Как става преобразуването на енергията на слънчевата светлина в светлата и тъмната фази на фотосинтезата в енергията на химичните връзки на глюкозата? Обяснете отговора.

Отговор

В светлинната фаза на фотосинтезата енергията на слънчевата светлина се превръща в енергия на възбудени електрони, а след това енергията на възбудените електрони се превръща в енергия на ATP и NADPH-H2. В тъмната фаза на фотосинтезата енергията на ATP и NADP-H2 се превръща в енергията на химичните връзки на глюкозата.

Какво се случва по време на светлинната фаза на фотосинтезата?

Отговор

Електроните на хлорофила, възбудени от енергията на светлината, преминават по електронно-транспортните вериги, тяхната енергия се съхранява в ATP и NADPH-H2. Настъпва фотолиза на вода, освобождава се кислород.

Кои са основните процеси, протичащи по време на тъмната фаза на фотосинтезата?

Отговор

От въглероден диоксид, получен от атмосферата и водород, получен в леката фаза, се образува глюкоза поради енергията на АТФ, получена в леката фаза.

Каква е функцията на хлорофила в растителна клетка?

Отговор

Хлорофилът участва в процеса на фотосинтеза: в светлинната фаза хлорофилът абсорбира светлината, хлорофилният електрон получава светлинна енергия, прекъсва се и преминава по електронно-транспортната верига.

Каква е ролята на електроните в молекулите на хлорофила при фотосинтезата?

Отговор

Електроните на хлорофила, възбудени от слънчевата светлина, преминават по електронно-транспортните вериги и предават енергията си за образуването на АТФ и НАДФН-Н2.

На кой етап от фотосинтезата се образува свободен кислород?

Отговор

В светлинна фаза, по време на фотолизата на водата.

В каква фаза на фотосинтезата протича синтеза на АТФ?

Отговор

В светлинна фаза.

Кое вещество служи като източник на кислород по време на фотосинтезата?

Отговор

Вода (кислородът се отделя при фотолиза на вода).

Скоростта на фотосинтеза зависи от ограничаващи (ограничаващи) фактори, сред които се излъчват светлина, концентрация на въглероден диоксид, температура. Защо тези фактори са ограничаващи за фотосинтетичните реакции?

Отговор

Светлината е необходима за възбуждане на хлорофила, тя доставя енергия за процеса на фотосинтеза. Въглеродният диоксид е необходим в тъмната фаза на фотосинтезата, от него се синтезира глюкоза. Промяната в температурата води до денатурация на ензимите, фотосинтетичните реакции се забавят.

При какви метаболитни реакции в растенията въглеродният диоксид е първоначалното вещество за синтеза на въглехидрати?

Отговор

В реакциите на фотосинтезата.

В листата на растенията процесът на фотосинтеза е интензивен. Среща ли се в узрели и неузрели плодове? Обяснете отговора.

Отговор

Фотосинтезата се осъществява в зелените части на растенията, изложени на светлина. По този начин фотосинтезата се извършва в кожата на зелените плодове. Фотосинтезата не се случва вътре в плодовете и в кожата на узрелите (а не зелените) плодове.

Широко известно е, че Слънцето е небесно тяло (звезда), а слънчевата енергия всъщност е резултат от неговата жизнена дейност. Процесите, протичащи на него, освобождават огромно количество енергия, изхвърляйки я с невероятна скорост към нашата планета. Използване на енергията на слънчевата светлина хората се случват както съзнателно, така и несъзнателно. Плувайки в лъчите на Слънцето, не мислим, че енергията на тази звезда стартира редица важни процеси в тялото ни (например, витамин D се произвежда в кожата ни); благодарение на нея в растенията се случва фотосинтеза; кръговратът на водата в природата също е „нейна работа“. Приемаме това за даденост. Но това е само част от ролята на слънчевата енергия в живота ни.

Практическо използване на слънчевата енергия

Най-простият и познат на всички използване на слънчевата енергия - използването му в съвременните калкулатори (на много компактни слънчеви панели) и за битови нужди (сухи плодове, нагряване на вода в уличен резервоар за душ в страната). Движението на въздух, нагряван от слънчевата топлина, осигурява работата на вентилационната система и комини. Слънчевите лъчи се използват като изпарител за обезсоляване на морската вода. Слънцето е един от основните източници на енергия за дългосрочната работа на спътниците, както и превозни средства, използвани за изследване на космическото пространство. Автомобилите, задвижвани от електрическа енергия, все повече се въвеждат в живота ни.

