Доклад органические вещества: Реферат по химии на тему «Органические вещества и соединения»

Реферат по химии на тему «Органические вещества и соединения»

Реферат

На тему:

Органические вещества и соединения

Выполнил:

Ученик 9-а класса

Симоненко Никита

Санкт-Петербург 2018 г.

Содержание

  1. Предмет органической химии

  2. Предельные углеводороды

  3. Непредельные углеводороды. Этилен

  4. Спирты

  5. Предельные одноосновные карбоновые кислоты. Сложные эфиры

  6. Жиры

  7. Аминокислоты и белки

  8. Углеводы

  9. Полимеры

Цель: узнать все про органические вещества и соединения.

Введение

Введениееские вещества и соединения — класс соединений, в состав которых входит углерод.

Органические вещества получают исключительно из продуктов жизнедеятельности их растительных и животных организмов или в результате их переработки. Отсюда и название. А раздел химии, изучающий эти вещества, стали называть «органической химией». Несмотря на большое многообразие все органические соединения имеют в своем составе атомы.

Органическая химия – химия соединений углерода.

Основная часть реферата:

  1. Органичнская химия — раздел химии, изучающий соединения углерода, их структуру, свойства и методы синтеза.

Органические вещества – класс соединений, в состав которых входит углерод.

  1. Предельные углеводороды – это углеводороды, в молекулах которых имеются только простые связи. Алканы и циклоалканы.

Алканы – предельные углеводороды, состав которых выражается общей формулой Cnh3n+2.

Алканы малоактивны в обычных условиях, не реагируют с растворами кислот и щелочей.

  1. Этилен – органическое химическое соединение, описываемые формулой c2h5. Является простейшим плеером. Этилен бесцветен, он индуцирует процессы созревания и старения, а также защитные реакции в условиях стресса.

  2. Спирты – органическое соединение, содержащее одну или более гидроксильных групп, связанным с насыщенным атомом углерода. Спирты представляют собой обширный и разнообразный класс соединений: они весьма распространены в природе и часто выполняют важные функции в живых организмах.

  3. Сложные эфиры – производные оксокислот являющиеся продуктами замещения атома водородав гидроксилах.

  4. Жиры являются природными органическими соединениями, полными сложными эфирами глицерина и жирных кислот с одним основанием. Они относятся к группе липидов. Эти соединения выполняют ряд важных функций организма и являются незаменимым компонентом в рационе человека.

  5. Аминокислоты – органические бифункциональные соединения, в состав которых входят карбоксильная группа –СООН и аминогруппа – NH

    2.

Аминокислоты получают путем замещения галогена на аминогруппу в галогензамещенных карбоновых кислотах.

Белки — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа- аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.

Белки различаются по степени растворимости в воде. Водорастворимые белки называются альбуминами, к ним относятся белки крови и молока. К нерастворимым, или склеропротеинам, относятся, например, кератин и фиброин, который входит в состав шёлка и паутины. Растворимость белка определяется не только его структурой, но внешними факторами, такими как природа растворителя, ионная сила и pH раствора.

  1. Углеводы — органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Название класса соединений происходит от слов гидраты углерода.

Углеводы являются неотъемлемым компонентом клеток и тканей всех живых организмов представителей растительного и животного мира. Углеводы — весьма обширный класс органических соединений, среди них встречаются вещества с сильно различающимися свойствами. Это позволяет углеводам выполнять разнообразные функции в живых организмах

  1. Полимеры-это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере должно быть достаточно велико.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов

Вывод

Все типы органических веществ указаны

Библиография:

Химия, 9 класс : учебник для общеобразовательных учреждений / О. С. Габриелян. – 12 издание, стереотип. – М.: Дрофа ,2007. – 267,[5] с. : ил.

ISBN 978-5-358-02914-9

Содержание

Реферат по химии на тему «Органическая химия»

Государственное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

Школа БИОТОП Лаборатории непрерывного математического образования

Реферат по химии

Тема: «Органическая химия»

Выполнил ученик:

10 «А» класса

(Чирков В. В.)

Учитель химии:

(Воронаев И. Г.)

Оценка:

Санкт-Петербург

2018

Оглавление

  1. Введение…………………………………………………………………….3

  2. История……………………………………………………………………………4-5

  3. Классификация органических соединений……………………………6-10

  4. Номенклатура……………………………………………………………..11

  5. Литература…………………………………………………………………12

Введение

Органическая химия — раздел химии, изучающий соединения углерода, их структуру, свойства, методы синтеза. Органическими называют соединения углерода с другими элементами. Наибольшее количество соединений углерод образует с так называемыми элементами-органогенами: H, N, O, S, P. Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы различного состава и строения обусловливает многообразие органических соединений (к концу XX века их число превысило 10 млн). Органические соединения играют ключевую роль в существовании живых организмов.

Предмет органической химии включает следующие цели, экспериментальные методы и теоретические представления:

  • Выделение индивидуальных веществ из растительного, животного или ископаемого сырья

  • Синтез и очистка соединений

  • Определение структуры веществ

  • Изучение механизмов химических реакций

  • Выявление зависимостей между структурой органических веществ и их свойствами

История

Способы получения различных органических веществ были известны ещё с древности. Египтяне и римляне использовали красители индиго и ализарин, содержащиеся в растительных веществах. Многие народы знали секреты производства спиртных напитков и уксуса из сахар- и крахмалсодержащего сырья.

Во времена средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в XVI-XVII в: были получены некоторые вещества, в основном путём перегонки определённых растительных продуктов. В 1769—1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину.

Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений. Так возник термин «Органическая химия» — раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе».

Как принято считать, органическая химия как наука появилась в 1828 году когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — мочевину — в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH4OCN).

Важным этапом стала разработка теории валентности Купером и Кекуле в 1857 г., а также теории химического строения Бутлеровым в 1861 г. В основу этих теорий были положены четырёхвалентность углерода и его способность к образованию цепей. В 1865 году Кекуле предложил структурную формулу бензола, что стало одним из важнейших открытий в органической химии. В 1875 г. Вант-Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель атома углерода, по которой валентности углерода направлены к вершинам тетраэдра, если атом углерода поместить в центр этого тетраэдра. В 1917 году Льюис предложил рассматривать химическую связь с помощью электронных пар.

В 1931 г. Хюккель применил квантовую теорию для объяснения свойств альтернантных ароматических углеродов, чем основал новое направление в органической химии — квантовую химию. В 1933 г. Ингольд провёл изучение кинетики реакции замещения у насыщенного атома углерода, что привело к масштабному изучению кинетики большинства типов органических реакций.

Историю органической химии принято излагать в связи с открытиями сделанными в области строения органических соединений, однако такое изложение больше связано с историей химии вообще. Гораздо интереснее рассматривать историю органической химии с позиции материальной базы, т. е. собственно предмета изучения органической химии.

На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения. Именно этому факту органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и со временем основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола, выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля. Именно на основе переработки каменноугольной смолы в конце XIX века возник основной органический синтез. В 50-60 годах прошлого века произошёл переход основного органического синтеза на новую базу — нефть. Таким образом появилась новая область химии — нефтехимия. Огромный потенциал, который был заложен в новом сырье вызвал бум в органической химии и химии вообще. Появление и интенсивное развитие такой области как химии полимеров обязана прежде всего новой сырьевой базе.

Несмотря на то, что современная органическая химия в качестве материальной базы по прежнему использует сырье биологического происхождения и каменноугольную смолу, объём переработки этих видов химического сырья по сравнению с переработкой нефти мал. Смена материально-сырьевой базы органической химии была вызвана прежде всего возможностями наращивания объёмов производства.

Классификация органических соединений

  1. Правила и особенности классификации

В основе классификации лежит структура органических соединений. Основа описания структуры — структурная формула. Атомы элементов обозначаются латинскими символами, как они обозначены в периодической таблице химических элементов (таблице Менделеева). Водородные и электронодефицитные связи обозначаются пунктирной линией, ионные связи обозначаются указанием зарядов частиц, входящих в состав молекулы. Поскольку в подавляющее большинство органических молекул входит водород, его обычно не обозначают при изображении структуры. Таким образом, если в структуре у одного из атомов изображена недостаточная валентность, значит, возле этого атома расположен один или несколько атомов водорода. Атомы могут образовывать циклические и ароматические системы.

  1. Основные классы органических соединений

    • Насыщенные — не содержат кратные связи в своей структуре.

    • Ненасыщенные — имеют в своём составе хотя бы одну двойную и/или тройную связь.

    • С открытой цепью

    • С замкнутой цепью — содержат цикл

К ним относятся алканы, алкены, алкины, диены, циклоалканы, арены.

  • Соединения с гетероатомами в функциональных группах — соединения, в которых углеродный радикал R связан с функциональной группой. По характеру функциональных групп делятся на:

    • Галогенсодержащие

    • Спирты, фенолы

    • Простые эфиры (этеры)

    • Сложные эфиры (эстеры)

    • Соединения, содержащие карбонильную группу

      • Альдегиды

      • Кетоны

      • Хиноны

    • Соединения, содержащие карбоксильную группу (Карбоновые кислоты, сложные эфиры)

    • Серосодержащие соединения

    • Азотсодержащие соединения

    • Металлоорганические соединения

  • Гетероциклические — содержат гетероатомы в составе кольца. Различаются по числу атомов в цикле, по виду гетероатома, по количеству гетероатомов в цикле.

  • Органического происхождения — как правило соединения очень сложной структуры, зачастую принадлежат сразу к нескольким классам органических веществ, часто полимеры. Из-за этого их сложно классифицировать и их выделяют в отдельный класс веществ.

  • Полимеры — вещества очень большой молекулярной массы, которые состоят из периодически повторяющихся фрагментов — мономеров.

  1. Строение органических молекул

Органические молекулы в основном образованы ковалентными неполярными связями C—C, или ковалентными полярными типа C—O, C—N, C—Hal. Согласно октетной теории Льюиса и Косселя молекула является устойчивой, если внешние орбитали всех атомов полностью заполнены. Для таких элементов как C, N, O, Галогены необходимо 8 электронов, чтобы заполнить внешние валентные орбитали, для водорода необходимо только 2 электрона. Полярность объясняется смещением электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома.

Классическая теория валентных связей не в состоянии объяснить все типы связей, существующие в органических соединениях, поэтому современная теория использует методы молекулярных орбиталей и квантовохимические методы.

  1. Строение органического вещества

Свойства органических веществ определяются не только строением их молекул, но и числом и характером их взаимодействий с соседними молекулами, а также взаимным пространственным расположением. Наиболее ярко эти факторы проявляются в различии свойств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Так, вещества, легко взаимодействующие в виде газа, могут совершенно не реагировать в твёрдом состоянии, или приводить к другим продуктам.

В твёрдых органических веществах, в которых наиболее ярко проявляются эти факторы, различают органические кристаллы и аморфные тела. Их описанием занимается наука «химия органического твёрдого тела», основание которой связывают с именем советского физика-кристаллографа А. И. Китайгородского. Примеры полезных органических твёрдых тел — органические люминофоры, разнообразные полимеры, сенсоры, катализаторы, электропроводники, магниты и др.

  1. Особенности органических реакций

В неорганических реакциях обычно участвуют ионы, они проходят быстро и до конца при комнатной температуре. В органических реакциях часто происходят разрывы ковалентных связей с образованием новых. Как правило, эти процессы требуют особых условий: определённой температуры, времени реакции, и часто наличия катализатора. Обычно протекает не одна, а сразу несколько реакций, поэтому выход целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчёта стехиометрии.

Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий, не обязательно так, как реакция условно изображена на схеме. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R+, карбанионы R, радикалы R·, карбены CX2, катион-радикалы, анион-радикалы, и другие активные или нестабильные частицы, обычно живущие доли секунды. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции.

Реакции классифицируются в зависимости от способов разрыва и образования связей, способов возбуждения реакции, её молекулярности.

