碳的踪迹,碳元素在自然界的循环变化

时间:2024-06-26 08:26:08

“在我们呼吸的空气中是含有二氧化碳,不过因为其所含的分量很少,不足以危及生命。在这个盆里盛有一些石灰水,当我昨天刚将其倒出时,它是完全清澈的。但是现在,你们仔细看一看它的表面,就可以看见一层透明薄膜,如果你们用针尖刺它一下,它立即就会破裂,很像是一层薄薄的冰。这物质究竟是什么呢?答案是:空气与石灰水接触,空气中的二氧化碳和石灰水化合而成为碳酸石灰。化合生成的碳酸石灰并不是白色粉末,而是一种透明的结晶薄膜。”

约尔道:“泥水匠在调和三合土时,我常常可以看到溶有石灰的水面上有这种薄膜。最开始我还以为它是冰,后来看到它在太阳下并不融化,才断定它是另一种物质。”

“那是碳酸石灰,它和我们盆中的薄膜一样,都是由空气中的二氧化碳与溶在水中的石灰化合而成的。既然现在说到这里,让我们再讲一下水泥匠的三合土吧。你们知道怎样制作三合土吗?在石灰窑中,烧石灰的人先用高温烧大量捣碎的石灰石,逐出其中的二氧化碳,使其只剩下石灰。水泥匠将石灰与水和为糊状,并混以沙土,就制成了所谓的三合土。三合土可以涂在砖石的隙缝中,增加建筑物的牢固性。三合土在刚刚制成时是糊状的,所以很容易涂到空隙里,之后一部分湿气蒸发逸出,在沙砾间露出微孔。于是,和了水的石灰就渐渐结合了大气中的二氧化碳,而结为坚硬的石灰石牢牢贴在墙壁上,变得不易脱落。

“我之前就已经说过了,在四周的空气中常常有二氧化碳存在着:三合土变硬,以及石灰水面上的薄膜都是证据。不过,二氧化碳在大气中的含量比例并不高,化学家用精密的仪器测算过空气中的二氧化碳,最终发现2000升空气中,至多只含有1升二氧化碳。那么每时每刻散至空气中的大量二氧化碳究竟都去哪里了?是植物将二氧化碳当作食物,每时每刻吸收着它。

“植物的叶子表面排列着无数的细孔,这些细孔称为叶孔,如图所示。一片叶子上的细孔数量在10亿个以上,只不过因为它们非常微小,所以只有使用显微镜才能看出来。我无法给你们看它们天然的形状,只能给你们看这张放大的图片。这些叶孔就像植物的小嘴,植物借助叶孔吸收二氧化碳,它吸收的并不是纯净的空气,而是动物排出体外的二氧化碳。二氧化碳通过无数叶孔被吸入叶肉中,叶子受到阳光的照射开始工作。它将二氧化碳中所含的碳和水制成某种化合物,而将未使用的氧气完全释放出来。换句话说,就是植物将二氧化碳分解为氧气和碳,并留下其中的碳。

碳的踪迹,碳元素在自然界的循环变化

图 叶孔放大图示

“我们要想分离因燃烧或氧化反应而化合的两种物质,是很困难的。化学家想要分解二氧化碳中化合的碳和氧,必须使用极为有效的药品,并使用复杂的方法和完备的实验器械,但植物的叶子仅仅依靠阳光的帮助,就能轻易、迅速完成这个过程。

“假如没有阳光,植物就不能消化它的主要食物——二氧化碳。这样的话,植物就会处于饥饿状态,茎叶将失去其展示健康的绿色,最终枯萎致死。这种因为缺乏阳光而产生的病态,叫‘黄化’或‘漂白’。所以,如果我们用一块瓦片盖在草上,瓦片下的小草过几天就会变为黄白色。种菜的人往往借此方法使某种蔬菜变得柔嫩,或减弱其怪异的味道。

“但是,另一方面,如果一株植物受了充足的阳光照射,就会立即夺去二氧化碳中的碳。氧气撇开了碳就从叶孔中逸出,又与氮气混合而成为可供呼吸、具有助燃作用的空气。过了一段时间,它依旧会带着新鲜的碳回来,再将碳留在植物的‘栈房’里,之后再独自跑到大气中去找碳。正如蜜蜂从窠巢出发到田野,又从田野回到窠巢,来来回回往返不已,蜜蜂出发时去找蜜浆,回来时安放蜜浆。氧气就像是住在植物窠巢里的一种蜜蜂,它从动物的血脉、燃烧的燃料和任何腐败的物质中找到碳,再将其带回并藏在植物中,然后再外出去寻找碳,这样循环不息。

“至于那些已经和氧气分离的碳,会留在植物中和水化合为某种化合物,接着会变为糖、树胶、油、淀粉、木质纤维以及其他植物质。最后,这些植物质会随着腐败作用以及动物体内的营养作用而分解。其中,碳又与氧气结合成为二氧化碳,并回到大气中以供给另一次植物吸收。植物吸收二氧化碳之后,又将其中的碳制成食物,以供给动物取用。

“我以前曾经说过,在木柴中的碳可能会再在面包中出现,还说过我们的确可以吃到变为柴薪的食物。爱弥儿,你还记不记得这些话?”

爱弥儿道:“我记得!我记得!你以前说的时候,我还没有完全了解,但现在我都了解了。一根木柴在炉膛中燃烧时,其中的碳会跑出来和氧气化合成为二氧化碳,并释放在空气中。之后,植物吸收这种气体,并将其作为食物,将其中的碳变为米、麦,或牛羊吃的草,这样我们就有了米饭、面包、牛肉、羊肉等食物。不过,木柴中的碳在释放到空气中后,说不定依旧会回到木柴中,再在炉膛中燃烧,也许经过了无数次这样的小循环,才又变为我们人类所需的食物。”

“没错,孩子,我们无法追究碳的踪迹。不过,大体说来,碳元素永不停息地循环着,从空气到植物、从植物到动物、从动物到空气……空气是一间公共‘栈房’,一切生物都从空气中得到制造各种生物的主要原料,氧气是这种原料的输送者。动物可以从作为食物的植物或别的动物处得到碳,之后借助氧气的帮助,将碳变为二氧化碳,并释放到空气中。植物从空气中得到这种不可呼吸的气体,将其中的氧气送还空气,留下碳用来制造人或动物的食物,所以动物界和植物界是互相依存的,前者制造二氧化碳供给后者,后者制造新鲜的氧气和营养的食物供给前者。”

约尔听见这样奇异的物质变化,很激动地说:“在你所讲的化学课中,这节课算是最神奇的。当你开头说你朋友的3个瓶子使厨师的脸变色时,我还以为你在讲笑话,我没有想到这竟是一个严肃又有趣的故事。”

“没错,孩子们,我讲的故事的确既严肃又有趣,也许对于你们这些孩子来说有点儿过于严肃了,不过我感觉植物和动物之间的协调生活是非常美妙的,所以我想要让你们了解它。”