Получаване и преобразуване на слънчевата енергия

Слънчевата енергия удря нашата планета под формата на три вида радиационни вълни: ултравиолетова, светлинна и инфрачервена.

Използване на слънчева енергия е насочен главно към генериране на топлина или електричество. Именно инфрачервените вълни, падащи върху специална повърхност, разработена от учените, се превръщат в това, от което се нуждаем.

И така, за извличане на топлина се използват колектор, който абсорбира инфрачервените вълни, устройство за съхранение, което го акумулира, и топлообменник, в който се извършва отоплението.

При генериране на електрическа енергия се използват специални фотоклетки. Те поглъщат лъчи светлина и подходящите инсталации превръщат тези лъчи в електричество.

Как да използваме слънчевата енергия могат да бъдат разделени според вида електроцентрала за нейната преработка. Те са шест.

Първи три: кула (структура под формата на черна кула с вода вътре и огледала наоколо), параболична (наподобява сателитни чинии с огледала отвътре), с форма на чиния (на външен вид те приличат на метално дърво с листа от огледала). Те могат да се комбинират, тъй като имат един и същ принцип на действие: те улавят определено количество светлина, насочват го към резервоар с течност, която се загрява и отделя пара, която от своя страна се използва за генериране на електричество.

Четвърто - оборудване с фотоклетки. Най-известният тип, тъй като размерите му могат да варират в зависимост от нуждата. Малките слънчеви панели се използват за нуждите на частните домакинства, а по-големите за индустриални нужди. Принципът на действие е да се генерира електричество от слънчевите лъчи, погълнати от фотоклетка, поради потенциалната разлика вътре в нея.

Петият - вакуум. Структурно това е парче земя, покрито с кръгъл стъклен покрив, вътре в който има кула с турбини в основата. Принципът на действие се състои в нагряване на земята под този покрив и появата на въздушно течение поради температурната разлика. Лопатките на турбината се въртят и генерират енергия.

Много от нас са срещали слънчеви клетки по един или друг начин. Някой е използвал или използва слънчеви панели за генериране на електричество за битови цели, някой използва малък слънчев панел, за да зареди любимата си джаджа на полето, а някой със сигурност е видял малка слънчева клетка на микрокалкулатор. Някои дори имаха късмета да го посетят.

Но замисляли ли сте се някога как протича процесът на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа? Какво физическо явление е в основата на работата на всички тези слънчеви клетки? Нека се обърнем към физиката и да разберем подробно процеса на генериране.

Още в самото начало е очевидно, че източникът на енергия тук е слънчевата светлина или, научно казано, се получава благодарение на фотоните на слънчевата радиация. Тези фотони могат да бъдат представени като поток от елементарни частици, непрекъснато движещи се от Слънцето, всеки от които има енергия и следователно целият светлинен поток носи някакъв вид енергия.

От всеки квадратен метър от повърхността на Слънцето непрекъснато се излъчват 63 MW енергия под формата на радиация! Максималната интензивност на това излъчване пада върху обхвата на видимия спектър -.

И така, учените са установили, че енергийната плътност на потока слънчева светлина на разстояние от Слънцето до Земята от 149 600 000 километра, след като премине през атмосферата и при достигане на повърхността на нашата планета, е средно около 900 вата на квадратен метър.

Тук можете да приемете тази енергия и да се опитате да получите електричество от нея, т.е. да преобразувате енергията на светлинния поток на слънцето в енергия на движещи се заредени частици, с други думи, в.

За да превърнем светлината в електричество, имаме нужда фотоелектрически преобразувател... Такива преобразуватели са много често срещани, намират се в свободната търговия, това са така наречените слънчеви клетки - фотоволтаични преобразуватели под формата на плочи, изрязани от силиций.

Най-добрите са монокристални, те имат ефективност от около 18%, тоест, ако фотонният поток от слънцето има енергийна плътност 900 W / m2, тогава можете да разчитате да получите 160 W електричество от квадратен метър батерия, сглобена от такива клетки.