  1. Определение структуры органических соединений

За все время существования органической химии как науки важной задачей было определить структуру органических соединений. Это значит узнать, какие атомы входят в состав соединения, в каком порядке эти атомы связаны между собой и как расположены в пространстве.

Существует несколько методов решения этих задач.

  • Элементный анализ. Заключается в том, что вещество разлагается на более простые молекулы, по количеству которых можно определить количество атомов, входящее в состав соединения. С помощью этого метода невозможно установить порядок связей между атомами. Часто используется лишь для подтверждения предположенной структуры.

  • Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (ИК-спектроскопия и КР-спектроскопия). Вещество взаимодействует с электромагнитным излучением (светом) инфракрасного диапазона (в ИК-спектроскопии наблюдают поглощение, в КР-спектроскопии — рассеяние излучения). Этот свет при поглощении возбуждает колебательные и вращательные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанных с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются и для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества с некоторым уже известным веществом путём сравнения спектров.

  • Масс-спектроскопия. Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярный вес и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп.

  • Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Основан на взаимодействии ядер, обладающих собственным магнитным моментом (спином) и помещённых во внешнее постоянное магнитное поле, с электромагнитным излучением радиочастотного диапазона. Один из главных методов, который может быть использован для определения химической структуры. Метод используют также для изучения пространственного строения молекул, динамики молекул. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением различают, например:

    • Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода 1H в молекуле.

    • Метод ЯМР 19F. Позволяет определить наличие и положение атомов фтора в молекуле.

    • Метод ЯМР 31P. Позволяет определить наличие, положение и валентное состояние атомов фосфора в молекуле.

    • Метод ЯМР 13С. Позволяет определить число и типы атомов углерода в молекуле. Используется для исследования формы углеродного скелета молекулы.

В отличие от первых трёх в последнем методе используется неосновной изотоп элемента, поскольку ядро основного изотопа углерода — 12С имеет нулевой спин и не может наблюдаться методом ядерного магнитного резонанса, так же как и ядро 16O — единственного природного изотопа кислорода.

  • Метод ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-спектроскопия) или Спектроскопия электронных переходов. Метод основан на поглощении электромагнитного излучения ультрафиолетовой и видимой области спектра при переходе электронов в молекуле с верхних заполненных уровней на вакантные уровни (возбуждение молекулы). Чаще всего используется для определения наличия и характеристик коньюгированных π-систем.

  • Методы аналитической химии. Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим химическим реакциям, факт протекания которых можно фиксировать визуально или с помощью других методов.

Описанных выше методов, как правило, полностью хватает для определения структуры неизвестного вещества.

Номенклатура

Современная номенклатура химических соединений в основном базируется на правилах ИЮПАК (IUPAC), которые разрабатывались начиная с 40-х годов XX века. Правила ИЮПАК определяют общие принципы и приемы построения названий соединений и периодически пересматриваются. Наиболее значительные изменения вводились в 1979 и в 1993 годах.

В конкретных случаях разрабатываемые национальные номенклатуры учитывают номенклатурные традиции и особенности языка. В русской химической номенклатуре наблюдается постепенное приближение к структуре и семантике английской, что связано с увеличением доли англоязычной химической информации, начавшимся в конце ХХ века и с развитием Интернета, ещё больше эта тенденция выражена в новой украинской химической номенклатуре.

1.Соединения, названные по рациональной номенклатуре

  • Неорганические соединения

  • Органические соединения

  • Комплексные соединения

2. Тривиальные названия соединений

Тривиальные названия — названия, исторически закрепившиеся за какими-либо соединениями, и не соответствующие никакой номенклатуре.

Литература

  • Быков Г. В. История органической химии. М.: Химия, 1976. 360с.

  • Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х., «Органическая химия», Москва, «Химия», 1979.

  • Марч Дж., «Органическая химия: реакции, механизмы и структура», в 4-х томах, Москва, «Мир», 1987.

  • Кери Ф., Сандберг Р., «Углубленный курс органической химии», в 2-х томах, Москва, «Химия», 1981.

  • Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. «Органическая химия», в 4-х частях, Москва, Изд-во МГУ, «БИНОМ. Лаборатория знаний», 1999—2004.

Доклад — Химический состав органических веществ

Клетка является сложной саморегулирующейся системой, в которой одновременно и в определённой последовательности происходят сотни химических реакций, направленных на поддержание её жизнедеятельности, рост и развитие. Непосредственный обмен веществ и энергией с окружающей средой с целью сохранения сложной структурной упорядоченности также является важнейшим свойством живой клетки. Из существующих в природе 105 химических элементов активное участие в процессах жизнедеятельности принимает менее их половины. Наибольшее значение имеют десять элементов: азот, водород, углерод, кислород, фосфор, сера, натрий, калий, кальций, магний из которых построены основные структурные и функциональные компоненты клетки.

I . Неорганические соединения.

1.Вода, её свойства и значение для биологических процессов.

Вода универсальный растворитель. Она имеет высокую теплоёмкость и одновременно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для подержания теплового равновесия организма.

Благодаря полярности своих молекул вода выступает в роли стабилизатора структуры.

Вода источниккислорода и водорода, она является основной средой где протекают биохимические и химические реакции, важнейшим реагентом и продуктом биохимических реакций.

Для воды характерна полная прозрачность в видимом участке спектра, что имеет значение для процесса фотосинтеза, транспирации.

Вода практически не сжимается, что очень важно для придания формы органам, создания тургора и обеспечения определённого положения органов и частей организма в пространстве.

Благодаря воде возможно осуществление осмотических реакций в живых клетках.

Вода основное средство передвижения веществ в организме ( кровообращение, восходящий и нисходящий токи растворов по телу растения и т.д.).

2. Минеральные вещества.

В составе живых организмов современными методами химического анализа обнаружено 80 элементов периодической системы. По количественному составу их разделяют на три основные группы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений, концентрация их колеблется от 60% до 0.001% массы тела (кислород, водород, углерод, азот, сера, магний, калий, натрий, железо и др.).

Микроэлементы преимущественно ионы тяжёлых металлов. Содержатся в организмах в количестве 0.001% 0.000001% ( марганец, бор, медь, молибден, цинк, йод, бром).

Концентрация ультрамикроэлементов не превышает 0.000001%. Физиологическая роль их в организмах полностью ещё не выяснена. К этой группе относятся уран, радий, золото, ртуть, цезий, селен и много других редких элементов.

Основную массу тканей живых организмов, населяющих Землю составляюторганогенные элементы: кислород, углерод, водород и азот, из которых преимущественно построены органические соединения белки, жиры, углеводы.

II. Роль и функция отдельных элементов.

Азот у автотрофных растений является исходным продуктом азотного и белкового обмена. Атомы азоты входят в состав многих других небелковых, однако важнейших соединений: пигментов ( хлорофилл, гемоглобин ), нуклеиновых кислот, витаминов.

Фосфор входит в состав многих жизненно важных соединений.Фосфор входит в состав АМФ, АДФ, АТФ, нуклеотидов, фосфосфорилированных сахаридов, некоторых ферментов. Многие организмы содержат фосфор в минеральной форме ( растворимые фосфаты клеточного сока, фосфаты костной ткани ).

После отмирания организмов фосфорные соединения минерализуются. Благодаря корневым выделениям, деятельности почвенных бактерий осуществляется растворение фосфатов, что делает возможным усвоение фосфора растительными, а потом и животными организмами.

Сера участвует в построении серусодержащих аминокислот ( цистина, цистеина ), входит в состав витамина B1 и некоторых ферментов. Особенно большое значение имеет сера и её соединения для хемосинтезирующих бактерий. Соединения серы образуются в печени как продукты обеззараживания ядовитых веществ.

Калий содержится в клетках только в виде ионов. Благодаря калию цитоплазма имеет определённые коллоидные свойства; калий активирует ферменты белкового синтеза обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в генерации биоэлектрических потенциалов, в процессах фотосинтеза.

Натрий ( содержится в ионной форме ) составляет значительную часть минеральных веществ крови и благодаря этому играет важную роль в регуляции водного обмена организма. Ионы натрия способствуют поляризации клеточной мембраны; нормальныйритм сердечной деятельности зависит от наличия в питательной среде в необходимом количестве солей натрия, калия, а также кальция.

Кальций в ионном состоянии является антагонистом калия. Он входит в состав мембранных структур, в виде солей пектиновых веществ склеивает растительные клетки. В растительных клетках часто содержится в виде простых, игловидных или сросшихся кристаллов оксалата кальция.

Магний содержится в клетках в определённом соотношении с кальцием. Он входит в состав молекулы хлорофилла, активирует энергетический обмен и синтез ДНК.

Железо является составной частью молекулы гемоглобина. Оно участвует в биосинтезе хлорофилла, поэтому при недостатке железа в почве у растений развивается хлороз. Основная роль железа участие в процессах дыхания, фотосинтеза путём перенесения электронов в составе окислительных ферментов каталазы, ферредоксина. Определённый запас железа в организме животных и человека сохраняется в желесодержащем белке ферритине, содержащемся в печени, селезёнке.

Медь встречается в организмах животных и растений, где она играет важную роль. Медь входит в состав некоторых ферментов( оксидаз ). Установлено значение меди для процессов кроветворения, синтеза гемоглобина и цитохромов.

Ежесуточно в организм человека с пищей поступает 2 мг меди. У растений медь входит в состав многих ферментов, которые участвуют в темновых реакциях фотосинтеза и других биосинтезах. У больных недостатком меди животных наблюдается анемия, потеря аппетита, заболевания сердца.

Марганец микроэлемент, при недостаточном количестве которого у растений возникает хлороз. Большая роль принадлежит марганцу и в процессах восстановления нитратов в растениях.

Цинк входит в состав некоторых ферментов, активизирующих расщепление угольной кислоты.

Бор влияет на ростовые процессы, особенно растительных организмов. При отсутствии в почве этого микроэлемента у растений отмирают проводящие ткани, цветки и завязь.

При отсутствии в почве молибдена клубеньковые бактерии не поселяются на корнях бобовых, замедляется биосинтез белка, азотное питание растений. Этот микроэлемент повышает стойкость растений против грибов паразитов.

В последнее время микроэлементы достаточно широко применяются в растениеводстве ( предпосевная обработка семян ), в животноводстве ( микроэлементные добавки к корму ).

Другие неорганические компоненты клетки чаще всего находятся в виде солей, диссоциированных в растворе на ионы, или в нерастворённом состоянии ( соли фосфора костной ткани, известковые или кремниевые панцири губок, кораллов, диатомовых водорослей и др. ).

III. Органические соединения.

Углеводы ( сахариды ). Молекулы этих веществ построены всего из трёх элементов углерода, кислорода и водорода. Углероды являются основным источником энергии для живых организмов. Кроме того, они обеспечивают организмы соединениями, которые используются в дальнейшем для синтеза других соединений.

Наиболее известными и распространёнными углеводами являются растворённые в воде моно и дисахариды. Они кристаллизуются, сладкие на вкус.

Моносахариды ( монозы ) соединения, которые не могут гидролизоваться. Сахариды могут полимеризоваться, образуя более высокомолекулярные соединения ди, три, и полисахариды.

Олигосахариды. Молекулы этих соединений построены из 2 4 молекул моносахаридов. Эти соединения также могут кристаллизоваться, легко растворимы в воде, сладкие на вкус и имеют постоянную молекулярную массу. Примером олигосахаридов могут быть дисахариды сахароза, мальтоза, лактоза, тетрасахарид стахиоза и др.

Полисахариды ( полиозы ) нерастворимые в воде соединения ( образуют коллоидный раствор ), не имеющие сладкого вкуса, Как и предыдущая группа углеводов способны гидролизоваться ( арабаны, ксиланы, крахмал, гликоген). Основная функция этих соединений связывание, склеивание клеток соединительной ткани, защита клеток от неблагоприятных факторов.

