Понятие о химическом равновесии, равновесии в экосистемах и его нарушение

Известно, что в процессе протекания химических реакций через некоторое время устанавливается равновесное состояние (химическое равновесие). При достижении системой химического равновесия число молекул составляющих вещество, перестает изменяться и остается постоянным во времени, но при неизменных внешних условиях.

Достижение системой состояния химического равновесия еще вовсе не означает, что она переходит в состояние покоя (носит нестатистический характер). При изменении внешних условий равновесие сдвигается в ту или иную сторону, но если внешние условия приобретают первоначальные значения, то вследствие буферности, система вновь возвращается в

исходное состояние. Бесконечно малое изменение внешних условий влечет за собой и бесконечно малое состояние равновесия. Отсюда следует, что большинство химических и биохимических реакций могут протекать как термодинамически равновесные процессы, т.е. они подчиняются общим условия достижения термодинамического равновесия. Химическая термодинамика позволяет предсказать концентрации реагентов в равновесной системе, влияние на них изменения внешних условий, также предвидеть или рассчитать максимальный выход полезного продукта, что имеет большое практическое значение.

Связь между равновесными концентрациями или парциаль­ными давлениями веществ - реагентов выражается законом действующих масс, который эмпирическим путем был установлен К. Гульбергом и П.Вааге еще в 1867 г.

Если химическая реакция достигла состояния равновесия, то это означает, что главные термодинамические константы будут равны:

∆G=0, ∆S=0 и ∆Н=0.

Химическое равновесие характеризуется основными термо­динамическими константами равновесия К_f,К_а, К_Р, К_c, К_x которые зависят только от температуры процесса. Например, для реакции типа:

АА + ЬВ ↔ lL + еЕ

вышеуказанные константы соответственно можно будет рассчитать из нижеследующих выражений:

(11)

где f_L,f_E,f_A,и f_B это равновесные фугитивности (летучести) компонентов в смеси реальных газов:

(12)

где а_L а_Е, а_А и а_в - равновесные активности реагирующих компонентов в растворах;

(13)

где P_L, P_E, P_A и P_B - равновесные парциальные давления компонентов;

(14)

где C_L, C_E, C_A и С_B- равновесные молярные концентрации реагентов;

(15)

где n_L, n_E, n_A и n_B - количество молей реагентов и продуктов реакции, а ∆V - изменение количества компонентов в реакции.

Как известно, для качественного определения направления сдвига в химическом процессе используют эмпирическое правило Ле-Шателье - Брауна или принцип смещения равновесия, который гласит: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывают внешнее воздействие, то в системе происходит такое смещение равновесия, которое ослабляет это воздействие.

Допустим, например, что при окислении SО₂ в SО₃ в газовой фазе установилось химическое равновесие:

2SО₂+О₂ ↔ 2SО₃

Как будет влиять на установившееся равновесие увеличение давления Р от добавления инертного вещества N₂? Для выяснения этого вопроса рассуждаем следующим образом.

Если ∆V = 2-3 = -1, тогда (∑n_i)^-1 и

Отсюда получится, что К_х зависит от Р обратнопропорционально, поэтому при добавлении N₂ давление увеличится, ∑n_i также увеличиться, а количество (число) п₂(SO₃)- уменьшится. Или по принципу Ле-Шателье от увеличение давления равновесие сместиться в противоположную сторону, т.е. - влево, а выход S0з при этом уменьшиться.

или же

Для изучения влияния температуры на состояние равновесия, учитывая принцип Ле-Шателье, а также используя закон Вант-Гоффа можно записать, что:

(16)

где К_Т1 и К_Т2 - соответстветствующие термодинамическим температурам Т₁ и Т₂ константы скорости реакции.

Обязательное и неизбежное влияние условий внешней среды на состояние равновесия биологических (или в целом экологических) систем, и необходимость приспособления к условиям среды обитания привела к возникновению и становлению сложнейшей системы взаимосвязей и взаимных влияний между всеми членами экологических сообществ. Периодичность, вызванная суточными или сезонными изменениями, также является фактором, влияющим на структурную организацию экосистемы. Если, например, растения какого-либо вида появляются на свет на неделю раньше обычного - это может ограничить развитие, зависящих от этого растения и питающихся им, насекомых-консументов. Второй пример. Динамичность естественного равновесия между колорадским жуком и поедаемыми им пасленовыми растениями была нарушена человеком путем небывалого увеличения концентрации посевов картофеля и томатов, что привело к небывалой вспышке численности этого жука. В природных условиях равновесие быстро восстановилось бы за счет уменьшения количества (концентрации) съеденных жуком растений. Но, этому-то и препятствует человек с его ненасытной системой интенсивного земледелия.

