отличаются взаимной ориентацией молекул S₈ в кристаллической решетке.

Еще одну модификацию серы — так называемую ромбоэдрическую серу — можно  получить выливанием раствора тиосульфата  натрия Na₂S₂O₃ в концентрированную соляную кислоту при 0°C с последующей экстракцией серы толуолом. После испарения растворителя возникают ромбоэдрические кристаллы, содержащие молекулы S₆ в форме кресла.

Аморфную  серу (плотность 1,92 г/см³) и резиноподобную пластическую серу получают при резком охлаждении расплавленной серы (выливая расплав в холодную воду). Эти модификации состоят из нерегулярных зигзагообразных цепей S_n. При длительном выдерживании при температурах 20-95°C все модификации серы превращаются в a-серу.

Температура плавления ромбической a-серы 112,8°С, а моноклинной b-серы 119,3°С. И в том, и в другом случае образуется легкоподвижная желтая жидкость, которая при температуре около 160°С темнеет; ее вязкость повышается, и при температуре выше 200°С расплавленная сера становится темно-коричневой и вязкой, как смола. Это объясняется тем, что сначала в расплаве разрушаются кольцевые молекулы S₈. Возникающие фрагменты объединяются друг с другом с образованием длинных цепей S из нескольких сотен тысяч атомов. Дальнейшее нагревание расплавленной серы (выше температуры 250°C) ведет к частичному разрыву цепей, и жидкость снова становится более подвижной. Около 190°C ее вязкость примерно в 9000 раз больше, чем при 160°C.