Липиды группа соединений, которые содержатся во всех живых клетках, они нерастворимы в воде. Структурными единицами молекул липидов могут быть либо простые углеводородные цепи, либо остатки сложных циклических молекул.

В зависимости от химической природы липиды разделяют на жиры и липоиды.

Жиры ( триглицериды, нейтральные жиры ) являются основной группой липидов. Они представляют собой сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и жирных кислот или смесь свободных жирных кислот и триглицеридов.

Встречаются в живых клетках и свободные жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая, рициновая.

Липоиды жироподобные вещества. Имеют большое значение, так как благодаря своему строению образуют чётко ориентированные молекулярные слои, а упорядочённое расположение гидрофильных и гидрофобных концов молекул имеет первоочередное значение для формирования мембранных структур с избирательной проницаемостью.

Ферменты. Это биологические катализаторы белковой природы, способные ускорять биохимические реакции. Ферменты не разрушаются в процессе биохимических превращений, поэтому сравнительно небольшое их количества катализируют реакции большого количества вещества. Характерным отличием ферментов от химических катализаторов является их способность ускорять реакции при обычных условиях.

По химической природе ферменты делятся на две группы однокомпонентные ( состоящие только из белка, их активность обусловлена активным центром специфической группы аминокислот в белковой молекуле ( пепсин, трипсин )) и двухкомпонентные ( состоящие из белка ( апофермента носителя белка ) и белкового компонента ( коферментом ), причём химическая природа коферментов бывает разной, так как они могут состоять из органических ( многие витамины, НАД, НАДФ ) или неорганических ( атомы металлов: железа, магния, цинка )).

Функция ферментов заключается в снижении энергии активации, т.е. в снижении уровня энергии, необходимой для придания реакционной способности молекуле.

Современная классификация ферментов основывается на типах катализируемых ими химических реакций. Ферменты гидролазы ускоряют реакцию расщепления сложных соединений на мономеры ( амилаза ( гидролизует крахмал ), целлюлаза ( разлагает целлюлозу до моносахаридов ), протеаза ( гидролизует белки до аминокислот )).

Ферменты оксидоредуктазы катализируют окислительно восстановительные реакции.

Трансферазы переносят альдегидные, кетонные и азотистые группы от одной молекулы к другой.

Лиазы отщепляют отдельные радикалы с образованием двойных связей или катализируют присоединение групп к двойным связям.

Изомеразы осуществляют изомеризацию.

Лигазы катализируют реакции соединения двух молекул, используя энергию АТФ или другого триофасфата.

Пигменты высокомолекулярные природные окрашенные соединения. Из нескольких сотен соединений этого типа важнейшими являются металлопорфириновые и флавиновые пигменты.

Металлопорфирин, в состав которого входит атом магния, образует основание молекулы зелёных растительных пигментов хлорофиллов. Если на месте магния стоит атом железа, то такой металлопорфирин называют гемом.

В состав гемоглобина эритроцитов крови человека, всех других позвоночных и некоторых беспозвоночных входит окисное железо, которое и придаёт крови красный цвет. Гемеритрин придаёт крови розовый цвет ( некоторые многощетинковые черви ). Хлорокруорин окрашивает кровь, тканевую жидкость в зелёный цвет.

Наиболее распространенными дыхательными пигментами крови являются гемоглобин и гемоциан ( дыхательный пигмент высших ракообразных, паукообразных, некоторых моллюсков спрутов ).

К хромопротеидам относятся также цитохромы, каталаза, пероксидаза, миоглобин ( содержится в мышцах и создаёт запас кислорода, что позволяет морским млекопитающим длительное время пребывать под водой ).

Энергию в клетках и организмах переносят два флавиновых пигмента: флавинмононуклеотид ( ФМН ) и флавинадениндинуклотид ( ФАД ). По химической природе они не относятся к металлопорфиринам, однако по своим функциям аналогичны им.

Металлопорфирины и флавины играют роль коферментов, или простетических групп ферментов, которые участвуют в транспорте электронов и кислорода в живых организмах.

В хлоропластах содержится относительно большое количество жёлтых пластидных пигментов каротиноидов. Чаще всего встречаются каротин, ксантофилл, ликопин, лютеин .

Витамины имеют высокую физиологическую активность, сложное и разнообразное химическое строение. Они необходимы для нормального роста и развития организма. Витамины регулируют окисление углеводов, органических кислот, аминокислот, некоторые из которых входят в состав НАД, НАДФ.

Биосинтез витаминов свойственен преимущественно зелёным растениям. В животных организмах самостоятельно синтезируются только витамины D и E. Витамины делятся на две группы: водо растворимые ( C, B1, B2, фолиевая кислота, B5, B12, B6, PP) и жирорастворимые ( A, D, E, K ).

Гормоны специфические биологически активные вещества белкового или стероидного типа, которые образуются и выделяются железами внутренней секреции животных и участвуют в регуляции жизненных функций их организмов. Известно до 30 гормонов и много гормоноподобных веществ, в том числе гормон щитовидной железы — тироксин, гормоны надпочечников — адреналин, норадреналин, гидрокортизон, гормоны гипофиза — вазопрессин, окситоцин, гормоны половых желёз — фолликулин, тестостерон.

Недостаточное или чрезмерное образование гормонов вызывает тяжёлые расстройства в деятельности организма.

Органические кислоты — к этой группе относятся органические вешества, способные образовывать при диссоциации в водных растворах катионы водорода. Содержатся в значительном количестве в клетках животных и особенно растительных организмов. Органические кислоты являются продуктами превращения углсврдов; при синтезе белков они обрязуют углеродную основу аминокислот.

Самую многочисленную группу органических кислот составляют карбоновые кислоты. В составе их молекул обязательно содержится хотя бы одня карбоксильная группа – СООН. По количеству карбоксильных групп различают одноосновные (мураньиная, уксусная, пропионовая, магляная, молочная, гликолевая), двухосновные (щавелевая, яблочная, янтарная, нинная) и многоосновные (лимонная, аконитовая).

По своим свойствам кислоты делятся на летучие и нелетучие. К летучим относятся уксусная, пропионовая, масляная и некоторые другие кислоты. Они легко испаряются, имеют резкий запах.

Все другие органические кислоты – нелетучие. Большую группу органических кислот составляют карбоновые кетокислоты, которые кроме группы – СООH содержат карбонильную группу (кетогруппу).

К некарбоновым органическим кислотам относятся также гетероциклические соединения с кислыми свойствами. Органические кислоты играют исключительно большую рольв обмене веществ живых организмов. Они обусловливают необходимое соотношение катионов и анионов (ионное равновесие) при поступлении питательных веществ в корни растений, создают в клетках буферные смеси с заданными значениями рН, являются начальными, промежуточными или конечными продуктами биохимических превращений. В заметных количествах накапливаются эти кислоты в свободном состоянии или в виде солей в сочных плодах (яблоках, лимонах, чернике), в листьях и стеблях растений (щавеля, ревеня). Содержатся они также в крови и выделениях (мочевая кислота) животных организмов.

Получают органические кислоты из природных веществ в результлте брожения сахаристых веществ (молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое), а также при окислении альдегидов, спиртов, некоторых углеводов. Широко используются в кулинарии, пищевой промышленности, технике, научных исследованниях.

Большое значение в процессах жизнедеятельности организмов имеют также соли органических кислот, в частности соли калия, натрия, кальция.

Продукты выделения делятся на экскреты, секреты, рекреты и инкреты.

Экскреты – продукты диссимиляции, неиспользованные, ненужные или вредные вещества. Бывают газообразные, жидкие и твёрдые. К этой группе относятся углекислый газ, вода, этилен, эфирные масла. К секретам относягся продукты ассимиляции.

Вещества, способные реутилизироваться называются рекретами.

Инкреты – биологически активные соединения внутреннего назначения. Это фитогормоны и гормоны эндокринных желёз животных.

Летучие, ароматические, пахучие вещества. Значительные количества таких веществ биогенного происхождения выделяются в окружающую среду как животными, так и растениями. Большинство этих естественных метаболитов, выделяемых наружу (экзометаболиты), проявляют высокую биологическую активность, поэтому они представляют интерес для научных исследований и для практики.

Экзометаболиты разделяются на метаболиты, которые влияют на рецепторы и проявляют информационную, запаховую, сенсорную функции. С их помощью морские млекопитающие делают «пахучие метки» в толще воды, рыбы и млекопитающие объединяются встада, хищники отыскивают добычу. Очень высокая чувствитсльность млекопитающих к запаху самок:

метаболиты с трофической функцией, которые включаются н пищевые цепи: метаболиты лишайников;

метаболиты, которые прямым иликосвенным образом влияют на размножение, рост и развитие организмов в биоценозах: специальные выделения матки пчелиной семьи;

метаболиты токсического действия (биологическое оружие живых организмов): токсические выделения синезелёных водорослей, простейших и других животных, летучие соедииения зелёной массы высших растений.

Фитогормоны . Это регуляторы роста рястений гормонального типа, соединения, способные влиять на ростовые процессы растительных клеток, органов и целых рястений. Фигогормоны играют важиую роль в регенерации утраченных органов. Существует несколько групп фитогормонов.

Роль органической химии в жизни человека Органические

  • Главная
  • О сайте
  • Политика защиты авторских прав
  • Контакты

Advertisements

Доклад — Классификация органических соединений. Виды связи. Специфические свойства органических соединени

Казахский Гуманитарно-Юридический Инновационный Университет

Кафедра: Информационных технологий и экономики

СРСП №1

На тему: «Классификация органических соединений. Виды связи. Специфические свойства органических соединений. Структурные формулы. Изомерия.»

Выполнил: Студент I-го курса, группа Э-124

Увашов Азамат

Проверила: Абылкасымова Б. Б

г.Семей 2010 год

Содержание

1. Введение

2. Классификация органических соединений

3. Виды связи

4. Структурные формулы

5. Специфические свойства органических соединений

6. Изомерия

Введение

Трудно представить прогресс в какой бы то ни было области хозяйства без химии – в частности, без органической химии. Все сферы хозяйства связаны с современной химической наукой и технологией.

Органическая химия изучает вещества, содержащие в своем составе углерод, за исключением окиси углерода, углекислого газа и солей угольной кислоты (эти соединения по свойствам ближе к неорганическим соединениям).

Как наука органическая химия до середины XVIII века не существовала. К тому времени различали три вида химии: химию животных, растительную и минеральную. Химия животных изучала вещества, входящие в состав животных организмов; растительная – вещества, входящие в состав растений; минеральная – вещества, входящие в состав неживой природы. Этот принцип, однако, не позволял отделить органические вещества от неорганических. Например, янтарная кислота относилась к группе минеральных веществ, так как ее получали перегонкой ископаемого янтаря, поташ входил в группу растительных веществ, а фосфат кальция – в группу животных веществ, так как их получали прокаливанием соответственно растительных (древесина) и животных (кости) материалов.

В первой половине XIX века было предложено выделить соединения углерода в самостоятельную химическую дисциплину – органическую химию.

Среди ученых в то время господствовало виталистическое мировоззрение, согласно которому органические соединения образуются только в живом организме под влиянием особой, сверхъестественной «жизненной силы». Это означало, что получить органические вещества путем синтеза из неорганических невозможно, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непреодолимая пропасть. Витализм настолько укрепился в умах ученых, что долгое время не предпринималось никаких попыток синтеза органических веществ. Однако витализм был опровергнут практикой, химическим экспериментом.

Развитие органической химии в настоящее время достигло уровня, позволяющего начать решение такой основополагающей проблемы органической химии, как проблема количественного соотношения структуры вещества и его свойства, в качестве которого может выступать любое физическое свойство, биологическая активность любого строго заданного типа решение задач такого типа осуществляется с использованием математических методов.

Классификация органических соединений.

Огромное количество органических соединений классифицируют с учетом строения углеродной цепи (углеродного скелета) и наличия в молекуле функциональных групп.

На схеме представлена классификация органических соединений в зависимости от строения углеродной цепи.