Тук работи феномен, наречен "фотоелектричен ефект". Фотоелектричен ефект или фотоелектричен ефект - Това е феноменът на излъчването на електрони от дадено вещество (явлението на откъсване на електрони от атоми на вещество) под въздействието на светлина или друго електромагнитно излъчване.

Още през 1900 г. Макс Планк, бащата на квантовата физика, предлага светлината да се излъчва и абсорбира от отделни части или кванти, които по-късно, през 1926 г., химикът Гилбърт Луис ще нарече „фотони“.

Всеки фотон има енергия, която може да се определи по формулата E \u003d hv - константа на Планк, умножена по честотата на излъчване.

В съответствие с идеята на Макс Планк, явлението, открито през 1887 г. от Херц и след това задълбочено разследвано от 1888 до 1890 г. от Столетов, става обяснимо. Александър Столетов експериментално изследва фотоефекта и установява три закона на фотоефекта (законите на Столетов):

При постоянен спектрален състав на електромагнитното излъчване, падащо върху фотокатода, наситеният фототок е пропорционален на облъчването на катода (в противен случай: броят на фотоелектроните, избити от катода за 1 s, е пряко пропорционален на интензивността на лъчението).

Максималната начална скорост на фотоелектроните не зависи от интензивността на падащата светлина, а се определя само от нейната честота.

За всяко вещество има червена граница на фотоелектричния ефект, тоест минималната честота на светлината (в зависимост от химичното естество на веществото и състоянието на повърхността), под която фотоефектът е невъзможен.

По-късно, през 1905 г., Айнщайн ще изясни теорията за фотоелектричния ефект. Той ще покаже как квантовата теория на светлината и законът за запазване и преобразуване на енергията перфектно обясняват какво се случва и какво се наблюдава. Айнщайн записва уравнението на фотоелектричния ефект, за което печели Нобелова награда през 1921 г .:

Работни функции И тук е минималната работа, която един електрон трябва да свърши, за да остави атом от вещество. Вторият член е кинетичната енергия на електрона след изхода.

Тоест фотонът се абсорбира от електрона на атома, поради което кинетичната енергия на електрона в атома се увеличава с количеството енергия на абсорбирания фотон.

Част от тази енергия се изразходва за излизане на електрона от атома, електронът напуска атома и получава възможност да се движи свободно. А насочените движещи се електрони не са нищо друго освен електрически ток или фототок. В резултат на това можем да говорим за появата на ЕМП в дадено вещество в резултат на фотоелектричния ефект.

Това е, слънчевата батерия работи благодарение на фотоелектричния ефект, действащ в нея. Но къде се движат "избитите" електрони във фотоелектрическия преобразувател? Фотоволтаичен преобразувател или слънчева клетка или фотоклетка е, следователно, фотоелектричният ефект се появява в него по необичаен начин, той е вътрешен фотоелектричен ефект и дори има специално име "вентилен фотоелектричен ефект".

Под въздействието на слънчевата светлина възниква фотоелектричен ефект в pn прехода на полупроводник и се появява ЕМП, но електроните не напускат фотоклетката, всичко се случва в блокиращия слой, когато електроните напуснат една част от тялото, преминавайки в друга част от него.

Силицият в земната кора е 30% от неговата маса, поради което се използва навсякъде. Особеността на полупроводниците като цяло е, че те не са нито проводници, нито диелектрици, тяхната проводимост зависи от концентрацията на примеси, от температурата и от ефекта на радиацията.

Лентовата междина в полупроводника е няколко електронволта и това е само енергийната разлика между горното ниво на валентната лента на атомите, от която се изтеглят електроните, и долното ниво на проводимостта. Силицийът има лентова разлика между 1,12 eV - точно това, което е необходимо за абсорбиране на слънчевата радиация.

Така pn кръстовище. Легирани слоеве силиций във фотоклетката образуват pn връзка. Тук се получава енергийна бариера за електроните, те напускат валентната лента и се движат само в една посока, дупките се движат в обратната посока. Така се получава токът в слънчевата клетка, тоест протича генерирането на електричество от слънчевата светлина.