Ниже мы рассмотрим подробнее примеры установления и нарушения экологических равновесий, а главное – методы устранения дисбаланса.

В природе существует около 500 тысяч различных видов растительноядных насекомых и большинство из них живут только на растениях одного вида, либо семейства. Это связано с постоянством пищевого рациона насекомых, обусловленного спецификой их метаболизма. Развитие бабочки-белянки зависит от растений семейства крестоцветных, ибо последние содержат необходимые им изотиоцианты и их глюкозидные предшественники. Несмотря на неудобную форму цветка пчелы все же собирают пыльцу и нектар с цветков клевера, так как в ней содержится нужная им октадекатриеновая кислота. Гусеницы тутового шелкопряда распознают нужную им пищу по присутствию в ней линалоола и его ацетатов:

и терпена - терпинеола, которые присутствуют в листьях тутовника. Многие насекомые (особенно тли) поедают лишь пищу содержащую сладкие углеводы и сахароподобные вещества. Так капустная моль и тля в присутствии специальных веществ -фагостимуляторов поедают содержащие глюкозу листья только тогда, когда в них содержится привлекающий ее глюкозид синигрин, строения:

Экспериментально установлено, что капустная тля будет питаться и другими растениями, если их предварительно через стебель подкормить синигрином. Гусеницы красивейшей бабочки махаона питаются только зонтичными растениями, содержащими метилхавикон или карвон. Вот почему с большим аппетитом они съедают и клочок бумаги, пропитанный карвономом.

Цветы орхидей рода Орпшз способны продуцировать смесь терпеноидов (в том числе фарнезол), имитирующую половой феромон перепончатокрылых рода (З.Оогу^ез. Привлеченные им самцы садятся на цветок и пытаются с ним спариться, что приводит к опылению орхидеи. У последней же других способов опыления и продолжения вида просто нет и сохранение этого рода орхидей целиком зависит от этой взаимосвязи.

В природе есть и противоположные примеры, когда растения продуцируют и выделяют для сохранения вида вещества -репелленты, отпугивающие насекомых. Так, растения вида Мерена со!ап'а активно продуцируют терпеноид непеталактон, строение которого очень близко к иридодиолю:

и его аналогам, которые в природных условиях используются муравьями в качестве защитных средств.

Целый ряд иридоидов, почти полностью защищающих ее от посягательств насекомых, продуцирует и Рсйгно!а роНдата. В то же время златоглазка поселяется и питается именно этими растениями только лишь благодаря привлечению совершенно безвредных для нее иридоидов.

Весьма любопытно и существование плотоядных («хищных») растений консументов, способных привлекать, ловить и поедать много видов насекомых, а также их взаимодействие с насекомыми. Оказывается, что специализированные клетки таких растений могут продуцировать не только запаховые и вкусовые вещества, но также и протеолитические ферменты для «переваривания» привлеченных и захваченных насекомых.

Известно немало известных примеров сознательного или случайного внедрения животных и растений в новые для них природные условия. Главным виновником таких непреднамеренных перемещений в мире фауны и флоры чаще бывает транспорт: корабли, поезда, самолеты, автомобили, а также животные и птицы.

Другой пример. Любое современное судно имеет на борту груз для улучшения его устойчивости и мореходных качеств. Балластом же обычно служит вода, взятая прямо из-за борта. Огромные современные грузовозы заполняют свои балластные цистерны сотнями тысяч тонн этой забортной воды. Вместе с ней насосы закачивают не только несметные количества микроорганизмов, но и более крупную живность: крабов, моллюсков, рачков, икру. Подсчитано, что в среднем в балластных водах одного судна присутствует свыше 400 разновидностей животных, микроорганизмов и растений. Если же эту балластную воду сбрасывают там, где соленость, температура, питательная среда устраивают эту привнесенную биологическую систему, то она начинает борьбу с местными обитателями за право существовать. Это, в конечном итоге, приводит к нарушению равновесия и возникновению нового экотона.