Органические соединения

¯

¯

Ациклические (алифатические)

(соединения с открытой цепью)

Циклические

(соединения с замкнутой цепью)

¯

¯

¯

¯

Насыщенные (предельные)

Ненасыщенные (непредельные)

Карбоциклические (цикл состоит только из атомов углерода)

Гетероциклические (цикл состоит из атомов углерода и других элементов)

¯

¯

Алициклические (алифатические циклические)

Ароматические

В качестве основы при классификации приняты углеводороды, их считают базовыми соединениями в органической химии. Все остальные органические соединения рассматривают как их производные.

При систематизации углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода.

I. АЛИФАТИЧЕСКИЕ (aleiphatos. греч. масло) углеводороды представляют собой линейные или разветвленные цепочки и не содержат циклических фрагментов, они образуют две крупные группы.

1. Предельные или насыщенные углеводороды (названы так потому, что не способны что-либо присоединять) представляют собой цепочки атомов углерода, соединенных простыми связями и окруженных атомами водорода. В том случае, когда цепочка имеет разветвления, к названию добавляют приставку изо. Простейший насыщенный углеводород – метан, с него начинается ряд этих соединений.

НАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

ОБЪЕМНЫЕ МОДЕЛИ НАСЫЩЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. Валентности углерода направлены к вершинам мысленного тетраэдра, в результате цепочки насыщенных углеводородов представляют собой не прямые, а ломаные линии.

Основные источники насыщенных углеводородов – нефть и природный газ. Реакционная способность насыщенных углеводородов очень низкая, они могут реагировать только с наиболее агрессивными веществами, например, с галогенами или с азотной кислотой. При нагревании насыщенных углеводородов выше 450 С° без доступа воздуха разрываются связи С-С и образуются соединения с укороченной углеродной цепью. Высокотемпературное воздействие в присутствии кислорода приводит к их полному сгоранию до СО2 и воды, что позволяет эффективно использовать их в качестве газообразного (метан – пропан) или жидкого моторного топлива (октан).

При замещении одного или нескольких атомов водорода какой-либо функциональной (т.е. способной к последующим превращениям) группой образуются соответствующие производные углеводородов. Соединения, содержащие группировку С-ОН, называют спиртами, НС=О – альдегидами, СООН – карбоновыми кислотами (слово «карбоновая» добавляют для того, чтобы отличить их от обычных минеральных кислот, например, соляной или серной). Соединение может содержать одновременно различные функциональные группы, например, СООН и Nh3, такие соединения называют аминокислотами. Введение в состав углеводорода галогенов или нитрогрупп приводит соответственно к галоген- или нитропроизводным.

НЕНАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ в виде объемных моделей. Валентности двух атомов углерода, соединенных двойной связью, расположены в одной плоскости, что можно наблюдать при определенных углах поворота, в этот момент вращение молекул приостанавливается.

Наиболее характерно для ненасыщенных углеводородов присоединение по кратной связи, что позволяет синтезировать на их основе разнообразные органические соединения.

АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ. Из-за определенной направленности связей у атома углерода молекула циклогексана представляет собой не плоский, а изогнутый цикл – в форме кресла (/ -/ ), что отчетливо видно при определенных углах поворота (в этот момент вращение молекул приостанавливается)

Помимо показанных выше существуют иные варианты соединения циклических фрагментов, например, они могут иметь один общий атом, (так называемые, спироциклические соединения), либо соединяться таким образом, чтобы два или более атомов были общими для обоих циклов (бициклические соединения), при объединении трех и более циклов возможно также образование углеводородных каркасов.

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. Их названия сложились исторически, например, фуран получил название от фуранового альдегида – фурфурола, получаемого из отрубей (лат. furfur – отруби). Для всех показанных соединений реакции присоединения затруднены, а реакции замещения проходят достаточно легко. Таким образом, это ароматические соединения небензольного типа.

Ароматический характер этих соединений подтверждается плоским строением циклов, что отчетливо заметно в тот момент, когда их вращение приостанавливается

Разнообразие соединений этого класса увеличивается дополнительно за счет того, что гетероцикл может содержать два и более гетероатомов в цикле

ВИДЫ СВЯЗИ

Химическая связь — это взаимодействие частиц (атомов, ионов), осуществляемое путем обмена электронами. Различают несколько видов связи.
При ответе на данный вопрос следует подробно остановиться на характеристике ковалентной и ионной связи.
Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (с образованием общих электронных пар), которое происходит в ходе перекрывания электронных облаков. В образовании ковалентной связи участвуют электронные облака двух атомов.
Различают две основные разновидности ковалентной связи:

а) неполярную и б) полярную.

а) Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметалла одного и того химического элемента. Такую связь имеют простые вещества, например О2; N2; C12. Можно привести схему образования молекулы водорода: (на схеме электроны обозначены точками).
б) Ковалентная полярная связь образуется между атомами различных неметаллов.

Схематично образование ковалентной полярной связи в молекуле НС1 можно изобразить так:

Общая электронная плотность оказывается смещенной в сторону хлора, в результате чего на атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд , а на атоме водорода — частичный положительный . Таким образом, молекула становится полярной:

Ионной называется связь между ионами, т. е. заряженными частицами, образовавшимися из атома или группы атомов в результате присоединения или отдачи электронов. Ионная связь характерна для солей и щелочей.

Сущность ионной связи лучше рассмотреть на примере образования хлорида натрия. Натрий, как щелочной металл, склонен отдавать электрон, находящийся на внешнем электронном слое. Хлор же, наоборот, стремится присоединить к себе один электрон. В результате натрий отдает свой электрон хлору. В итоге образуются противоположно заряженные частицы — ионы Na+ и Сl-, которые притягиваются друг к другу. При ответе следует обратить внимание, что вещества, состоящие из ионов, образованы типичными металлами и неметаллами. Они представляют собой ионные кристаллические вещества, т. е. вещества, кристаллы которых образованы ионами, а не молекулами.

После рассмотрения каждого вида связи следует перейти к их сравнительной характеристике.

Для ковалентной неполярной, полярной и ионной связи общим является участие в образовании связи внешних электронов, которые еще называют валентными. Различие же состоит в том, насколько электроны, участвующие в образовании связи, становятся общими. Если эти электроны в одинаковой мере принадлежат обоим атомам, то связь ковалентное неполярная; если эти электроны смещены к одному атому больше, чем другому, то связь ковалентная полярная. В случае, если электроны, участвующие в образовании связи, принадлежат одному атому, то связь ионная.

Металлическая связь — связь между ион-атомами в кристаллической решетке металлов и сплавах, осуществляемая за счет притяжения свободно перемещающихся (по кристаллу) электронов (Mg, Fe).

Все вышеперечисленные отличия в механизме образования связи объясняют различие в свойствах веществ с разными видами связей.

СТРУКТУРНАЯ ФОРМУЛА

Структурная формула — это разновидность химической формулы, графически описывающая расположение и порядок связи атомов в соединении, выраженное на плоскости. Связи в структурных формулах обозначаются валентными черточками.

Часто используются структурные формулы, где связи с атомами водорода не обозначаются валентными черточками (тип 2). В другом типе структурных формул (скелетных), применяемых для крупных молекул в органической химии, не указываются атомы водорода связанные с углеродными атомами и не обозначаются атомы углерода (тип 3).

С помощью разных типов условных обозначений, используемых в структурных формулах, указываются также координационные связи, водородные связи, стереохимия молекул, делокализованные связи, локализация зарядов и т.д.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Реакции органических соединений имеют некоторые специфические особенности. В реакциях неорганических соединений обычно участвуют ионы; эти реакции протекают очень быстро, иногда мгновенно при нормальной температуре. В реакциях органических соединений обычно участвуют молекулы; при этом одни ковалентные связи разрываются, а другие образуются. Такие реакции протекают медленнее ионных (например, десятки часов), и для их ускорения часто требуется повысить температуру или добавить катализатор. Наиболее часто используют в качестве катализаторов кислоты и основания. Обычно протекает не одна, а несколько реакций, так что выход нужного продукта очень часто составляет менее 50%. В связи с этим в органической химии употребляют не химические уравнения, а схемы реакций без указания стехиометрических соотношений.

Реакции органических соединений могут протекать очень сложным образом и вовсе не обязательно соответствовать простейшей относительной записи. Как правило, простая стехиометрическая реакция на самом деле происходит в несколько последовательных стадий. В качестве промежуточных соединений (интермедиатов) в многостадийных процессах могут возникать карбкатионы R+, карбанионы R-, свободные радикалы, карбены: СХ2, катион-радикалы (например, анион-радикалы (например, Аr ) и другие нестабильные частицы, живущие доли секунды. Подробное описание всех изменений, которые происходят на молекулярном уровне в процессе превращения реагентов в продукты, называется механизмом реакции.

Исследование влияния строения органических соединений на механизм их реакций изучает физическая органическая химия, основы которой заложили К.Инголд, Робинсон и Л.Гаммет (1930-е гг.).

Реакции органических соединений могут классифицированы в зависимости от способа разрыва и образования связей, метода возбуждения реакции, ее молекулярности и др.

ИЗОМЕРИЯ

ИЗОМЕРИЯ (греч. isos – одинаковый, meros – часть) – одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.

Изомерия была впервые обнаружена Ю.Либихом в 1823, который установил, что серебряные соли гремучей и изоциановой кислот: Ag-О-N=C и Ag-N=C=O имеют одинаковый состав, но разные свойства. Термин «Изомерия» в 1830 ввел И.Берцелиус, предположивший, что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Представления об изомерии окончательно сформировались после создания A.M.Бутлеровым теории химического строения (1860-е). Основываясь на положениях этой теории, он предположил, что должно существовать четыре различных бутанола. К моменту создания теории был известен лишь один бутанол (СН3 )2СНСН2 ОН, получаемый из растительного сырья.

Последовавший затем синтез всех изомеров бутанола и определение их свойств стали убедительным подтверждением теории.

Согласно современному определению два соединения одинакового состава считают изомерами, если их молекулы нельзя совместить в пространстве так, чтобы они полностью совпадали. Совмещение, как правило, проделывают мысленно, в сложных случаях используют пространственные модели, либо расчетные методы. Есть несколько причин возникновения изомерии.

Структурная изомерия

Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.

Изомерия углеводородного скелета. Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С4 Н10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С5 Н12 – трех изомеров, для гексана С6 Н14 – пяти

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С7 Н16 существует девять изомеров, для углеводорода С14 Н30 – 1885 изомеров, для углеводорода С20 Н42 – свыше 366 000.

В сложных случаях вопрос о том, являются ли два соединения изомерами, решают, используя различные повороты вокруг валентных связей (простые связи это допускают, что в определенной степени соответствует их физическим свойствам). После перемещения отдельных фрагментов молекулы (не допуская при этом разрыва связей) накладывают одну молекулу на другую. Если две молекулы полностью совпадают, то это не изомеры, а одно и то же соединение:

Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов.

Органическое вещество почвы в системах посева

Ayotte, J. D., S.M. Фланаган, W.S. Завтра. Октябрь 2007 г. Появление урана и 222 радона в ледниковых и коренных водоносных горизонтах на севере США, 1993-2003 гг. Отчет о научных исследованиях 2007-5037, Технический отчет.

Buol, S.W., R.J. Саутард, Р.С. Грэм, П.А. Макдэниэл. 2003. Генезис и классификация почв. Айова Стейт Пресс.

DeJong-Hughes, J., A.L.M. Daigh. 2017. Верхний Средний Запад Руководство по обработке почвы. Издание Университета Миннесоты.Доступно по адресу: https://extension.umn.edu/soil-and-water/soil-management-and-health#upper-midwest-tillage-guide-1233360

DeJong-Hughes, J., D. Franzen, A. Wick. 2015. Уменьшение ветровой эрозии для долгосрочной прибыльности. Издание Университета Миннесоты. Доступно по адресу: https://extension.umn.edu/soil-management-and-health/reduce-wind-erosion-long-term-profitability

Hargrove, W.W. и Р.Дж. Luxmore. 1988. Содержание органического вещества в почве по всей территории США. От: Новая национальная карта растительных экорегионов с высоким разрешением, изготовленная опытным путем с использованием многомерной пространственной кластеризации, выпущенная для общественного пользования USDA.