Pn преходът, изложен на действието на фотони, не позволява на носителите на заряд - електрони и дупки - да се движат по различен начин, отколкото само в една посока, те се отделят и се озовават от противоположните страни на бариерата. И когато е свързан към товарната верига през горния и долния електрод, фотоволтаичният преобразувател, когато е изложен на слънчева светлина, ще създаде във външната верига.

Учебник за 10-11 клас

Глава III. Осигуряване на клетки с енергия

Всеки жив организъм, като отделна клетка, е отворена система, тоест обменя материя и енергия с околната среда. Цялата съвкупност от ензимни реакции на метаболизма, протичащи в организма, се нарича метаболизъм (от гръцки „метабола“ - трансформация). Метаболизмът се състои от взаимосвързани асимилационни реакции - синтез на високомолекулни съединения (протеини, нуклеинови киселини, полизахариди, липиди) и дисимилация - разграждане и окисляване на органични вещества, които вървят с преобразуването на енергията. Усвояването, наричано още пластичен обмен, е невъзможно без енергия, отделена в резултат на дисимилация (енергиен обмен). Дисимилацията от своя страна не се случва без ензими, образувани в резултат на пластичния метаболизъм.

Всяко проявление на жизнена активност (абсорбция на вода и неорганични съединения, разтворени в нея, синтез на органични вещества, разделяне на полимери на мономери, генериране на топлина, движение и др.) Изисква изразходването на енергия.

Основният източник на енергия за всички живи същества, които обитават нашата планета, е енергията на слънчевата светлина. Той обаче се използва директно само от клетки на зелени растения, едноклетъчни водорасли, зелени и лилави бактерии. Тези клетки, благодарение на енергията на слънчевата светлина, са в състояние да синтезират органични вещества - въглехидрати, мазнини, протеини, нуклеинови киселини. Биосинтезата, която възниква при използване на светлинна енергия, се нарича фотосинтеза. Организмите, способни на фотосинтеза, се наричат \u200b\u200bфотоавтотрофни.

Първоначалните вещества за фотосинтеза са вода, въглероден диоксид на земната атмосфера, както и неорганични соли на азот, фосфор, сяра от водни тела и почва. Източникът на азот са също молекулите на атмосферния азот (N 2), които се усвояват от бактериите, живеещи в почвата и в кореновите възли на основно бобови растения. В същото време газообразният азот преминава в състава на амонячната молекула - NH 3, която впоследствие се използва за синтез на аминокиселини, протеини, нуклеинови киселини и други азотсъдържащи съединения. Възлестите бактерии и бобовите растения се нуждаят една от друга. Съвместното взаимноизгодно съществуване на различни видове организми се нарича симбиоза.

В допълнение към фотоавтотрофите, някои бактерии (водород, нитрифициращи, сярни бактерии и т.н.) също са способни да синтезират органични вещества от неорганични. Те извършват този синтез благодарение на енергията, отделена по време на окисляването на неорганични вещества. Те се наричат \u200b\u200bхемоавтотрофи. Процесът на хемосинтеза е открит през 1887 г. от руския микробиолог С. Н. Виноградски.

Всички живи същества на нашата планета, неспособни да синтезират органични вещества от неорганични съединения, се наричат \u200b\u200bхетеротрофи. Всички животни и хора живеят от слънчевата енергия, съхранявана от растенията, превърната в енергията на химичните връзки на новосинтезирани органични съединения.

Трябва да се отбележи, че както фотосинтетичните, така и хемосинтетичните организми също са способни да получават енергия поради окисляването на органични вещества. Хетеротрофите обаче получават тези вещества отвън готови, а автотрофите ги синтезират от неорганични съединения.

Фотосинтетичните клетки, абсорбирайки въглероден диоксид от атмосферата, отделят кислород в нея. Преди появата на фотосинтетични клетки на нашата планета, земната атмосфера е била лишена от кислород. С появата на фотосинтетичните организми постепенното запълване на атмосферата с кислород доведе до появата на клетки с нов тип енергиен апарат. Това бяха клетки, които произвеждат енергия чрез окисляване на готови органични съединения, главно въглехидрати и мазнини, с участието на атмосферен кислород като окислител. Когато органичните съединения се окисляват, се отделя енергия.