Так, учеными-экологами показано, например, что в бухте Сан-Франциско около 99% биомассы в настоящее время уже состоит из организмов ранее здесь вообще не живших, т.е. все они привнесены из других регионов.

Из Америки, лет 15 назад с балластной водой в Черное море случайно завезли беспозвоночное животное - гребневик (внешне он похож на медузу); это кишечнополостной хищник, который питается планктонными мелкими животными, мальками рыб и икрой. Здесь он нашел благоприятные условия для существования и настолько размножился, что уже за несколько лет подорвал основы местного рыболовства (за счет резкого уменьшения количества планктона, а следовательно и питающийся им рыбы - хамса, ставрида).

В Средней Европе такими же нежелательными новоселами стали американский енот-полоскун; тропическая жаба, куница, гигантские кавказские борщевики и др. Особо крупных, катастрофического для экосистемы масштаба событий из-за этих переселенцев в последние годы в Европе еще не случилось, но все же заметный урон природно-территориальные комплексы (фации) понесли.

В Новой Зеландии осы, по-видимому, завезенные из Германии, вместе с местными видами пчел съели почти всех гусениц в лесах. Теперь этот разбой грозит полным вымиранием местных видов бабочек, нарушением установившихся трофических связей и изменением всей экосистемы.

Завезенные из Австралии в Флориду деревья вида Ме1а1еиса попали там в благоприятные условия и быстро заняли большие территории, почти вытеснив аборигенные виды. Специалисты опасаются, что на острове будет нарушено экологическое равновесие.

Интенсификация международных транспортных связей и торговли, а также неуклонное потепление климата способствуют миграции различных видов животных и растений. Каждый комочек земли, прилипший к подошве, каждая складка в одежде могут стать транспортным средством для семян растений, готовых к переселению. В то же время борьба с переселившимися видами чрезвычайно сложна и итог ее может оказаться совсем не таким, на который мы рассчитываем.

Так, в свое время, в Северную Европу с предгорий Кавказа в качестве эксперимента, на специально отведенные опытные участки был специально завезен борщевик. Из-за высокой продуктивности и неприхотливости его рассчитывали использовать на корм скоту. Благодаря мощной корневой системе, неприхотливости, быстрому росту, способности к вегетативному размножению и полному отсутствию естественных врагов, борщевик в Европе занял огромные площади в том числе пахотных земель и продолжает интенсивно расселяться, захватывая все новые территории. А ведь это ядовитое растение вызывает у человека и животных тяжелейшие ожоги кожных покровов и слизистых, отеки Квинке и осложненные аллергические реакции. Сейчас в Германии, Чехии, Норвегии, Дании, Швеции и других странах на борьбу с борщевиком брошены огромные средства и силы, но безуспешно. Экспансия борщевика продолжается и чем закончится нарушенное равновесие пока неизвестно.

Однако, наиболее опасными организмами-переселенцами все же являются невидимые простым глазом бактериальные формы жизни и вирусы среди которых опасными являются не только болезнетворные. Рядом с ними можно поставить и многих насекомых. Так, специалисты-экологи считают опасными переселенцами паразитирующих на растениях щитовок, а также термитов и фараоновых муравьев, тараканов, клещей, малярийных комаров и т.д. В условиях тропического климата как сам носитель возбудителей болезней - «хозяин», так и переносчик - промежуточный «хозяин» перемещаются особенно легко. Например, переносчиками тропической лихорадки (малярии) являются комары анофелес. Глобальное потепление климата Земли способствует появлению этого комара не только в традиционных тропиках, но и во многих других климатических поясах. Сейчас отмечается их появление даже на широте умеренного пояса.

За свою историю планета Земля пережила немало природных катастроф, но, в конце концов, в согласии с законами термодинамики, подчиняющиеся им силы природы приводили все в состояние равновесия - не статическое, застывшее, а динамическое, подвижное и развивающееся. Сейчас же человек сознательно или невольно повсеместно вмешивается в веками эволюционно отлаженный природный равновесный порядок. И страдает от последствий такого насильственного вмешательства, прежде всего, сам человек.

Дата добавления: 2014-01-07