Howard, P.J.A., D.M. Говард. 1990. Использование органического углерода и потерь при воспламенении для оценки органического вещества почвы в различных типах почв и горизонтах. Биология и плодородие почв 9: 306-310.

Hudson, B.D. 1994. Органическое вещество почвы и доступная емкость воды. Журнал почво-водосбережения Март / Апрель том. 49 нет 2, стр. 189-194.

Jenkinson, D.S. 1977. Биомасса почвы. NZ Soil News 25: 213-218.

Lamb, J., S. Huerd, K. Moncada. Университет Миннесоты.Руководство по управлению рисками для производителей органических продуктов. Глава 3. Почвенное здоровье. Онлайн по адресу: https://organicriskmanagement.umn.edu/

Lauer, J. July 2006. Опасения по поводу засухи, когда начинается опыление кукурузы. Университет Висконсина. Полевые культуры 28.493 — 42. На сайте: http://128.104.50.45/Pubs/Default.aspx

Oldfield, E.E., S.A. Woods, M.A. Bradford. 2018. Прямое воздействие органического вещества почвы на продуктивность отражает наблюдаемое с органическими поправками. Обычная статья в почве растений.На сайте: https://doi.org/10.1007/s11104-017-3513-5

Ovington, J.D., D. Haitkamp, ​​D.B. Лоуренс. 1963. Биомасса растений и продуктивность луговых, саванновых, дубовых и кукурузных полей в центральной части Миннесоты. Экология 44: 52-63.

Paul E.A., H.P. Коллинз С.В. Левитт. 2001. Динамика стойкого почвенного углерода среднезападных сельскохозяйственных почв, измеренная по естественной численности 14 C. Geoderma 104: 239-256.

Sylvia, D.M., J.J. Фурман, П.Г. Хартель, Д.А. Zuberer. 2005. Принципы и применение почвенной микробиологии. Пирсон.

Weil R.R., N.C. Brady. 2017. Природа и свойства почв. Пирсон.

Важность органического вещества почвы

Важность органического вещества почвы



Влияние органического вещества почвы на почву свойства

Органическое вещество влияет как на химический, так и на физический свойства почвы и ее общее здоровье. Свойства под влиянием органических К этому относятся: структура почвы; влагоемкость; разнообразие и активность почвенных организмов, как полезных, так и вредных для сельскохозяйственных культур производство; и доступность питательных веществ.Это также влияет на последствия химические добавки, удобрения, пестициды и гербициды. Эта глава фокусируется на тех свойствах, которые связаны с влажностью почвы и качеством воды, в то время как Глава 6 посвящена вопросам, связанным с устойчивым производством продуктов питания.

Неэффективное использование дождевая вода

засушливые земли могут иметь низкую урожайность не только потому, что нерегулярный или недостаточный, но также из-за значительного количества осадков, до 40 процентов, может исчезнуть как сток.Это плохое использование осадков частично результат природных явлений (рельеф, уклон, интенсивность осадков), но также неадекватные методы управления земельными ресурсами (то есть сжигание растительных остатков, чрезмерная обработка почвы, устранение живых изгородей и т. д.), которые снижают уровень органического вещества, разрушить структуру почвы, устранить полезную почвенную фауну и не поддерживать воду инфильтрация. Однако вода «потерялась», так как сток для одного фермера не потерян для других водопользователей ниже по течению, поскольку используется для пополнения подземных вод и река течет.

Где осадки выпадают на поверхность почвы, доля проникает в почву, чтобы пополнить почву водой или протекает через зарядить грунтовые воды. Другая фракция может сбежать в виде сухопутного потока и оставшаяся часть испаряется обратно в атмосферу прямо из незащищенного поверхности почвы и листьев растений.

Вышеупомянутые процессы не происходят в один и тот же момент, но некоторые являются мгновенными (сток), происходящим во время дождевых явлений, в то время как другие непрерывны (испарение и транспирация).

Чтобы свести к минимуму воздействие засухи, почва должна захватывать дождевая вода, которая падает на нее, хранит как можно больше этой воды для будущего использование растений, и позволяют корням растений проникать и размножаться. Проблемы с или ограничения одного или нескольких из этих условий приводят к тому, что влажность почвы один из основных сдерживающих факторов роста урожая.

Способность почвы удерживать и выпускать воду зависит от широкий спектр факторов, таких как текстура почвы, глубина почвы, структура почвы (физическая структура, включая поры), содержание органического вещества и биологическое деятельность.Тем не менее, надлежащее управление почвой может улучшить это вместимость.

Практика, которая увеличивает влажность почвы может быть разделены на три группы: (i) те, которые увеличивают проникновение воды; (II) те, которые управляют испарением почвы; и (iii) те, которые увеличивают влажность почвы складские мощности. Все три связаны с органическим веществом почвы.

Для создания засухоустойчивого грунта необходимо понять наиболее важные факторы, влияющие на влажность почвы.

Повышенная влажность почвы

Органические вещества влияют на физическое состояние почвы в несколько путей. Растительные остатки, которые покрывают поверхность почвы, защищают почву от уплотнение и корка от воздействия капли дождя, тем самым увеличивая дождевую воду инфильтрация и уменьшение стока. Поверхностная инфильтрация зависит от ряда факторы, включая агрегацию и стабильность, непрерывность пор и стабильность, наличие трещин и состояние поверхности почвы.Увеличение органического вещества вносит косвенный вклад в пористость почвы (за счет повышения активности фауны почвы). Свежее органическое вещество стимулирует деятельность макрофауны, такой как дождевые черви, которые создают норы, выстланные клеевым секретом из их тел и периодически заполняются червячной отливкой.

Доля дождевой воды, которая проникает в почву зависит от количества обеспеченного почвенного покрова (рисунок 12). На рисунке показано, что на голых почвах (покрытие = 0 тонн / га) сток и, следовательно, эрозия почвы больше когда почва защищена мульчей.Остатки урожая, оставленные на поверхности почвы привести к улучшению агрегации почвы и пористости, а также увеличению количества макропоры, и, следовательно, к большей скорости проникновения.

Повышение уровня органического вещества и связанной с ним фауны почвы привести к увеличению порового пространства с немедленным результатом, что вода проникает больше с готовностью и может содержаться в почве (Roth, 1985). Улучшенное поровое пространство является последствия биотурбирующей деятельности дождевых червей и других макроорганизмы и каналы, оставленные в почве гниющими корнями растений.

На участке в южной части Бразилии, инфильтрация дождевой воды увеличилась от 20 мм / ч при обычной обработке почвы до 45 мм / ч при отсутствии обработки почвы (Calegari, Darolt and Ferro, 1998). В течение длительного периода улучшалось органическое вещество хорошая структура почвы и макропористость. Вода легко проникает, похожа на лесные почвы (рисунок 13).

Последствия повышенной инфильтрации воды в сочетании с более высокое содержание органического вещества увеличивает запас воды в почве (Рисунок 14).Органическое вещество способствует стабильности агрегатов почвы и пор через связующие или адгезионные свойства органических материалов, таких как бактериальные отходы продукты, органические гели, грибковые гифы и выделения из червей и слепки. Более того, органическое вещество, тесно смешанное с минеральными почвенными материалами, имеет значительное влияние на увеличение влагоемкости. Особенно в верхнем слое почвы, там, где содержание органических веществ больше, можно хранить больше воды.

РИСУНОК 12
Влияние количества почвенного покрова на дождевую воду сток и инфильтрация

Источник: Ruedell, 1994.

РИСУНОК 13
Инфильтрация воды при различных типах управление

Источник: Machado, 1976.

РИСУНОК 14
Количество воды, хранящейся в почве под обычная обработка почвы и консервация, сельское хозяйство

Источник: Gassen and Gassen, 1996.

Качество растительных остатков, в частности их химических состав, определяет влияние на структуру и агрегацию почвы. блэр и др. . (2003) сообщают о быстрой поломке медика ( Medicago truncatula ) и остатки соломы из риса ( Oryza sativa ), что приводит к быстрое повышение стабильности агрегатов почвы за счет высвобождения многих почвосвязывающие компоненты. Поскольку эти соединения подвергаются дальнейшему разрушению, они будут потеряться из системы, что приведет к снижению стабильности агрегатов почвы время.Медленное высвобождение связывающих почву агентов из фламандии ( Flemingia macrophylla ), что привело к более медленному, но более устойчивому увеличению устойчивость почвенных агрегатов. Это указывает на то, что постоянный выпуск почвосвязывающие соединения из растительных остатков необходимы для постоянного роста в почве агрегат стабильности, чтобы возникнуть.

РИСУНОК 15
Влияние различных почвенных покровов на почву хранение воды

Источник: Siqueira и др. ., 1993.

Эллиот и Линч (1984) показали, что агрегация почв вызывается прежде всего путем производства полисахаридов в ситуациях, когда остатки имеют низкое содержание N содержание. Существует тесная связь между содержанием углерода в почве и совокупный размер. Увеличение содержания углерода в почве привело к увеличению на 134 процента в агрегатах более 2 мм и уменьшение агрегатов на 38 процентов менее 0,25 мм (Castro Filho, Muzilli and Podanoschi, 1998). Активная фракция почвы C (Whitbread, Lefroy and Blair, 1998) является основным фактором, контролирующим разбивка совокупных показателей (Bell и др. ., 1999).

Кроме того, хотя они не живут долго и новые заменять их ежегодно, гифы актиномицетов и грибов играют важную роль роль в соединении частиц почвы (Castro Filho, Muzilli and Podanoschi, 1998). Gupta и Germida (1988) показали снижение макроагрегатов почвы сильно с уменьшением грибковых гиф после шести лет непрерывного Культивирование.

Хранение воды в почве зависит не только от типа подготовка почвы, а также на тип покрытия или предыдущей растительности на почва.Рисунок 15 показывает влияние сжигания растительности на количество вода хранится в почве.

Сохранение паровой растительности в качестве покрытия на поверхности почвы, и, таким образом, уменьшая испарение, в почве на 4 процента больше воды. это примерно эквивалентно 8 мм дополнительных осадков. Это количество дополнительной воды может иметь значение между увяданием и выживанием урожая во время временного сухие периоды.

Исследование, проведенное в 1999 году в Гватемале, Гондурасе и Никарагуа Оценка устойчивости агроэкосистем показала, что на 3-15 процентов больше вода была сохранена в почве в соответствии с более экологически чистыми методами (таблица 4).

Unger (1978) показал, что высокий уровень остатков пшеницы привел к увеличенное хранение осадков паров, которые впоследствии урожайность зерна сорго. Высокие уровни остатка 8-12 тонн / га привели к примерно На 80-90 мм больше хранится почвенной воды при посадке и около 2,0 т / га больше урожай зерна сорго по сравнению с отсутствием остатков.

ТАБЛИЦА 4
Средняя глубина почвы, на которой начинается влага, и разница в хранении хранится

Страна

Агроэкологически
звуковых практик
см

Обычный
практики
см

Разница
(%)

Гондурас

9.98

10,28

2,9

Гватемала

2,44

2,99

15,0

Никарагуа

15.81

17.80

11,2

Источник: World Neighbours, 2000.

Добавление органических веществ в почву обычно увеличивается влагоемкость почвы. Это потому, что добавление органических вещество увеличивает количество микропор и макропор в почве либо «Склеивание» частиц почвы вместе или путем создания благоприятной жизни условия для почвенных организмов.Некоторые типы органических веществ в почве могут задерживать в 20 раз больше их веса в воде (Reicosky, 2005). Хадсон (1994) показал, что на каждый 1-процентный прирост органического вещества в почве — доступный запас воды емкость в почве увеличилась на 3,7 процента. Почвенная вода удерживается клеем и когезионные силы в почве и увеличение порового пространства приведет к увеличение водоудерживающей способности почвы. Как следствие, меньше поливная вода необходима для полива той же культуры (Таблица 5).