В резултат на насищането на атмосферата с кислород са възникнали аеробни клетки, които могат да използват кислород за енергия.

§ 11. Фотосинтеза. Преобразуване на светлинна енергия в енергия на химични връзки

Първите клетки, способни да усвоят енергията на слънчевата светлина, се появиха на Земята преди около 4 милиарда години в архейската ера. Това бяха цианобактерии (от гръцки "cyanos" - син). Техните вкаменелости са открити в шистови пластове, датиращи от този период в историята на Земята. Отне още 1,5 милиарда години за насищане на земната атмосфера с кислород и поява на аеробни клетки.

Очевидно е, че ролята на растенията и други фотосинтетични организми в развитието и поддържането на живота на нашата планета е изключително голяма: те преобразуват енергията на слънчевата светлина в енергията на химическите връзки на органични съединения, която след това се използва от всички останали живи същества; те насищат земната атмосфера с кислород, който служи за окисляване на органични вещества и по този начин извлича химическата енергия, съхранявана в тях от аеробни клетки; И накрая, някои растителни видове, в симбиоза с азотфиксиращи бактерии, въвеждат газообразен атмосферен азот в състава на амонячните молекули, неговите соли и органични азотсъдържащи съединения.

Ролята на зелените растения в планетарния живот трудно може да бъде надценена. Запазването и разширяването на зелената покривка на Земята е от решаващо значение за всички живи същества, които обитават нашата планета.

Съхранение на светлинна енергия в биологични "акумулатори". Слънчевият поток носи светлинни вълни с различна дължина. Растенията с помощта на светлинни "антени" (това са главно молекули хлорофил) поглъщат светлинни вълни на червената и синята част на спектъра. Хлорофилът предава светлинни вълни в зелената част на спектъра, без да се забавя и следователно растенията имат зелен цвят.

С помощта на светлинна енергия електрон в молекулата на хлорофила се прехвърля на по-високо енергийно ниво. Освен това този високоенергиен електрон, подобно на стъпала, скача по веригата от електронни носители, губейки енергия. В този случай енергията на електроните се изразходва за „зареждане“ на вид биологични „акумулатори“. Без да навлизаме в химичните особености на тяхната структура, нека кажем, че един от тях е аденозин трифосфат, който също се нарича аденозин трифосфат (съкратено - АТФ). Както вече беше споменато в § 6, ATP съдържа три остатъка от фосфорна киселина, свързани помежду си, които са свързани с аденозин. Схематично АТФ може да се опише с формулата: аденозин-F-F ~ F, където F е остатъкът от фосфорната киселина. В химическата връзка между втория и третия краен фосфат се съхранява енергия, от която електронът се отказва (такава специална химическа връзка е изобразена с вълнообразна линия). Това се случва в резултат на факта, че когато електронът прехвърля енергията си към аденозин дифосфат (аденозин-F-F, ADP), се добавя друг фосфат: ADP + F + E → ATP, където E е електронната енергия, която се съхранява в ATP. Когато АТФ се разцепва от ензима аденозин трифосфатаза (АТФаза), крайният фосфат се отделя и се отделя енергия:

В растителната клетка енергията от АТФ се използва за транспортиране на вода и соли, за клетъчно делене, растеж и движение (не забравяйте как главата на слънчогледа се завърта след Слънцето).

Енергията на АТФ е необходима за синтеза на глюкоза, нишесте, целулоза и други органични съединения в растенията. За синтеза на органични вещества в растенията обаче е необходим още един биологичен „акумулатор“, който съхранява енергията на светлината. Тази батерия има дълго, трудно за произнасяне име: никотин-амид аденин динуклеотид фосфат (съкратено като NADP, произнася се „over-ef“). Това съединение съществува във възстановена високоенергийна форма: NADPH (произнася се свръх-ef-пепел).

Изчерпаната с енергия окислена форма на това съединение е NADP + (изразен свръх-еф-плюс). Загубвайки един водороден атом и един електрон, NADP-H се превръща в NADP + и редуцира въглеродния диоксид (с участието на водни молекули) до глюкоза C 6 H 12 0 6; липсващите протони (Н +) се вземат от водната среда. В опростена форма този процес може да бъде записан като химично уравнение:

Въпреки това, когато въглеродният диоксид и водата се смесят, глюкозата не се образува. Това изисква не само възстановяващата сила на NADP-H, но и енергията на ATP и съединението, което свързва CO2, което се използва на междинните етапи на синтеза на глюкоза, както и редица ензими - биологични катализатори на този процес.