ТАБЛИЦА 5
Экономия поливной воды через почвенный покров, Бразильский Cerrados

Страна

Агро Экологически
звуковых практик
(см)

Обычный
практики

Разница
(%)

Гондурас

9.98

10,28

2,9

Гватемала

2,44

2,99

15,0

Никарагуа

15.81

17.80

11,2

Источник: Перейра, личное общение, 2001.

Снижение эрозии почвы и улучшение Качество воды

Чем меньше почва покрыта растительностью, мульчей, растениями остатки и т. д., тем больше почва подвергается воздействию капель дождя. Когда дождевая капля поражает оголенную почву, энергия скорости отделяет отдельную почву частицы из комков почвы.Эти частицы могут забивать поверхностные поры и образовывать много тонкие, довольно непроницаемые слои осадка на поверхности, называемые поверхностные корки. Они могут варьироваться от нескольких миллиметров до 1 см или более; И они обычно состоят из песчаных или илистых частиц. Эти поверхностные корки препятствуют Прохождение дождевой воды в профиль с последующим стоком увеличивается. Это разрушение почвенных агрегатов каплями дождя на более мелкие частиц зависит от стабильности агрегатов, которая в значительной степени зависит от содержание органического вещества.

Увеличение почвенного покрова может привести к снижению скорости эрозии почвы близко к скорости регенерации почвы или даже ниже, как сообщает Дебарба и Amado (1997) для системы выращивания овса и вики / кукурузы (рисунок 16).

Эрозия почвы заполняет поверхностные водоемы осадком, уменьшая их емкость для хранения воды. Седиментация также уменьшает буферизацию и фильтрующая способность водно-болотных угодий и способность борьбы с наводнениями поймы.Осадок в поверхностных водах увеличивает износ гидроэлектростанций установки и насосы, что приводит к увеличению затрат на техническое обслуживание и больше частая замена турбин. Отложения также могут достигать моря (фото 23), наносит вред рыбе, моллюскам и кораллам. Эродированная почва содержит удобрения, пестициды и гербициды; все источники потенциально вредных внешних воздействий.

Когда почва защищена мульчей, больше воды проникает в почву, а не убегая с поверхности.Это приводит к подаче потоков больше подповерхностным потоком, а не поверхностным стоком. Следствием является то, что поверхностная вода более чистая и по сравнению с грунтовыми с областями, где преобладают эрозия и сток. Большая инфильтрация должна уменьшить затопление за счет увеличения запаса воды в почве и медленного выброса в ручьи. Увеличенная инфильтрация также улучшает пополнение подземных вод, таким образом увеличивая хорошо принадлежности.

РИСУНОК 16
Потеря почвы из-за водной эрозии для различных Системы посева кукурузы

Примечание: исправлено с регенерацией почвы = 1.7 т / га / год.
Источник: Debarba and Amado, 1997.

Bassi (2000) сообщили о значительном сокращении воды концентрация мутности и наносов в течение десяти лет (1988-1997 гг.) в различные зоны охвата на юге Бразилии. Сокращения варьировались между 50 и 80 процентов в зависимости от местных преобладающих типов почвы. Эти сокращения были вызваны увеличением частоты посадки многолетних культур (банан и пастбищ) на склонах холмов, тем самым снижая эрозионный потенциал.Общий осадок потери сократились на 16 процентов, а стоимость удобрений снизилась на 21 процент; признак предыдущей потери удобрений с эродированной почвой. Guimarães, Buaski и Masquieto (2005) иллюстрируют тот же эффект для одного конкретный водосбор. Водосборная площадь Риу-ду-Кампу, штат Парана, обеспечивает 80 процентов водоснабжения Кампо Мурао, города с городским население 357 000 человек. В период 1982-1999 гг. произошло резкое сокращение мутность была измерена (рис. 17).

Осадок и растворенные органические вещества в поверхностных водах должны быть удалены из питьевого водоснабжения. Уменьшенная эрозия и, следовательно, меньше почвы Частицы в суспензии приводят к снижению затрат на очистку воды. Данные из Шапеко, Бразилия, указывает, что количество используемого сульфата алюминия для флокуляции взвешенных веществ упал на 46 процентов за пять лет. Где вода хлорируется, чтобы убить болезнетворные организмы, хлор вступает в реакцию с растворенным органическое вещество с образованием соединений тригалогенметана (ТГМ), таких как хлороформ.ТГМ подозреваются в возникновении рака (Fawcett, 1997). Сокращение стока и эрозия должна привести к снижению образования ТГМ при хлорировании обработать.

Эрозия может также иметь долгосрочные вторичные последствия через воздействие на рост растений и поступление мусора (Gregorich et al ., 1998). Если эрозия подавляет производительность, ограничивая тем самым пополнение органическое вещество, количество органического вещества может по спирали вниз в течение длительного срок.

Почвенный покров защищает почву от воздействия капель дождя, предотвращает потерю воды из почвы за счет испарения, а также защищает почва от нагревательного эффекта солнца. Температура почвы влияет на поглощение воды и питательных веществ растениями, прорастание семян и корней развитие, а также микробная активность почвы и корка и упрочнение почва.

Корни поглощают больше воды при более высоких температурах почвы до максимум 35 ° С.Более высокие температуры ограничивают водопоглощение. Почва слишком высокие температуры являются основным препятствием для растениеводства во многих части тропиков. Максимальная температура превышает 40 ° C на глубине 5 см и 50 ° C на глубине 1 см обычно наблюдаются в пахотной почве во время вегетационный период, иногда с экстремальными значениями до 70 ° C. Такой высокий температура оказывает негативное влияние не только на рассаду и урожай рост, но и на рост и развитие популяции микроорганизмов.Идеальная температура корневой зоны для прорастания и роста рассады варьируется от От 25 до 35 ° С. Эксперименты показали, что температура превышает 35 ° C резко сократить развитие рассады кукурузы и температуры превышение 40 ° C может снизить всхожесть семян сои почти до ноль.

Мульчирование с остатками или покровом регулирует почву температура. Почвенный покров отражает большую часть солнечной энергии обратно в атмосфера, и, следовательно, снижает температуру поверхности почвы.Это результаты при более низкой максимальной температуре почвы в мульчированном по сравнению с не измельченным грунтом (Рис. 18) и в уменьшенных колебаниях.

Пластина 23
Сток и потеря почвы сразу после ливня,
Наисский водосбор. Гора Зомба, Малави.

TF. SHAXSON

РИСУНОК 17
Развитие показателей мутности воды в водосборная площадь Риу-ду-Кампу, Парана, 1982-1999 гг.

Источник: Guimarães, Buaski и Masquieto, 2005.

РИСУНОК 18
Колебания температуры на глубине почвы 3 см в хлопковой культуре с и без почвенного покрова mucuna

Источник: Derpsch, 1993.


,

Важность органического вещества почвы

Важность органического вещества почвы



Увеличение растений производительность

Производительность растений тесно связана с органическим веществом (Bauer и Black, 1994). Следовательно, ландшафты с переменным органическим веществом обычно показать различия в производительности. Растения на хорошо аэрированных почвах меньше стресс от засухи или избытка воды.В почвах с меньшим уплотнением корни растений может проникать и процветать с большей готовностью. Высокое органическое вещество увеличивается производительность и, в свою очередь, высокая производительность увеличивает органическое вещество.

Увеличение удобрений эффективность

Два основных ограничения плодородия почв Западной Африки в саванне и в субгумидных и полузасушливых районах ССА присуще мало запас питательных веществ и быстрое подкисление при непрерывном культивировании как следствие низкой буферной или катионообменной емкости (Jones and Wild, 1975).Как правило, эти ограничения решаются путем применения химических удобрений и Лайм. Однако применение неорганических удобрений на истощенных почвах часто не обеспечивает ожидаемых выгод. Это в основном из-за низкого органического вещество и низкая биологическая активность в почве.

Химические и пищевые преимущества органических веществ связанные с круговоротом питательных веществ для растений и способностью почвы обеспечивать питательные вещества для роста растений.Органическое вещество сохраняет питательные вещества растений и предотвращает их выщелачивание в более глубокие слои почвы. Микроорганизмы несут ответственность за минерализация и иммобилизация N, P и S путем разложения органическое вещество (Duxbury, Smith and Doran, 1989). Таким образом, они способствуют постепенное и непрерывное выделение питательных веществ для растений. Доступные питательные вещества, которые не поглощаются растениями, задерживаются почвенными организмами. В органическом веществе истощенные почвы, эти питательные вещества будут потеряны из системы в результате выщелачивания и сток.

Фосфатная фиксация и недоступность — главная почва ограничение плодородия в кислых почвах, содержащих большое количество свободного железа и оксиды алюминия. При сравнении П-сорбционной способности поверхности и недр Uehara and Gilman (1981) предоставили косвенные доказательства того, что почва органическое вещество может снизить P-сорбционную способность таких почв. Из этого следует что для почв с высокой степенью P-фиксации, то есть почв с высоким содержанием оксидов, полученных из вулканических и ферромагнезиальные породы, системы управления, способные накапливать и поддержание большего количества насыщенного кальцием органического вещества почвы в Поверхностный горизонт увеличил бы доступность P как из органических, так и из удобрений источники.

Слабые кислоты, такие как органические кислоты в гумусе, не отказаться от их водорода (H) легко. H является частью гумуса карбоксила (-COOH) в кислых условиях. Когда почва известкована и кислотность снижается, более высокая тенденция к удалению H + из гуминовых кислот и реакции с гидроксилом (OH-) с образованием воды. Карбоксильные группы на гумусе развиваются отрицательный заряд, так как положительно заряженный H удаляется. Когда рН почвы увеличение, высвобождение H из карбоксильных групп помогает предотвратить увеличение рН и в то же время создает ЦИК (отрицательный заряд).С увеличением органическое вещество, почва восстанавливает свою естественную буферную емкость; это означает повышение рН в кислых почвах (рис. 19).

РИСУНОК 19
Влияние органических веществ на почву pH

Примечание. Исходный уровень pH составлял 5,3.
Источник: Mielniczuk, 1996.

ТАБЛИЦА 6
Количество извести в профиле почвы под различные почвенные покровы за тот же период после поверхности заявка

Обложка

Глубина почвы
(см)

Голый грунт

0-7

Черный овес

0-20

Редька

0-22

ЦИК тесно связан с содержанием органических веществ в почва.Это постепенно увеличивается со временем, где органические остатки сохраняются, сначала в верхнем слое почвы, а затем и на большей глубине. Crovetto (1997) сообщил увеличение CEC на 136 процентов (с 11 до 26 мэкв / 100 г почвы) как следствие увеличения гумуса в верхнем слое почвы после 20 лет удержание.

Чтобы преодолеть кислотность, известь обычно включается в почву. Однако органическое вещество на поверхности почвы способствует транспортировке кальция. карбонат (известь) для более глубоких слоев почвы после поверхностного применения (таблица 6).

Растительные остатки выделяют органические кислоты, которые вызывают известь проникают глубже в профиль гораздо быстрее, чем при нанесении на голый почва. Таким образом, больше нет необходимости интенсивно смешивать известь с почвой, который подходит для систем земледелия, основанных на сниженном или нулевом обработка почвы.

Уменьшенное заболачивание

В главе 5 рассмотрена способность хранения почв под водой. улучшенное органическое управление. Однако в случае заболачивания органическое вещество играет также важную роль.Биотурбирующая активность листьев макрофауны различные так называемые проводящие макропоры в почве, которые ответственны за дренаж воды в более глубокие слои почвы.