Фотолиза на вода. Как се генерира кислород по време на фотосинтезата? Факт е, че енергията на светлината се изразходва и за разцепване на водна молекула - фотолиза. В този случай протоните (H +), електроните (O и свободният кислород:

Електроните, образувани по време на фотолиза, компенсират загубите си с хлорофил (както се казва, те запълват "дупката", възникнала в хлорофила). Част от електроните с участието на протони намалява NADP + до NADP-H. Кислородът е страничен продукт от тази реакция (Фигура 19). Както се вижда от общото уравнение на синтеза на глюкоза, кислородът се освобождава.

Когато растенията използват енергия от слънчева светлина, те не се нуждаят от кислород. Въпреки това, при липса на слънчева светлина, растенията стават аеробни. На тъмно през нощта те консумират кислород и окисляват глюкоза, фруктоза, нишесте и други съединения, съхранявани през деня, ставайки като животни.

Светли и тъмни фази на фотосинтезата. В процеса на фотосинтеза се прави разлика между светла и тъмна фази. Когато растенията са осветени, светлинната енергия се превръща в енергията на химичните връзки ATP и NADP-H. Енергията на тези съединения се освобождава лесно и се използва вътре в растителната клетка за различни цели, главно за синтеза на глюкоза и други органични съединения. Следователно този начален етап на фотосинтезата се нарича светлинна фаза. Без осветяване от слънчева светлина или изкуствена светлина, в спектъра на които има червени и сини лъчи, синтезът на ATP и NADP-H в растителната клетка не настъпва. Когато обаче молекулите АТР и НАДФН вече са се натрупали в растителната клетка, синтезът на глюкоза може да се случи и на тъмно, без участието на светлина. За тези биохимични реакции не е необходимо осветяване, тъй като те вече са снабдени със светлинната енергия, съхранявана в биологични "акумулатори". Този етап на фотосинтеза се нарича темпова фаза.

Фигура: 19. Схема на фотосинтеза

Всички реакции на фотосинтеза протичат в хлоропласти - удебелени овални или кръгли образувания, разположени в цитоплазмата на растителна клетка (накратко за хлоропластите вече беше споменато в § 9). Всяка клетка съдържа 40-50 хлоропласти. Хлоропластите са ограничени отвън с двойна мембрана, а вътре в тях са тънки плоски торбички - тилакоиди, също ограничени от мембрани. Тилакоидите съдържат хлорофил, електронни носители и всички ензими, участващи в светлинната фаза на фотосинтезата, както и ADP, ATP, NADP + и NADP-H. Десетки тилакоиди са опаковани плътно в купчини, наречени гранаси. Във вътрешното пространство между зърната - в стромата на хлоропластите - са разположени ензими, които участват в редукцията на CO2 до глюкоза поради енергията на продуктите от светлинната фаза на фотосинтеза - АТФ и НАДФН. Следователно, реакциите на тъмната фаза на фотосинтезата се появяват в стромата, тясно свързана със светлинната фаза, която се разгръща в тилакоидите. Светлинната и тъмната фази на фотосинтезата са показани схематично на Фигура 19.

Хлоропластите имат свой собствен генетичен апарат - ДНК молекули и се размножават автономно в клетките. Смята се, че преди повече от 1,5 милиарда години те са били свободни микроорганизми, които са се превърнали в симбионти на растителни клетки.

1. Обяснете защо казваме, че първоначално слънцето доставя енергия за живот на Земята.
2. Обяснете защо фотосинтезата използва въглероден диоксид и вода и какъв е източникът на страничния продукт от фотосинтезата, т.е. кислород.
3. Как са свързани проблемите с фотосинтезата и осигуряването на храна за населението на света?
4. Защо по време на фотосинтезата енергията на слънчевата светлина, падаща върху листа, се превръща в енергия, съхранявана в органични съединения с ефективност от само около 1%? Каква е съдбата на останалата енергия?
5. Попълнете таблицата.