Chan и др. . (2003) обнаружили значительное снижение заболачивание через три года без обработки почвы по сравнению с обычными обработка почвы. Снижение было связано с более высокой плотностью проводящих макропор (140 / м 2 и 5 / м 2 без обработки почвы и обычной обработки почвы, соответственно), что было связано с более высокой плотностью популяции дождевых червей (240 / м 2 и 36 / м 2 без обработки почвы и обычной обработки почвы, соответственно).Пластины 24 обеспечивают демонстрацию этого эффекта.

Увеличение урожайности

Агрономические практики, которые влияют на круговорот питательных веществ, особенно минерализация и иммобилизация, приводят к немедленному увеличение или уменьшение производительности, что отражается на экономике сельскохозяйственная система.

Урожайность в системах с высоким содержанием органического вещества в почве менее изменчивы, чем в почве с низким содержанием органических веществ. Это из-за стабилизирующего воздействия благоприятных условий почвенных свойств и микроклимат.Улучшения в росте урожая и энергии проистекают из прямого и косвенные эффекты. Прямые эффекты связаны с улучшением питательных веществ и воды содержание, как описано выше (также вставка 8). Косвенные эффекты проистекают из благоприятная среда укоренения и возможное подавление сорняков и сокращение вредители и болезни.

Тарелка 24
В условиях отсутствия обработки почвы система внутренних пор
почвы не разрушается при подготовке земли
деятельность и возможность слить дождевую воду из
поверхность к более глубоким слоям (слева).На голой почве удар
дождевых капель приводит к герметизации поверхностных пор и
таким образом, плохой дренаж.

A. BOT

BOX 8
Улучшенное управление органическими веществами платить?

Существует несколько способов расчета рентабельности фермы. В общем, основные параметры, такие как расходы, доходы, доходность, себестоимость продукции и валовая прибыль используются для анализа того, насколько хорошо фермерам удалось достичь доход.Однако в тех районах, где вода является ограничивающим фактором, она может быть более полезно проанализировать превращение воды в урожай или даже в деньги. Следующий пример иллюстрирует различные способы сравнения результатов хозяйств и их системы обрезки. Он основан на результатах обрезки 16 ферм с посевная площадь 60 000 га в Австралии. Одна треть этой поверхности обрезается обычным способом (КТ), используя интенсивные методы обработки почвы, огонь и несколько пассажи с гербицидами для борьбы с сорняками.Две трети площади обрезано с целью сохранить как можно больше грунтового покрова и, таким образом, улучшить содержание органического вещества в почве, используя специальные сеялки и гербициды для борьба с сорняками, также известная как сохранение сельского хозяйства (MT). Анализ Данные системы обрезки за три года дали следующие валовые прибыли для три севооборота (пшеница, нут и сорго):

Однако, при использовании эффективности использования воды (WUE) в качестве средства Сравнивая результаты по системам фермерства, результаты еще более радикальные.В этот случай, а не общий метод определения WUE путем взлома приправить паром и посевными компонентами, общий коэффициент эффективности водопользования использовался. И урожай зерна, и валовая прибыль делятся на общее количество воды, чтобы получить понимание того, насколько хорошо фермеры справились с преобразованием воды в урожай и деньги в 1997 году.

Источник: Rummery and Coleman, 1999.

Иммобилизация N может происходить в системах с остатками урожая управление, особенно там, где соотношение остатков C: N высокое (жесткое, древесное материалы).Это может привести к снижению урожайности кукурузы. Рисунок 20 показывает эффект обработки почвы и сохранения растительных остатков на урожайность кукурузы. сохранение остатков пшеницы и хрена на поверхности почвы привело к иммобилизация N, которая была преодолена путем применения N удобрений. Исходя из этих данных, кукуруза с овсом, люпином и викой в ​​качестве озимой культуры (без оплодотворения) может производить урожай, который сопоставим с или выше чем те, которые получены с обычной обработкой почвы и обработки удобрений 90 кг / га.В этом случае увеличение урожайности сильно коррелировало с содержанием Р листьев и наличие P в почве. Это произошло из-за более высокое содержание влаги в почве под слоем мульчи, что привело к более P поглощается корнями растений.

Зерновые культуры также могут оказывать остаточное влияние друг на друга через разложение химических соединений в остатках.

Уменьшенный гербицид и пестицид использовать

Некоторые люди обеспокоены тем, что усиленные системы с уменьшение или нулевая обработка почвы увеличит использование гербицидов и, в свою очередь, приведет к повышенное загрязнение воды гербицидами.Согласно Фосетту (1997), общее использование гербицидов в Соединенных Штатах Америки за этот период сократилось принятия беспахотных систем. Он заключает, что гербициды важны, но фермеры, использующие обычные методы обработки почвы, используют аналогичные количества гербициды фермерам без обработки почвы. В Гондурасе резко сократилось использование гербицидов не наблюдалось (рис. 21). Фермеры, которые больше не сжигают свои поля перед подготовкой тратят меньше денег на гербициды.Фермеры, которые имеют принял систему Quezungual тратить меньше на гербициды и делать сбережения, как в сроки подготовки земли и общие расходы.

Становится очевидным, что необходимость применения гербицидов со временем уменьшается в хорошо управляемых системах возделывания без обработки почвы. Основной причина в том, что система уменьшает существующий банк семян в почве Синергия двух видов деятельности: сокращение производства новых семян за счет избежание цветения и посадки фруктов; и сокращение семян, которые всплыл на поверхность с помощью методов обработки почвы.

РИСУНОК 20
Урожай кукурузы при обычной обработке почвы и прямой посев с 90 кг азотных удобрений и без них

Источник: Calegari, 1998.

РИСУНОК 21
Затраты на гербициды в разных производствах системы в Лемпире-Сур, Гондурас

Источник: CDR, 200

При прямом посеве резервуар семян отличается от обычная обработка почвы, потому что:

  • семена сорняков остаются на поверхности почвы, где они подвержены атакам насекомых, птицы и почвенные организмы и к атмосферным воздействиям;

  • почва остается покрытой остатки, которые предотвращают попадание света на семена и тем самым уменьшают всхожесть;

  • семян сорняков уже на определенном глубины не выводятся на поверхность снова, где они могли бы прорастают;

  • многолетних сорняков больше не перераспределяется по оборудованию.

Результатом является то, что запас семян сорных растений со временем уменьшается и, следовательно, проблема сорняков также уменьшается, как и необходимость использования гербициды. Концентрация органического вещества почвы в верхнем слое почвы играет Важная роль в поглощении гербицидов. Когда концентрация органическое вещество в верхнем слое почвы уменьшается, загрязнение окружающей среды гербициды, вероятно, увеличатся. Повышенные уровни органического вещества вызывают усиленная адсорбция пестицидов с последующей постепенной деградацией.Гербициды, как и другие пестициды, могут использоваться микроорганизмами в качестве субстрата для питания (Haney, Senseman and Hons, 2002). Гербициды разрушаются в почве и воде микроорганизмами в природные кислоты, NH 4 , аминокислоты, углеводы, фосфаты и CO 2 (Schuette, 1998). Как микробы вызывают более быстрое разложение пестицидов, усиление микробной активности может уменьшить выщелачивание пестицидов.

Многие гербициды, включая глифосат и паракват, которые наиболее распространенные гербициды, используемые в системах с ограниченной обработкой почвы, тесно связаны с глина и органическое вещество под действием электростатических сил и водородных связей.Однажды они связаны с органическим веществом почвы, гербициды становятся неактивными и больше не влияет на растения. Кроме того, они могут образовывать нерастворимые комплексы с металлами в почвы. Это также способствует их редкой устойчивости в почве и низкой потенциал для выщелачивания в подземные воды (Аренс, 1994a, 1994b). Некоторые исследования показали, что нет оснований полагать, что глифосат может вызывать неожиданный ущерб окружающей среде (Торстенсон, 1985). Тем не менее, другие исследования проиллюстрировать негативное влияние на жизнь почвы или ее функции.

Системы земледелия, повышающие содержание органического вещества в почве (например, без обработки почвы) уменьшить вероятность загрязнения окружающей среды гербициды.

Увеличение биологического разнообразия

Традиционное сельское хозяйство имеет тенденцию к сокращению подземное разнообразие. Таким образом, это приводит к значительным изменениям в структура растительности, покров и ландшафт. Изменение растительного покрова во время преобразование леса и пастбищ в посевы влияет на растения, животных и микроорганизмы.За счет усиления специализации определенных видов растений (продовольственные и волокнистые культуры, пастбищные и кормовые культуры, а также древесные культуры) и животноводство видов, некоторые функции могут быть серьезно затронуты, например, круговорот питательных веществ и биологический контроль. Некоторые неубранные или связанные виды получают выгоду от изменить и стать вредителями. Тем не менее, многие организмы либо полностью исчезают, либо их количество резко сокращается, например, опылители и полезные хищники, если не предпринимаются усилия для сохранения подходящей среды обитания (вставка 9).

Связанные виды можно управлять в определенной степени. Через соответствующие севообороты, взаимодействие сельскохозяйственных культур и скота и сохранение почвенный покров, среда обитания может быть создана для ряда видов, которые питаются вредителями. Это в свою очередь привлечет больше насекомых, птиц и других животных. Таким образом, вращения и ассоциации сельскохозяйственных культур и покровных культур, а также живых изгородей и полевых границ продвигать биоразнообразие и экологические функции. Из-за сложности и богатство почвенного биоразнообразия, последствия управления урожаем и пастбищами менее понятенОднако влияние на определенные функциональные группы и, следовательно, определенные функции почвы все более и более признаются жизненно важными для производительность сельского хозяйства и устойчивость системы.

BOX 9
Влияние различных способов обработки почвы на скарабея жук-личинка и их объемы

До преобразования родных лугов и лесов в сельскохозяйственные районы, большое количество видов жуков-скарабеев и их личинки (белые личинки) населяли почвы на юге Бразилии.С преобразование этих областей, некоторые из этих жуков исчезли, в то время как другие стал настолько хорошо адаптирован и, не имея биологического контроля агентов, стал важным почвенные вредители. Тем не менее, есть и другие виды, которые можно рассматривать как факультативные вредители. Личинки предпочитают питаться на поверхности мусора или поверхности отложенные экскременты животных, но могут стать вредителями, если не достаточно поверхностного мусора присутствует для них, чтобы питаться, как роды Diloboderus и Ботинус .Большие жуки создают большие, постоянные галереи (отверстия) в почва на глубину более 1 м, в которой они проводят большую часть своего жизни. Отверстия могут служить преимущественными путями для проникновения воды и рост корней, и камеры становятся нишами повышенной плодородия почвы. Обе палаты и галереи обеспечивают временное и постоянное убежище для многих других почвенные беспозвоночные и микрофауна.

Исследование показало, что жвачечные отверстия жука были более обильными без обработки почвы (NT) (8.8-9,6 л / м (2 ), чем обычная обработка почвы (CT) (0,7-1,3 отверстия / м 2 ). Самые большие и глубокие отверстия были также встречается в НТ (до 33,5 мм в диаметре и до 117 см в глубину). Следовательно, общее Объем пор, открытых в НТ (450-503 см 3 ) составил почти в 10 раз больше, чем в КТ (53-107 см 3 ).

Источник: Brown и др. ., 2003.

Почва обладает способностью восстанавливать процессы жизнеобеспечения при условии, что возмущение не слишком сильное и достаточно времени разрешено для такого восстановления.Органическое вещество и биоразнообразие почвенных организмов движущие факторы в этой реставрации. Уменьшение количества и типов почвы организмы и доступный субстрат (органическое вещество) приводят к снижению устойчивость, которая, в свою очередь, может привести к нисходящей спирали деградация.

Устойчивость

Устойчивость можно определить как способность системы восстановить после беспокойства (Эллиот и Линч, 1994). Устойчивость почвы зависит от баланс между восстановительными и деградирующими процессами.Факторы, влияющие Устойчивость можно сгруппировать в две категории: эндогенные и экзогенные. Эндогенные факторы связаны с внутренними свойствами почвы (глубина укоренения, текстура, структура, топография и дренаж) и микроклимат и мезоклимат. Экзогенные факторы включают землепользование и систему земледелия, технологические инновации и управление ресурсами (Lal, 1994). Следовательно, соответствующие методы ведения сельского хозяйства могут влияют на эти факторы в целях повышения устойчивости почвы.

Органические вещества и почвенные организмы играют важную роль в сохранение и улучшение свойств почвы, связанных с ее упругостью.В дополнение к созданию большего количества пор благодаря биологической активности, органическое вещество играет важную роль в формировании и стабилизации почвенных агрегатов через связи между органическим веществом и минеральными частицами почвы. Почва агрегация может происходить через два связующих агента:

Сохранение стабильности агрегатов важно для уменьшить поверхностное уплотнение и увеличить скорость проникновения воды (Whitbread, Лефрой и Блэр, 1998).С увеличением стабильности поверхностный сток уменьшается (Рот, 1985).


,

Важность органического вещества почвы

Важность органического вещества почвы


Преобразование и перемещение материалов в почве пулы органических веществ — это динамичный процесс, подверженный влиянию климата, типа почвы, растительность и почвенные организмы. Все эти факторы действуют в рамках иерархической пространственный масштаб. Почвенные организмы ответственны за разрушение и циклирование обоих макроэлементы и микроэлементы, и их активность влияет на структуру, Отклонение и продуктивность почвы.

В естественных влажных и субвлажных лесных экосистемах без человека возмущение, живые и неживые компоненты находятся в динамическом равновесии друг с другом (рисунок 4). Подстилка на поверхности почвы под разными слои навеса и высокое производство биомассы обычно приводят к высоким биологическим активность в почве и на поверхности почвы. Моллисон и Слэй (1991) Различают следующие пять механизмов:

  • сплошной грунт покров живых растений, что вместе с почвенной архитектурой облегчает улавливание и инфильтрация дождевой воды и защита почвы;

  • слой подстилки разложения листья или остатки, обеспечивающие непрерывный источник энергии для макро- и микроорганизмы;

  • корни разных растений Распределение по всей почве на разных глубинах позволяет эффективно поглощать питательных веществ и активное взаимодействие с микроорганизмами;

  • основной период питательных веществ высвобождение микроорганизмами совпадает с основным периодом растения;

  • питательных веществ, переработанных глубоко укоренившиеся растения и почвенная макрофауна и микрофауна.

Это равновесие создает почти замкнутые передачи питательные вещества между почвой и растительностью, адаптированные к таким условиям участка, в результате почти идеальные физические и водные условия для роста растений, то есть прохладный микроклимат, повышенное суммарное испарение, хорошие условия укоренения с хорошей пористостью и достаточной влажностью почвы. Это облегчает воду инфильтрация и предотвращает эрозию и сток. Таким образом, это приводит к чистой воде в потоки, исходящие из области, относительно плавное изменение потока в течение года и пополнение запасов подземных вод.

РИСУНОК 4
Замкнутый цикл

В управляемых человеком системах биологическая активность почвы под влиянием системы землепользования, типов растений и методов управления. Глава 4 описывает влияние практики управления земельными ресурсами. Экологический и эдафические факторы, которые контролируют деятельность почвенной биоты, и, следовательно, баланс между накоплением и разложением органических веществ в почве, описаны ниже.

Температура

Несколько полевых исследований показали, что температура является ключевым фактор, контролирующий скорость разложения растительных остатков. декомпозиция обычно происходит быстрее в тропиках, чем в умеренных районах. Лэдд и Amato (1985) сообщил, что, несмотря на различия в растительном материале и климате структуры, разложение бобовых материалов в южной части Австралии следовал той же схеме, что и райграс для мест в Нигерии и Соединенное Королевство (Jenkinson and Ayanaba, 1977), хотя временные рамки были разные.Скорость реакции удваивается для каждого увеличения 8-9 ° C в среднем годовая температура воздуха. Относительно более высокая скорость разложения, вызванного непрерывное тепло в тропиках подразумевает, что высокие уровни равновесия Органические вещества трудно достичь в тропических агроэкосистемах. Следовательно, Для поддержания адекватной лабильности необходимы большие ежегодные нормы органических выбросов. почва органического вещества в культивируемых почвах. Почвы в более прохладном климате обычно имеют больше органического вещества из-за более медленной минерализации (разложения) ставки.

Влажность почвы и воды насыщенность

Уровни органического вещества в почве обычно увеличиваются как среднегодовые количество осадков увеличивается. Условия повышенного уровня влажности почвы в результате в большем производстве биомассы, которая обеспечивает больше остатков, и, следовательно, больше потенциальная пища для почвенной биоты.

Биологическая активность почвы требует воздуха и влаги. оптимальный микробная активность происходит при почти «полевой емкости», которая эквивалентно 60-процентному заполненному водой поровому пространству (Линн и Доран, 1984).

С другой стороны, периоды насыщения водой приводят к плохой аэрация. Большинство почвенных организмов нуждаются в кислороде, и, следовательно, сокращение кислорода в почва приводит к снижению скорости минерализации, поскольку эти организмы становятся неактивен или даже умрет. Некоторые из процессов трансформации становятся анаэробными, что может привести к повреждению корней растений, вызванному отходами или благоприятным условия для болезнетворных организмов. Продолжение производства и медленный Разложение может привести к очень большому содержанию органических веществ в почвах с длительным периоды водонасыщенности (например,грамм. торфяные почвы и чайные культуры в Индии).

За исключением регионов с повышенной влажностью климат Обширные территории влажного, субгумидного и полузасушливого тропиков характеризуются четкие влажные и сухие сезоны. В сухих влажных тропиках большое количество нитратов часто встречаются на поверхности почвы в течение первой части сезона дождей (Гренландия, 1958; Mueller-Harvey, Juo and Wild , 1989). Это ускорилось минерализация азота, вызванная большим увеличением микробной активности результат первых нескольких дождей, активирующих лабильную органическую почву иметь значение.

Фермеры, которые занимаются сельским хозяйством часто выбирают раннюю посадку, чтобы воспользоваться этим потоком неорганический N, прежде чем он будет потерян в результате выщелачивания и стока. В этих низких входных системы, количество нитратов, присутствующих в почве во время ранней части Сезон дождей тесно связан с содержанием органических веществ в почве. N доступность уменьшается в более позднюю часть сезона дождей.

Текстура почвы

Органическое вещество почвы имеет тенденцию к увеличению по мере содержания глины увеличивается.Это увеличение зависит от двух механизмов. Во-первых, связи между Поверхность частиц глины и органического вещества замедляют процесс разложения. Во-вторых, почвы с более высоким содержанием глины увеличивают потенциал для скопления образование. Макроагрегаты физически защищают молекулы органического вещества от дальнейшая минерализация, вызванная микробной атакой (Rice, 2002). Например, когда черви отливают и большие частицы почвы, которые они содержат, разделяются совместное действие нескольких факторов (климат, рост растений и других организмов), питательные вещества высвобождаются и становятся доступными для других компонентов почвы микроорганизмы.

При сходных климатических условиях содержание органического вещества в мелкозернистых (глинистых) почвах в два-четыре раза больше, чем в грубо текстурированных (песчаные) почвы (Prasad and Power, 1997).

Каолинит, основной глинистый минерал во многих нагорных почвах в тропики, имеет гораздо меньшую удельную поверхность и способность к обмену питательных веществ, чем большинство других глинистых минералов. Поэтому каолиновые почвы содержат значительно меньше глинисто-гумусовые комплексы. Кроме того, незащищенные лабильные гуминовые вещества уязвимы для разложения при соответствующих условиях влажности почвы.Таким образом, высокий уровень органического вещества трудно поддерживать в культивируемом каолините почвы в влажно-сухих тропиках, потому что климат и почвенные условия способствуют быстрому разложение. Напротив, органическое вещество может сохраняться в виде органооксидных комплексов. в почвах, богатых оксидами железа и алюминия. Такие свойства способствуют образованию почвенных микроагрегатов, характерных для многих тонко текстурированных, богатых оксидом, высоко почвы с базовым статусом в тропиках (Uehara, Gilman, 1981). Эти почвы известен своей низкой объемной плотностью, высокой микропористостью и высоким содержанием органических веществ удержание под естественной растительностью, а также для их высокой фосфатной фиксации емкость по оксидам при использовании для растениеводства.Современные знания предполагают что в то время как органическое вещество способствует темному цвету вертисолов (Coulombe, Dixon and Wilding, 1996), это не считается важным в определение развития, устойчивости или устойчивости структуры в эти почвы (McGarry, 1996). Уровень органических веществ, как правило, низок в вертисолях; даже до 10 г / кг (Coulombe, Dixon and Wilding, 1996).

Исходный материал не влияет на накопление органических веществ только благодаря его влиянию на текстуру почвы.Почвы, развитые из богатых по своей природе материал, такой как базальт, является более плодородным, чем почвы, образованные из гранита материал, который содержит меньше минеральных питательных веществ. Более того, прежний опыт накопление большего количества органического вещества из-за обильных вегетативных рост.

Топография

Накоплению органических веществ часто отдают предпочтение на дне холмы. Есть две причины этого накопления: условия более влажные, чем в положениях со средним или верхним уклоном, и органическое вещество транспортируется в самая низкая точка в ландшафте через сток и эрозию.Точно так же почва уровни органического вещества выше на северных склонах (в северной Полушарие) по сравнению с южными склонами (и наоборот в Южное полушарие), потому что температура ниже (Quideau, 2002).

Соленость и кислотность

Соленость, токсичность и экстремальные значения рН почвы (кислотные или щелочные) приводит к плохому производству биомассы и, следовательно, к уменьшению добавок органических материя к почве. Например, pH влияет на образование гумуса двумя способами: разложение и производство биомассы.В сильно кислотных или сильнощелочных почвы, условия выращивания микроорганизмов плохие, что приводит к низким уровни биологического окисления органических веществ (Primavesi, 1984). Кислотность почвы также влияет на доступность питательных веществ для растений и тем самым регулирует косвенно производство биомассы и доступная пища для почвенной биоты. Грибы менее чувствительны, чем бактерии к кислым условиям почвы.

Растительность и биомасса производство

Скорость накопления органического вещества в почве во многом зависит на количество и качество ввода органического вещества.В тропических условиях, применение легко разлагаемых материалов с низким соотношением C: N, таких как зеленый навоз и зернобобовые культуры, способствующие разложению и кратковременному увеличение лабильного азотного пула в период вегетации. С другой применение растительных материалов с большим соотношением C: N и лигнином содержимое, такое как солома зерновых и травы (рис. 5), как правило, способствует питательным веществам иммобилизация, накопление органического вещества и образование гумуса, с повышенным потенциал для улучшения развития структуры почвы.

Растительные компоненты, такие как лигнин и другие полифенолы ретард разложение. В эксперименте на юге Нигерии, чтобы сравнить управление воздействие на накопление органического вещества в почве, трехлетний пар с Гвинеей трава ( Panicum максимум ), которая имеет высокое содержание лигнина, сохраняла уровень углерода сравним с уровнем под лесными парами. Однако, следуя за бобовые виды, такие как голубиный горох ( Cajanus Cajan ) вызвали значительное снижение общего C в почве (Juo and Lal, 1977).

Palm и Sanchez (1990) сообщили, что оба разложения скорость и N-релиз модели трех тропических бобовых ( Inga edulis, Cajanus Cajan и Erythrina spp . ) были связаны с суммой полифенольных соединений, таких как лигнин в листе. Эритрина листьев имели самые низкие концентрации полифенолов и самая быстрая скорость разложения три вида изучены.

Оборот корней также является важным добавлением гумуса в почву, и, следовательно, это важно для поглощения углерода.В В лесах большинство органических веществ добавляется в качестве поверхностного мусора. Однако в пастбищных экосистем, до двух третей органического вещества добавляется через распад корней (Quideau, 2002).

РИСУНОК 5
Состав листьев и корней бобовых и виды трав

Источник: Primavesi, 1984


,

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *