Scheikunde G31, V31 Kringlopen (scheikunde) Kenniskaarten

Scheikunde G31, V31 Kringlopen (scheikunde)
Kenniskaarten scheikunde biologie kringlopen totaaldocument een periode:



1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Leestekst met figuren
Vragen
Opdrachten
Koolstofkringloop, KK 200
Fotosynthese/verbranding, KK 202
Beïnvloeding fotosynthese/verbranding, KK 203
Relatieve luchtvochtigheid en temperatuur, KK 203
Berekening koolstof, stikstof in moleculen, KK 204
Stikstofkringloop, KK 211
Stikstofverbindingen, gehalteberekeningen en milieu, KK 211
Fosforkringloop. KK 220
KK 200 Koolstofkringloop
Klaas Althuizen 9 december 2015
0. Inleiding
Voor alle organismen is voedsel belangrijk. In voedsel zitten bouwstoffen en zijn er stoffen aanwezig om
energie te kunnen leveren. In ons voedsel zijn altijd koolstofproducten aanwezig. Deze koolstofproducten
noemen we organische stoffen. Ze bevatten altijd koolstofatomen. Alle koolstofproducten kunnen branden en
kunnen dus energie leveren. Veel voedsel bevat veel water. Wil men veel voedsel binnen krijgen dan kun je het
best voedsel eten met een zo hoog mogelijk gehalte aan koolstofproducten of organische stof.
1. Wat kunnen we zien in de koolstofkringloop? Stoffen doorlopen een kringloop, ze veranderen.
De koolstofkringloop is belangrijk omdat alle planten, dieren, schimmels en bacterien werken met het element
koolstof. Koolstof is een atoomsoort dat gebruikt wordt door alle organismen. Ze maken van deze stof allerlei
producten zoals koolhydraten, vetten en eiwit. De meeste van deze stoffen worden uiteindelijk verbrand. Kern
is dat alle levende organismen koolstof gebruiken in hun bouwstoffen of in hun brandstoffen. Deze processen
zijn in een kringloop gezet. Afvalstoffen dienen in de volgende schakel weer als beginstoffen. Deze kringloop
gaat voortdurend rond. Hierin zijn de fotosynthese (assimilatie) en de verbranding (dissimilatie) de
belangrijkste processen.
Wie inzicht heeft in de koolstofkringloop kan processen beter sturen en beïnvloeden.
Kunnen we de fotosynthese beïnvloeden of de verbranding van voedingsstoffen? Dat kunnen we door het
geven van de juiste hoeveelheden voedingsstoffen of het optimaliseren van temperatuur en luchtvochtigheid
of heveelheid licht. Planten gebruiken we om ons te voeden maar kunnen we planten of biomassa ook inzetten
om onze huizen te verwarmen of onze dieren te voeden?
Figuur 1: De fotosynthese en de verbranding zijn weergegeven in assimilatie en dissimilatie.
2. Het element koolstof. Houtskool, grafiet en diamant bestaan uit één atoomsoort (C, koolstof)
Het element koolstof heeft het scheikundige symbool C. Als we dit opzoeken in het periodiek systeem heeft het
nummer 6 en de atoommassa van koolstof is 12. Houtskool bestaat bijna geheel uit zuivere koolstof. Maar de
meeste koolstof zit in koolstofverbindingen die niet of nauwelijks lijken op houtskool. De meeste van jullie
hebben weleens gehoord van koolstofdioxide of koolzuurgas in prik. Dit molecuul bestaat uit een
koolstofatoom verbonden met twee zuurstofatomen. Deze verbinding is voor planten erg belangrijk omdat zij
dit gebruiken om glucose, vet of eiwit te maken. Verder kennen we nog koolstofverbindingen als fossiele
brandstoffen zoals in aardgas, aardolie, benzine en diesel. In een ver verleden zijn dit ook plantaardige stoffen
geweest. Koolhydraten, vetten en eiwitten van planten en de fossiele brandstoffen kunnen verbranden. Hierbij
is altijd zuurstof nodig en er komt altijd energie vrij. Vaak ontstaan hierbij reststoffen zoals koolstofdioxide
(CO2) en waterdamp (H2O).
CO2
CH4
C2H5OH
Figuur 2: Hierboven zie je moleculen van koolstofdioxide, water, methaan en ethanol.
Welke van de 4 verbindingen is geen koolstofverbinding.
3. Omzettingsprocessen in de koolstofkringloop. Verbranden, vergisten, fotosynthese.
Aan een paar omzettingsprocessen van de koolstofkringloop gaan we meer aandacht besteden, de
fotosynthese en de verbranding. Bij de fotosynthese wordt voeding gemaakt, deze voeding bestaat uit grote
moleculen die koolstof bevatten. Voorbeelden van grote koolstofmoleculen zijn: koolhydraten, vetten en
eiwitten. Een deel van de voeding wordt omgezet in bouwstoffen zoals eiwit. Een ander deel wordt verbrand.
Bij de verbranding komt deze energie weer vrij waarbij deze grote moleculen worden afgebroken in kleine
moleculen zoals koolstofdioxide en water. We zullen dus aandacht besteden aan voeding, aan moleculen en de
processen.
Voeding
Organisme en voeding
Organismen (planten, dieren, mensen, schimmels en bacteriën) hebben voedsel nodig:
- om energie op te wekken
- om te groeien of te herstellen
Figuur 3: Organismen hebben energie nodig om te bewegen en te groeien
4. Voeding, en wat is nou geen voeding? Voedingsstoffen bevatten energie.
Organismen nemen ook water en mineralen (of zouten) op. Deze worden niet tot de voedingsstoffen gerekend.
Ze worden wel gebruikt bij groei maar kunnen niet verbrand worden om energie mee op te wekken. Water en
mineralen (zouten) noemen we daarom anorganische stoffen. Ze zijn niet gemaakt door organismen.
Koolstofdioxide, water en zouten bestonden al op aarde voordat er leven was en hebben geen
verbrandingswaarde. (stookwaarde) Deze kleine moleculen worden door fotosynthese omgezet in grote
moleculen zoals glucose, zetmeel, vet of eiwit. Deze grote moleculen bevatten wel veel energie.
5. Organismen en de voedselkringloop.
Autotroof: planten maken voedsel. Heterotroof: dieren stelen voedsel (van planten)
Dieren eten planten als voedsel. In deze voedingsmiddelen zitten voedingsstoffen zoals eiwitten, vetten en
koolhydraten. Deze voedingsstoffen gebruikt je om te verbranden of om te groeien. Als ze stoffen verbranden
komt er weer koolstofdioxide (CO2) en water (H2O) vrij. Planten voeden zich niet. Ze maken zelf hun eigen
voedingsstoffen. We noemen planten daarom autotroof. Zij maken van koolstofdioxide en water de
energierijke stoffen zoals koolhydraten, vet en eiwit. Dieren en schimmels zijn heterotroof, ze leven van de
voedingsstoffen gemaakt door planten.
Figuur 4: Planten maken voedingsstoffen, dieren stelen voedingsstoffen. De resten van planten of dieren
worden door bodemorganismen verbrand waarbij ook koolstofdioxide en waterdamp vrijkomt.
De koolstofdioxide wordt via de lucht weer door planten opgenomen.
6. Vergisten
Als iets verteert wordt zonder te verbranden dan noemen dit vergisten. Vergisten gebeurt altijd zonder
zuurstof. Een mooi voorbeeld is het vergisten van mais in een kuil. Een klein deel van de suiker wordt nu
omgezet in zuur. Er gaat dus een deel van de suiker verloren. De kuil wordt op een gegeven moment zo zuur
dat alle organismen sterven, ook alle bacteriën en schimmels. Zo’n kuil is dan geconserveerd en kan niet meer
bederven of rotten. Men moet wel ervoor zorgen dat er geen zuurstof bij kan komen want anders kan er weer
verbranding door schimmels of bacteriën plaatsvinden.
Suiker
Wil men een goed vergistingsproces dan is de aanwezigheid van suiker (glucose) belangrijk. Planten maken
gedurende de dag tijdens de fotosynthese veel suiker. ’s Nacht wordt veel glucose weer opgebruikt dus ’s
morgens is er veel minder suiker in de planten aanwezig. Het is dus niet verstandig ’s morgens vroeg gras te
maaien voor in te kuilen. Wacht een aantal uren. Het gras heeft dan alweer flink wat suiker aangemaakt
(zonnige dag). Daarna zal het vergisten in de kuil veel beter verlopen.
’s Middags maaien, het gras bevat dan meer suiker (glucose) en dit is goed voor het vergistingsproces, de
conservering in de kuil.
KK 200 koolstofkringloop, vragen en opdrachten
Vragen en opdrachten:
1. Welke 3 koolstofproducten worden gebruikt door alle organismen?
2. Welke van de 3 stoffen wordt uitsluitend als bouwstof gebruikt?
3. Als vetten of koolhydraten verbrand worden, welke twee stoffen komen er dan vrij?
4. We kijken naar figuur 1.
Welke 3 groepen organismen verbranden stoffen waarbij koolstofdioxide (CO2) ontstaat?
5. Welke massa heeft het element koolstof en noem een stof die bijna geheel uit koolstof bestaat!
6. Noem een koolstofverbinding die zich in de lucht bevindt en met welk element heeft de koolstof
zich verbonden? Geef de formule van deze stof.
7. Geef de formules van methaan (aardgas) en ethanol
en geef aan wat de overeenkomst is tussen deze twee stoffen.
8. Kijk naar figuur 2.
Welke 2 molecuulsoorten (stoffen) bevatten veel energie? (kunnen branden?)
9. Noem 3 zaken waarvoor organismen voeding nodig hebben!
10. Noem 2 stoffen die planten en dieren opnemen maar die eigenlijk niet tot voeding gerekend
worden.
11. Wat is stookwaarde en noem 3 stoffen van organismen die een stookwaarde hebben.
12. Welke organismen zijn autotroof en heterotroof en leg uit wat dit is!
13. Wat betekent conserveren van een kuil?
14. Waarom is het beter te maaien als gras een hoog gehalte aan suiker (glucose) heeft en wanneer is dit?
KK 202
Fotosynthese en verbranding, energie,
beginstoffen, eindproducten, organische stoffen.
Klaas Althuizen 9 december 2016
1. Voeding, energie en energierijke producten, glucose, zetmeel, vet, eiwit.
Planten nemen water en koolstofdioxide op en maken hiervan glucose. Later maken ze van deze glucose weer
zetmeel, eiwit en vet. Deze producten kunnen verbranden, ze bevatten energie. De energie van het zonlicht is
nu opgesloten in deze gevormde producten (stoffen). Planten gebruiken eiwit en cellulose als bouwstof, vet en
zetmeel worden meestal als brandstof gebruikt. De bouwstoffen (denk aan hout) zijn ook brandbaar. Er is dus
energie opgeslagen in deze producten.
Koolstofdioxide en water
fotosynthese
 glucose
voortgaande synthese
 zetmeel, vet, cellulose, hout
Figuur 1: de vorming van organische stoffen zoals zetmeel, vet en cellulose door planten
Opdracht: Hoe is deze energie in deze producten terecht gekomen?
Voeg een zon met zonlicht en pijl toe bij de bovenstaande figuur.
2. Organische stoffen kunnen verbranden, hiervoor is brandstof en zuurstof nodig, er komt energie vrij
Glucose, zetmeel, eiwit en vet worden organische stoffen genoemd. De stoffen zijn gemaakt door organismen,
vooral groene planten. In deze organische stoffen is energie opgeslagen. Deze energie kun je eruit krijgen door
deze stoffen te verbranden. Planten zijn in staat om lichtenergie op te vangen en op te slaan in organische
stoffen zoals glucose en zetmeel. Dit proces heet fotosynthese.
De energie kan ook weer vrij komen, planten verbanden dan de gevormde organische stoffen.
Figuur 2 en 3 : Tijdens de fotosynthese wordt zonlicht energie vastgelegd in moleculen glucose (suiker). Hiervoor
nemen planten koolstofdioxide en water op.(zuurstof is een afvalproduct)
Figuur 4 en 5: Bij fotosynthese worden organische stoffen gemaakt (koolhydraten, glucose, zetmeel)
Bij verbranding worden organische stoffen afgebroken, hierbij komt koolstofdioxide vrij.
3. Fotosynthese: het opslaan van zonlicht, alleen planten kunnen dit. (met behulp van bladgroen)
Bladgroenkorrels in de bladeren kunnen glucose maken. Ze gebruiken licht als energiebron. Fotosynthese is
eigenlijk het opslaan van zonne-energie in energierijke moleculen. Glucose, suiker, zetmeel en vet zijn
voorbeelden van energierijke moleculen. Zonlicht is geen stof, het is een energievorm. De energie wordt in
glucose, zetmeel en vet opgeslagen. Later wordt deze energie, als het nodig is, er weer uitgehaald. Dit doen ze
door verbranding van deze stoffen. Voor deze aanmaak gebruiken de planten twee energiearme stoffen
namelijk koolstofdioxide en water. Deze twee stoffen worden omgezet in energierijke stoffen zoals glucose en
zetmeel. Dit kan de plant alleen als hij licht(energie) opvangt.
Dieren (en mensen) zijn volkomen afhankelijk van planten
Dieren zijn bijzonder afhankelijk van planten omdat ze zelf geen energierijke stoffen kunnen maken. We
noemen dieren daarom heterotoof. De meeste schimmels en bacteriën (reducenten) zijn ook heterotroof.
Dieren eten altijd planten of dieren om aan energie te komen. Vleeseters eten weliswaar andere dieren, maar
deze prooidieren hebben vermoedelijk planten gegeten.
Dieren verbruiken veel energie om te kunnen lopen, zwemmen, vliegen en zich warm te houden. Als er geen
planten zijn, zouden de dieren dus snel sterven!
figuur 6: De fotosynthese en verbranding verlopen met koolstofproducten
4. Waarom verbranding? het vrijmaken van energie voor transport, beweging of voor de bouw
Dieren hebben vooral energie nodig voor beweging. (transport en voortbeweging) Dieren zoals zoogdieren en
vogels verbruiken nog meer energie, zij houden hun lichaam voortdurend op een hoge temperatuur. (37-40°C)
Deze warmbloedige dieren kunnen ook als het vriest naar eten zoeken en makkelijker overleven.
Maar ook planten verbruiken energie, vooral voor de opbouw van stoffen zoals eiwitten en vet. Ze moeten
namelijk ook groeien of zaden maken.
Een deel van de overdag gevormde glucose wordt verbrand om te kunnen groeien en bouwen.
Figuur 7: Tijdens de verbranding komt energie vrij. Glucose bevat dus veel energie. Water en koolstofdioxide
bevatten nagenoeg geen energie meer.
5. Kilogrammen plantmateriaal die dieren eten en efficiëntie
Een ha aardappels levert bijvoorbeeld 40.000 kg aardappels op. Maar dit zegt niets over de voedingswaarde.
Aardappels kunnen wel voor driekwart uit water bestaan. Het gaat dus over de droge stof. Droge stof kunnen
dieren wel verbranden. Zo kunnen 40.000 kg aardappels wel 10.000 kg zetmeel bevatten. Dit kunnen dieren
direct als brandstof gebruiken. Wat ze over hebben kunnen ze veranderen en opslaan in lichaamsvet of
melkvet. Van 100 kg zetmeel kunnen ze ongeveer 10 kg vet maken. De rest gaat verloren als lichaamswarmte.
Koeien kunnen van aardappels niet alleen het zetmeel benutten maar ook het cellulose in de vezels, schillen en
celwanden van de aardappels. In de pens van herkauwers maar ook in de blinde darm leven bacteriën die dit
cellulose als brandstof kunnen benutten. Zo kunnen 40.000 kg aardappels 5000 kg cellulose bevatten.
Herkauwers en paarden kunnen dus van 40.000 kg aardappels 10.000 kg zetmeel + 5000 kg cellulose benutten
voor energie. Varkens kunnen alleen maar de 10.000 kg zetmeel benutten, zij kunnen slechter cellulose
verteren. Dit gebeurt bij hun een beetje in de dikke darm.
6. Veroudering van planten en hun voedingsstoffen
Hieronder zie je een plaatje van de groeien van gras. In het jeugdstadium 1. (voorjaar) bevat de plant veel meer
eiwit (protein) dan (hemi)cellulose. In stadium 4 (herfst) is dit andersom. Carbohydrates stellen zetmeel en
suiker voor. Aan het eind van hun groei bevatten grassen dus veel meer vezels in de vorm stengels en van dikke
celwanden. In het eindstadium zijn grassen dus minder geschikt als eiwitbron (protein)
Wil men gras als eiwitbron gebruiken dan moet men gras in het jonge stadium maaien.
KK 202
Fotosynthese, Vragen en opdrachten.
Vragen en opdrachten:
1. Welke twee stoffen nemen planten op voor de fotosynthese?
2. Waar blijft de energie van het licht tijdens of na de fotosynthese?
3. Noem 2 plantaardige brandstoffen en geef aan waar deze brandstoffen worden opgeslagen? (blad, wortel,
stengel of zaden.)
4. Tijdens de fotosynthese wordt niet alleen glucose gemaakt.
Hoe heet de andere stof die gemaakt wordt en wat doen planten hiermee?
5. Wat zijn organische stoffen en geef hiervan twee voorbeelden.
6. Noem twee groepen heterotrofe organismen en hoezo zijn zij volledig afhankelijk van planten?
7. De meeste bodembacteriën zijn reducenten. Wat doen ze en welke stoffen komen vrij?
8. Welke 2 diergroepen van de volgende 5 verbruiken veel energie en waarom?
(amfibieën, vogels, reptielen, vissen, zoogdieren)
9. Planten maken energierijke stoffen zoals glucose, maar ’s nacht stoken ze een deel van de gevormde
glucose weer op. Waarom doen zij dit?
10. Kijk naar figuur 7.
Hoeveel moleculen water en hoeveel moleculen koolstofdioxide worden er gevormd bij de verbranding
van één molecuul glucose?
11. Leg uit waarom koeien een betere voerbenutting hebben dan varkens als we ze een gehele
maisplant laten eten?
12. Oude planten bevatten in verhouding meer/minder* eiwit dan jongere planten. Oudere planten
bevatten meer cellulose/vet*.
KK 203 Invloeden op de Fotosynthese, lichtintensiteit,
lichtkleur, concurrentie, CO2-concentratie,
water, luchtvochtigheid, temperatuur.
Klaas Althuizen 6 januari 2016
Bij fotosynthese spelen lichtintensiteit, hoeveelheid water, temperatuur en CO2-concentratie een rol. Vaak is
één factor de beperkende factor.
1. CO2-concentratie
Plant hebben CO2 nodig. Als er niet zoveel CO2 in de lucht aanwezig is, kan de bladeren minder snel dit gas
opnemen. Als elke factor voldoende aanwezig is kan een plant optimaal groeien. Normaal bevindt zich
ongeveer 0,04% CO2 (400 ppm = parts per million) in de lucht wat erg weinig is. In kassen wordt dit soms
opgevoerd tot 0,10%, de planten kunnen dan 30% harder groeien.
Kringlopen
Tegenwoordig komt er veel extra CO2 in de lucht via verstoken van fossiele brandstoffen. Dit willen we
tegengaan omdat dit invloed heeft op het klimaat op aarde.
Om de kringloop beter te sluiten wil men koolstofdioxidegas af gaan vangen uit verbrandingsgassen.
Zo komt bij de verbranding van aardgas CO2 vrij, dit is een gas wat ons klimaat veranderd. Men wil minder van
dit gas in de atmosfeer dumpen. Men wil dit gas gaan opvangen en gaan gebruiken voor voeding van planten.
figuur 1: Verbranden van fossielbrandstoffen zoals aardgas en steenkool levert koolstofdioxide CO2.
Grootschalige afvang en opslag van zuivere CO2 uit verbrandingsgassen is van vitaal belang voor de
kastuinbouw. Onder industriële condities vangt de proefinstallatie van TNO negentig procent van de
geproduceerde CO2 af.
Het afvangproject betreft de ontwikkeling van CO2-afvangsystemen voor kassen. De schone basistechnologie is
er. Het feit dat de CO2 hier geen afval is maar een bruikbaar restproduct: het wordt gebruikt voor bemesting –
vaak ook van eetbare gewassen – wat extra eisen stelt. Dat vraagt om gegarandeerd zeer zuivere CO2. Men zal
dus de afvalgassen moeten zuiveren op CO2.
2. Lichtintensiteit
Groene planten hebben licht nodig voor de fotosynthese. Zonder fotosynthese kunnen ze niet groeien. Als het
zonnig is, krijgen de meeste planten eigenlijk teveel licht . We kunnen de hoeveelheid licht meten. Direct
zonlicht geeft zo’n 1000 Watt/m2 en de meeste planten hebben genoeg aan zo’n 400 en 600 Watt/m 2. Geven
we meer dan gaan ze niet harder groeien. Als het zwaar bewolkt is krijgen de meeste planten te weinig voor
een snelle groei, vaak meten we dan maar zo’n 200 Watt/m2. Voor schaduwplanten is direct zonlicht schadelijk.
figuur 2: planten gebruiken vooral blauw en rood licht, het groene licht reflecteren ze.
3. Concurrentie.
Planten die naast elkaar groeien beconcurreren elkaar om het licht. De optimale lichtintensiteit is echter niet
voor alle soorten planten gelijk. Bij zogenoemde zonneplanten is deze hoger dan bij schaduwplanten. In een
boomkruin van dezelfde beuk zitten bovenin zonnebladeren en onderin schaduwbladeren. Onder een
microscoop zijn er duidelijk verschillen tussen zonnebladeren die veel zon ontvangen en schaduwbladeren die
meer aan de schaduw aangepast zijn, zie onderstaande figuur.
Figuur 3: Planten met weinig bladkroenkorrels zijn minder efficient dan cellen met veel bladgroenkorrels.
Schaduwbladeren hebben meestal veel meer bladgroenkorrels in hun cellen.
Veel soorten schaduwplanten zijn aangepast aan het weinige licht. Ze hebben grotere bladeren dan zonplanten
en de bladgroenkorrels bevatten meer chlorofyl. Hierdoor kunnen ze op schaduwrijke plaatsen groeien,
bijvoorbeeld onder bomen en struiken, bij teveel zonlicht raken ze beschadigd. Hun fotosynthese neemt al snel
niet meer toe bij een bepaalde lichthoeveelheid.
Figuur 4: Mais is het meest productieve gewas bij de sterkste lichtsterkte,
bij weinig licht zijn schaduwplanten in het voordeel.
4. Zaaien en plantdichtheden
Om gewassen goed te laten groeien dienen planten niet te dicht op elkaar geplant te worden. Zo kan er bij
mais bijvoorbeeld geen goede kolf ontwikkeld worden. De concurrentie onderling is te groot. Ook dienen ze
niet te ver van elkaar af te staan, er is dan meer concurrentie van onkruiden. Men heeft op proefstations de
plantafstand geoptimaliseerd zowel de plantafstand in de rij als de plantafstand van de rijen.
Zo leveren 100.000 planten mais op 1 ha (10.000 m2) het meeste gewas op. De hoeveelheid licht speelt dus
een erg belangrijke rol bij de opbrengst van het gewas.
5. Hoeveelheid water
Bij de fotosynthese is water erg belangrijk en bovendien altijd nodig. Planten nemen via hun haarwortels water
en mineralen op uit de bodem. Verdamping uit de huidmondjes van de bladeren zorgen voor een opwaartse
waterstroom en in de zomer voor afkoeling. Deze capillair werking kost weinig energie voor de plant. Planten
kunnen ook water met de wortel actief omhoog persen. Deze worteldruk kost wel energie. Een klein gedeelte
van het water verdampt niet maar gebruikt de plant voor de aanmaak van glucose (samen met
koolstofdioxide). Is er weinig water aanwezig dat krijgen planten waterstress. Waterstress treedt meestal op als
de temperatuur hoog is en de lucht droog. De groei stopt.
Bij grotere planten zoals mais, struiken en bomen moeten planten actief water in de wortels ophoogpersen en
verbruiken de planten dus meer energie voor transport.
Figuur 5 en 6: Planten nemen water op voor fotosynthese, voor opname mineralen en voor koeling.
In het figuur rechts is de r.v. af te lezen bij een bepaalde temperatuur en grammen water.
6. De relatieve luchtvochtigheid
Lucht kan maar een paar procent waterdamp bevatten. Koele lucht maximaal maar zo’n 2 % en warme lucht
maximaal zo’n 4 %. Als de waterdamp maximaal is in de lucht dan noemen dit maximum 100%. Maar dit
maximale vochtgehalte verschilt bij elke temperatuur, vandaar dat het een relatieve luchtvochtigheid
genoemd wordt. De afkorting voor relatieve luchtvochtigheid is r.v.
Als je naar figuur 5b kijkt dan zie je dat er bij 10°C en een r.v. van 100% er zich 8 g water in 1 kg lucht bevindt.
Als je deze lucht daarna gaat opwarmen tot 21°C dan wordt de relatieve luchtvochtigheid volgens de tabel 50%.
Deze drogere lucht kan dus water gaan opnemen tot de 100% en dit kan dus maximaal ongeveer 16 gram
water per kg lucht gaan bevatten
Als de r.v. laag is gaat de verdamping veel sneller. De haarwortels kunnen de verdamping niet meer bij houden.
De meeste planten houden daarom van een r.v. van ongeveer tussen de 60% en de 90%. Bij 100% verdampt er
te weinig water en kan de plant daardoor te weinig mineralen opzuigen.
Bij waterstress sluiten de huidmondjes om verdamping tegen te gaan. Meestal gaan de bladeren dan slap
hangen of krullen om. De wortels kunnen het watertekort dan gaan aanvullen. Zit er in de bodem weinig water
dan houdt de waterstress langer aan. Vooral ’s nacht vullen planten hun watertekort aan.
7. Temperatuur
Bij hogere temperaturen verdampt er meer water. Er is meer water nodig omdat er meer verdampt bij een
hogere temperatuur en de fotosynthese en andere reacties lopen sneller waardoor meer water nodig is. Als er
teveel water verdampt (bij grote hitte) kan er minder bij de reacties gebruikt worden en nemen de
fotosynthese reacties af. Bij een buitentemperatuur groter dan 42°C gaan de enzymen nodig voor de reacties
zelfs kapot. Planten koelen dan hun bladeren door extra veel water te verdampen. Als (bij hitte) de
huidmondjes dichtgaan door te veel waterverlies, gaat de temperatuur te ver oplopen en krijgen de bladeren
blijvende schade, te zien aan verbrandingsplekken.
Figuur 7. De CO2 productie is een maat voor de fotosynthese, deze is weergegeven voor verschillende
temperaturen. (Ambient is een Engels woord voor normale omgevingsconcentraties.)
We kunnen hieruit aflezen dat de meeste planten het best groeien tussen de 25 en 30°C.
8. Plantenteelt en hoge temperaturen
Veel plantentelers onderschatten de invloed van te hoge temperaturen en watergebrek op hun gewassen.
Plaatselijk in de plant kan de temperatuur door direct zonlicht en weinig verdamping (geen koeling) te hoog
worden. Bij een slaphangend gewas veroorzaakt het blijvende schade. Slappe bladeren koelen hun bladeren
nauwelijks. Al het felle zonlicht dat het gewas raakt wordt nu omgezet in warmte. De hitte in de bladeren loopt
nu hoger op dan de temperatuur van de lucht, en er ontstaat verbrandingsschade. De opbrengst zal daardoor
blijvend lager zijn. De planten kunnen zich maar ten dele hiervan herstellen.
Slaphangende bladeren kunnen niet koelen en gaan verbranden, dit levert blijvende schade op.
KK 203 Invloeden op de Fotosynthese, vragen en opdrachten.
Vragen en opdrachten:
1. In kassen wordt vaak het gehalte aan CO2 kunstmatig verhoogd. Waarom doet men dit en leg dit uit!
2. Wat is het nadeel van een verhoogd CO2-gehalte in de atmosfeer
en leg uit hoe we dit CO2 gas nuttig kunnen gebruiken!
5. Hoeveel zonlicht hebben de meeste planten nodig om zo snel mogelijk te kunnen groeien?
6. In zonlicht zitten alle kleuren licht, maar welke 2 kleuren gebruiken planten vooral bij fotosynthese?
7. Wat zit er in plantencellen die de energie uit zonlicht weten te vangen?
8. Welke twee gewassen kunnen beter zonlicht vangen dan de gemiddelde zonneplant?
9. Geef 3 doelen van wateropname voor de plant!
10. Grote planten hebben wortels die worteldruk toepassen. Wat is dat?
11. Wat is waterstress?
12. Noem drie dingen die gebeuren tijdens waterstress!
13. Als de huidmondjes overdag sluiten om verdamping tegen te gaan (bij erg droog en heet weer)
aan welk gas krijgt de plant dan een tekort?
14. Bij 20°C bevindt zich maximaal (100%) 14 gram water in de lucht per kg lucht.
Hoeveel % wordt de r.v. als ik deze lucht verwarm tot 35°C
15. Bij welke r.v. kunnen planten het beste groeien? En waarom?
16. Bekijk de figuur 7.
Bij welke temperatuur vindt er de meeste fotosynthese plaats?
KK 204 Berekening koolstofgehalte van moleculen in de koolstofkringloop,
Atoomsoorten, symbolen, molecuulformule, molecuulmassa,
Klaas Althuizen 6 januari 2016
0. Ons voedsel bestaat uit stoffen
In ons voedsel zitten stoffen zoals zetmeel, eiwit en vet. Deze stoffen hebben een bepaalde massa (gewicht)
Zo zit er in een kg aardappels zo’n 200 gram zetmeel. Waar komt deze massa vandaan? Waaruit bestaat
zetmeel? Voor een groot deel bestaat zetmeel uit koolstof en dit halen de planten uit de lucht. De totale massa
aan koolstof komt uit de lucht. Planten groeien dus vooral van lucht.
Dieren eten zetmeel en verbranden dit. Waar laten ze de afvalproducten? Wat zijn deze afvalproducten? Het
belangrijkste afvalproduct van verbranding van zetmeel is koolstofdioxidegas en dat ademen ze uit.
Stoffen worden dus omgezet in andere stoffen. Hoeveel dit is per dier of per plant kunnen meten en berekenen
als we iets weten over de bouw van de stoffen. Het bestuderen van deze stoffen en processen doet men met
scheikunde. Stoffen bestaan uit moleculen en moleculen bestaan weer uit atomen. De stoffen (moleculen) in
planten en dieren veranderen voortdurend. Ze veranderen bijvoorbeeld tijdens fotosynthese en verbranding.
In teelten draait veel om opbrengst in kilogrammen, dit kunnen we verhogen als we scheikunde begrijpen.
1. Atoomsoorten en symbolen
We kennen ongeveer 100 atoomsoorten in de wereld. De volgende 9 atoomsoorten zijn voor alle levende
organismen erg belangrijk.
koolstof
zuurstof
calcium
symbool
C
O
Ca
massa
12
16
40
waterstof
stikstof
magnesium
symbool
H
N
Mg
massa
1
14
24
zwavel
fosfor
ijzer
symbool
S
P
Fe
massa
32
31
56
Figuur 1: Negen belangrijke atoomsoorten voor alle levende organismen. Je ziet de symbolen en hun
atoommassa’s. Deze atoommassa’s zijn belangrijk om massa-percentages in stoffen te berekenen.
Met deze 9 atoomsoorten kunnen we ongeveer alle moleculen bouwen die in het leven een belangrijke rol
spelen. Veel van deze moleculen (zoals suikers en vet) spelen ook een belangrijke rol als opslagstof van energie
en kunnen uitstekend bewaard worden.
2.
Moleculen. Molecuulformules van belangrijke moleculen, massaberekening en het percentage
koolstof C
Belangrijke moleculen zijn: koolstofdioxide, glucose,
zetmeel, cellulose, vetzuur en aminozuur.
De molecuulformules hiervan zijn : CO2,
C6H12O6, (C6H10O5)n (C6H10O5)no C18H36O2,
C4H9O2N
Aan de index kunnen we zien hoeveel atomen in een molecuul aanwezig zijn. De getallen rechtsonder elke
atoomsoort geven aan hoeveel atomen van die soort in een molecuul zitten.
Moleculen worden ook vaak getekend in structuren, je kunt dan zelf de molecuulformule opschrijven.
figuur 2 en 3: Van deze moleculen kunnen we de molecuulformules afleiden: C2H6O en CO2
In alcohol C2H6O zijn bijvoorbeeld 2 koolstofatomen aanwezig, 6 waterstof en en 1 zuurstofatoom. Daarna
kunnen we de molecuulmassa bereken en het gehalte aan koolstof.
3. Massaberekening moleculen en gehalte
Voorbeeldberekening: alcohol C2H6O
We kunnen de totale massa berekenen van het molecuul: (2C = 2x12) + (6H = 6x1) + (1 O = 16) = totaal 46
We kunnen ook het koolstofgehalte berekenen: aandeel C/totale massa = 24/46 = ………………% (x 100%)
Bereken de molecuulmassa van koolstofdioxide (CO2) en het koolstofgehalte.
4. beginstoffen en eindproducten
Voedsel wordt door planten geproduceerd. Planten nemen hiervoor een aantal grammen stof op en maken
hiervan weer een aantal gram glucose. Hierbij gaat geen massa (stof) verloren. Als planten dus 100 gram
glucose gemaakt hebben dan hebben ze minstens hiervoor 100 gram koolstofdioxide en water opgenomen.
We gaan nog een keer naar de fotosynthese kijken in stoffen en molecuulformules.
fotosynthese in woorden:
Koolstofdioxide + water
--> glucose + zuurstof
fotosynthese in formules:
6 CO2
--> C6H12O6 + 6 O2
+
6 H2O
We lezen hieruit dat er 6 moleculen koolstofdioxide nodig zijn en 6 moleculen water om één molecuul glucose
te maken. We kunnen ook nog zien dat hierbij ook 6 moleculen zuurstof vrijkomen.
Wat zijn hier de beginstoffen (voor de pijl) en wat zijn hier de eindproducten (na de pijl)?
Als je goed kijkt zie je dat er evenveel atomen voor de pijl staan als na de pijl. Hoeveel C, O en H-atomen?
1. Evenveel massa voor en na de pijl (voor en na de fotosynthese, en andere reacties)
We gaan nog een keer naar de fotosynthese-reactie kijken maar we gaan nu ook de massa berekenen.
fotosynthese in formules:
fotosynthese in massa:
uitgerekende:
verbranding in formules:
verbranding in woorden:
6 CO2
+
6 H2O
-->
C6H12O6
+ 6 O2
6 x (12+(16x2)) + 6 x (2+16) --> (12 x 6) + (1 x 12) + 16 x 6) + 6 x (16 x 2)
264 gram
+
108 gram -->
180 gram
+ 192 gram
C6H12O6
glucose
+ 6 O2
+ zuurstof
-->
-->
verbranding in massa:
(12 x 6) + (1 x 12) + 16 x 6) + 6 x (16 x 2) -->
uitgerekende:
180 gram
+ 192 gram -->
vergisting (verzuring) van glucose:
in woorden:
glucose
in formules:
C6H12O6
in massa :
180 gram
6 CO2
+
Koolstofdioxide +
6 H2O
water
6 x (12+(16x2)) + 6 x (2+16)
264 gram
+
108 gram
--> melkzuur
--> 2 C3H6O3
--> 2 x (12 x 3) + 6 + (16 x 3) = 180 gram
2. Verzuring en conservering
Suiker (glucose) kan in een kuil door bacteriën omgezet worden in zuur. Op een gegeven moment wordt het zo
zuur dat alle bacteriën en schimmel doodgaan. Het verzuringsproces stopt dan natuurlijk ook. Ook de
verzuringbacterien gaan dan dood. De kuil is dan geconserveerd. Hij blijft dan jaren goed wat voederwaarde
betreft en kan door organismen niet meer bederven. Er kunnen verschillende zuren gevormd worden.
De vorming van melkzuur gebeurt zonder zuurstof en ontstaat uit glucose.
Het meest gunstige zuur is melkzuur. De conserveringsverliezen zijn dan het kleinst. Dit wordt vooral gevormd
als er geen zuurstof in de kuil aanwezig is. Door een kuil goed aan te rijden wordt de ontwikkeling van deze
anaerobe bacteriën bevorderd. Er wordt ook azijnzuur gevormd door azijnzuur bacteriën. Deze bacteriën
hebben zuurstof nodig. De conserveringsverliezen worden nu groter. Azijnzuurbacterien kunnen een kuil nog
zuurder maken dan melkzuurbacterien en zorgen zo dus voor een nog betere conservering.
Als je een kuil openmaakt komt er zuurstof bij en kan de kuil gaan broeien. Zijn er dan veel azijnzuurbacterien
aanwezig dan vindt er nauwelijks broei plaats omdat deze bacterien de kuil dan meteen flink zuur maken.
Azijnzuurmolecuul
Melkzuurmolecuul
Het verschil tussen azijnzuur en melkzuur. Een molecuul azijnzuur heeft 2 koolstofatomen(zwart) en twee
zuurstofatomen. Melkzuur heeft 3 koolstofatomen en drie zuurstofatomen (rood)
Ook kan er boterzuur gevormd worden. Dit is een slecht zuur. Het is onsmakelijk voor de dieren en het worden
daardoor niet zuur genoeg om bederf van een kuil te voorkomen. De kuil gaat later rotten (stank)
Boterzuur wordt vooral gevormd als de kuil te eiwitrijk is. Dit kan voorkomen bij jong vers gras met een te laag
suikergehalte. De groei van melkzuurbacteriën komt dan niet goed op gang. Als je ‘s middags maait zit er meer
suiker in het gras. (na fotosynthese) en dan kunnen de melkzuurbacterien zich beter ontwikkelen.
3. Verzuring en pH
De concentratie zuur die zich in een kuil heeft gevormd drukken we uit in pH.
Als we een pH meten van 7 dan is het neutraal. Als we een pH meten van 0 dan is iets heel erg zuur, denk aan
zoutzuur of zwavelzuur. Als iets een pH heeft van 14 dan is het basisch of alkalisch.
Een neutrale oplossing heeft een pH van 7. Een zure appel heeft een pH van 3.
Dus hoe verder van de 7 hoe zuurder iets is. Dus is de appel zuurder dan de analyses van 42 maiskuilen.
4. Organische, andere zuren, concentratie en pH
Organische zuren zijn in de regel afkomstig van organismen. Vaak worden ze door bacteriën gemaakt. Veel
andere zuren worden chemisch gemaakt. Voorbeelden hiervan zijn zwavelzuur, zoutzuur en salpeterzuur. Deze
geconcentreerde zuren zijn heel zuur ze hebben vaak een pH van 0.
Organische zuren zijn veel milder zuur. Azijnzuur is een van de zuurste organische zuren, pH kan lager zijn dan
2,5. De meeste vetzuren daarentegen hebben vaak een pH die in de buurt zitten van de 6, ze zijn bijna neutraal.
Melkzuur zit er een beetje tussen in en levert vaak een pH op vaak van ongeveer 3,5.
Azijnzuurbacteriën
Melkzuurbacteriën
Azijnzuurbacteriën kunnen meer zuur verdragen dan melkzuurbacteriën en blijven dus langer leven en zuur
produceren.
Gelijke aantallen zuur moleculen per liter leveren gelijke concentraties aan zuur op.
De pH echter is niet gelijk. Sommige moleculen geven gemakkelijker zuur af (splitsen) dan andere moleculen.
Een concentratie kan worden uitgedrukt in gram zuur per liter (of in mol per liter, groot aantal moleculen)
Atomen, moleculen, processen, massa en berekeningen, vragen en opdrachten.
vragen en opdrachten:
1 a. Bereken de molecuulmassa van glucose (C6H12O6) en het koolstofgehalte.
b. Bereken de molecuulmassa van vetzuur (C18H36O2) en het koolstofgehalte.
c. Bereken de molecuulmassa van aminozuur (C4H9O2N) en het koolstofgehalte.
2.
Een dier dat 180 glucose verbrandt, hoeveel gram koolstofdioxide ademt dat dier uit?
3.
Een mens verbrandt ongeveer 510 gram glucose per dag hoeveel koolstofdioxide ademt hij dan uit?
4.
Een varken van 100 kg verbrandt ongeveer 900 gram glucose per dag, hoeveel gram koolstofdioxide
ademt hij dan uit en hoeveel gram waterdamp komt vrij?
5.
In een maiskuil bevindt zich 100 ton (100.000 kg) zetmeel (=glucose).
6% van dit zetmeel wordt omgezet in melkzuur. Hoeveel kg melkzuur wordt er in de kuil gevormd?
6.
Leg uit waarom je beter gras ’s middags kunt maaien dan ’s morgens. (om in te kuilen)
7.
Azijnzuur vergisting verloopt met zuurstof en de melkzuurvergisting zonder zuurstof.
Melkzuurvergisting levert beduidend minder conserveringsverliezen op.
Verklaar waarom een maiskuil altijd goed aangereden dient te worden. Wat heeft dit voor effect?
8.
Zetmeel lijkt als molecuul heel veel op glucose. Geef van beide de formules.
9.
Wanneer is er kans op boterzuurvorming in een kuil en wat kunnen we hiertegen doen?
10. vergisting (verzuring) van glucose:
in woorden:
glucose
in formules:
C6H12O6
in massa
:
180 gram
--> melkzuur
--> 2 C3H6O3
--> 2 x (12 x 3) + 6 + (16 x 3) = 180 gram
Bekijk de bovenstaande omzettingsreactie.
a. Welk product wordt hier uit glucose(suiker) gevormd?
b.
Hoeveel moleculen worden er gevormd uit één glucose-molecuul (kijk bij formules)
c.
Laat zien door middel van een berekening dat een molecuul melkzuur een massa heeft van 90.
d.
Hoeveel melkzuur vormt zich als 10 kg glucose wordt verbruikt?
e.
Een kuil bevat 100 ton aan droge stof waarvan 4% van de glucose (zetmeel) zich omgezet heeft in
melkzuur. Hoeveel kg melkzuur heeft zich gevormd?
11. In bak A bevindt zich 20 liter zuur met een concentratie van 5 gram/liter
In bak B bevindt zich 30 liter zuur met een concentratie van 3 gram/liter
a.
Hoeveel gram zuur bevindt zich in bak A en hoeveel zuur bevindt zich in bak B
Geef de berekening.
b.
Leg uit wat concentratie betekent en hoe dit wordt uitgedrukt?
12. In kuil A bevindt zich 80 ton droge stof met een zuurconcentratie van 5 gram per kg droge stof.
In kuil B bevindt zich 120 ton droge stof met een zuurconcentratie van 3 gram per kg droge stof.
Hoeveel kg zuur bevindt zich in kuil A en hoeveel kg zuur bevindt zich in kuil B.
KK211 De stikstofkringloop
Klaas Althuizen 4 januari 2016
1. Het element stikstof (N) in moleculen en organische stoffen, met name eiwit.
Stikstof (scheikunde symbool = N) is een belangrijk element dat voorkomt in veel belangrijke biologische bouwstoffen. Het
vormt een belangrijke bouwsteen in aminozuren, eiwitten, DNA en vitamines. En deze stoffen zijn weer belangrijke
bouwstoffen voor elke plant en voor elk dier.
Als stikstof in planten, dieren of organische resten voorkomt noemen we dit organische stikstof.
Komt stikstof voor in zout of in gas dan noemen we dit anorganisch stikstof. Het stikstof op aarde doorloopt een kringloop.
Soms zit het in de lucht dan weer in een plant daarna weer in een dier of in de bodem of in het bodemwater. We kunnen dit
mooi weergeven in een schema de stikstofkringloop. Hieronder zien we een voorbeeld.
Figuur 1: de stikstofkringloop, het element stikstof (N) circuleert voortdurend in kringloop en neemt vele verschillen vormen
aan. Veel van deze verbindingen lijken helemaal niet op elkaar.
2. Stikstof als atoomsoort en in verbindingen en formules
Als we kijken naar het periodieksysteem zien we dat het element stikstof (het symbool N) nummer 7 heeft en een massa
van 14. Stikstof komt als element het meest voor in de lucht, zo’n 78%. Het bestaat uit twee-atomige moleculen en heeft
dus als molecuulformule N2. Een aantal stikstofverbindingen zijn ammoniak (NH3), nitraat (NO3)- en ureum CO(NH2)2 .
figuur 2: Hierboven zie je een molecuul stikstof, een molecuul ammoniak een ion nitraat (geladen) en een molecuul ureum.
Ze bevatten allemaal stikstofatomen (N), deze zijn hier blauw gekleurd.
3. Processen, omzetten van stikstofproducten.
Stikstof wordt door processen voortdurend omgezet in een andere stikstofproducten. Zo wordt stikstofgas (N2) uit de lucht
gebonden door bodembacteriën. Deze bacteriën maken ammonium (NH4)+ van luchtstikstof (N2). Later wordt ammonium
weer omgezet in nitraat (NO3)-. Nitraat is een zout dat planten via bodemwater kunnen opnemen. Van nitraat maken
planten aminozuren. Van aminozuren maken planten hun eiwitten. De meeste cel-onderdelen zijn allemaal gemaakt van
eiwitten. De dieren eten planteneiwitten en zetten ze om in dierlijke eiwitten. Voorbeelden van dierlijk eiwit zijn spiervezels
(vlees) en bloed. Als later het eiwit wordt afgebroken ontstaat er ammoniak en ureum (NH2CONH2). Deze afvalstoffen
komen meestal op of in de bodem terecht. Deze bodembacteriën zetten ammoniak of ammonium weer om in nitraat. Dit
nitraat kunnen planten weer heel gemakkelijk opnemen. De kringloop is zo weer rond. Planten zijn ook in staat om
ammoniak of ammonium op te nemen maar dit mag niet teveel zijn, het werkt bij een sterkere concentratie giftig.
4. Stikstoffixatie, het vastlegging van stikstof uit de lucht
Planten kunnen geen stikstof uit de lucht halen om te groeien. De enige organismen die luchtstikstof kunnen omzetten in
ammonium en nitraat zijn cyanobacteriën en bacteriën die leven in wortelknolletjes van vlinderbloemigen. Voorbeelden
van vlinderbloemigen zijn bonen en klaversoorten. Als je op een natuurlijk wijze meer stikstof in de bodem wilt krijgen voor
plantengroei is het verstandig om eens in de 2, 3 of 4 jaar een vlinderbloemig gewas te zaaien. Als de wortels van het
vlinderbloemig gewas het jaar later verteren kunnen de volgende gewassen het gevormde nitraat opnemen. Dit vastleggen
van luchtstikstof door bodembacteriën wordt nitrificatie genoemd en is belangrijk voor de groei van de daarop volgende
gewassen. Er is dus sprake van een kringloop maar ook van een keten.
Figuur 2: Op de wortels van klaver bevinden zich wortelknolletjes. Hierin bevinden zich bacteriën die in staat zijn
luchtstikstof te binden. Rechts zie je cyanobacteriën deze doen hetzelfde, maar zij leven vooral in water.
5. Vorming van aminozuren en eiwit, ze bevatten altijd stikstofatomen in hun moleculen
Alleen planten en groene algen zijn in staat om aminozuren te maken, dieren kunnen dit niet. Dieren eten planten en stelen
zo de aminozuren of eiwitten van de planten. Planten maken ongeveer 10 verschillende soorten aminozuren. Met deze 10
aminozuren kunnen ze honderden verschillende eiwitten maken. Ze rijgen ze als een soort kralensnoer aan elkaar en
vormen zo eiwitten. Sommige kralensnoeren bevatten maar een paar verschillende aminozuren en andere eiwitten
bevatten wel 8 verschillende aminozuren. Als eiwitten veel verschillende (6-10) aminozuren bevatten noemen we de
eiwitten hoogwaardig.
Dieren bestaan uit veel hoogwaardige eiwitten en planten bestaan meestal uit laagwaardig eiwitten.
figuur 3: Hierboven zien we een eiwit wat
opgebouwd is uit verschillende aminozuren.
(bolletjes.)
Bestaat het eiwit hierboven uit een
hoogwaardig of een laagwaardig eiwit?
Verklaar je antwoord.
6. Afbraak van eiwit, er komen stikstofverbindingen vrij.
Als dieren eiwit of aminozuren afbreken omdat ze de aminozuren niet meer nodig hebben dan worden ze verbrand. Er
ontstaat dan ammoniak. Omdat ammoniak giftig is voor dieren, zetten ze ammoniak snel om in ureum. Dit ureum is
gemakkelijk door de nieren uit te scheiden en is nauwelijks giftig. Als ureum of ammoniak via mest of urine op de bodem
komt wordt deze door bodembacteriën snel omgezet in nitraat. Dit noemen we nitrificatie. (zie figuur 1) Het gevormde
nitraat kan weer door planten worden opgenomen. De bodem in goede conditie houden zodat de juiste bacteriën en
schimmels hun afbraakwerk kunnen doen is dus erg belangrijk. Deze afbraak heet demineralisatie.
7. Stikstofverbindingen en milieu, concentraties nitraat en ammoniak
Nitraat lost uitstekend op in bodemwater. Als er veel nitraat wordt gevormd kan dit uitspoelen naar diepere bodemlagen,
planten kunnen het dan niet meer opnemen en het diepere grondwater wordt dan vervuild met nitraat. Als we dit
grondwater willen gebruiken voor drinkwater heeft dit risico’s. Nitraat is voor dieren immers giftig.
Mest of urine wat niet met bodembacteriën in contact komt wordt meer in ammoniak omgezet en veel minder in nitraat.
Dit ammoniak (gas) of ammonium kan gemakkelijk aan de lucht afgestaan worden en daardoor de lucht verontreinigen.
Snelle omzetting naar nitraat is dus gewenst. Vandaar dat boeren mest snel onder moeten werken in de bodem. Niet alleen
komt er minder ammoniak in de lucht maar wordt ook de geur-emissie verminderd.
Als de bodem in slechte conditie is of te nat is dan vindt denitrificatie plaats. Bepaalde bacteriën zetten nitraat of
ammoniak om in luchtstikstof, je verliest zo dus belangrijke plantenvoedingszouten. (zie figuur 1)
figuur 4: afbraak en omzetting van eiwit naar nitraat door bodembacteriën zoals nitrosomonos en nitrobacter.
Bij denitrificatie wordt nitraat (NO3-) omgezet in luchtstikstofgas (N2)
Er gaat dus nitraat verloren naar de lucht en dit kan niet meer door planten opgenomen worden.
KK 211 stikstofkringloop vragen en opdrachten
Klaas Althuizen 5 januari 2016
Vragen
1. Noem twee biologische bouwstoffen waarin stikstof voorkomt
2.
Geef de molecuulformules van stikstofgas en van ammoniak.
3.
Er zij bodembacteriën die stikstofgas uit de lucht kunnen binden. Wat maken deze bacteriën van dit
stikstofgas?
4.
Hoe nemen planten nitraat op en wat maken planten hiervan?
5.
Hoe komen dieren aan hun eiwit?
6.
Dieren gebruiken eiwitten vooral voor opbouw van spieren, bloed en huid. Wanneer breken dieren
eiwit af door verbranding en welk product(en) ontstaan er als ze dit afbreken?
7.
Wat doen bodembacteriën en schimmels met ureum of ammonium van mest wat op de bodem
terecht komen?
8.
Welke landplanten kunnen stikstofgas uit de lucht in de wortelknolletjes binden?
9.
Leg uit dat opvolgende gewassen beter groeien als er eerst klaver of bonen geteeld zijn!
10. De moleculen van aminozuren en eiwit kunnen we ons voorstellen als een kralensnoer. Welk molecuul
stellen we ons voor als losse kraal en welke als een snoer kralen. ?
11. Welk moleculen zijn giftig voor dieren ureum of ammoniak?
12. Wat is nitrificatie en wat is denitrificatie?
Opdrachten:
1. Neem figuur 1 over in woorden en met pijlen: lucht, plant, dier en bodem.
Zet tussen haakjes de volgende stoffen op de juiste plaats in het schema.
Ammoniak, ammonium, stikstofgas, nitraat, ureum en eiwit.
2.
De moleculen hebben een massa. Deze kun je vinden in het periodiek systeem.
Afgeronde atoommassa’s N = 14, H = 1, O = 16, N = 14
Bereken de molecuulmassa’s en de molmassa’s van:
Ammonium
voorbeeld: NH4+ = 14 + 4 x 1 = 18
molmassa = 18 gram
Ammoniak
Stikstofgas
Nitraat
Ureum
3.
Bereken het stikstofpercentage van:
Ammonium
totaal NH4+ = 14 + 4 x 1 = 18
Ammoniak
Stikstofgas
Nitraat
Ureum
N = 14 14/18 = 78 %
KK 220
fosforkringloop
scheikunde, biologie, science
Klaas Althuizen 5 januari 2016
1. Het element fosfor (P) en de verbinding fosfaat (PO43-)
Fosfaat zit vooral in botten. Op aarde is het element fosfor (symbool =P) is vooral aanwezig als fosfaat (PO 4)3Fosfaten spelen een belangrijke rol voor het leven op aarde. Elke planten- en dierencel heeft om de
celmembraan die uit fosfaten bestaan. Tevens regelen fosfaten de energie-overdracht in de cellen en zijn ze
een belangrijk onderdeel van het DNA. Een gebrek aan fosfaat of stikstof zorgt voor een slechte groei.
Trifosfaatmoleculen voor energieoverdracht
DNA-moleculen in de chromosomen bevatten fosfaat
DNA is erfelijk materiaal (in chromosomen) aanwezig in elke cel.
Elke cel is heeft een membraan (vliesje) Dit membraan bestaat voor een belangrijk deel uit fosfaatmoleculen
We noemen deze laag een fosfolipidelaag (Lipide=Vetachtig)
Fosfaten komen alleen voor in de bodem, in water en in planten of dieren, niet in de lucht.
De hoeveelheid fosfaten in de bodem is beperkt zodat er vaker een tekort aan fosfaat zal ontstaan dan aan
stikstof. Ook de fosfaten bewegen zich in een kringloop, hieronder zien we hier een figuur van.
Figuur 1: fosfaten kennen een eenvoudige kringloop, ze zitten alleen in bodem, in water, in planten en dieren.
2. Fosfor is beperkt op aarde aanwezig meestal als fosfaat en dit dreigt op te raken
Fosfor als element komt bijna niet voor. In het periodiek systeem heeft fosfor P als symbool, het nummer van P
is 15 en de massa is 31. De meest voorkomende vorm van fosfor is fosfaat (PO 4)3-.. De bekendste vorm van
fosfaat is bot of been. Been bestaat niet alleen uit kalk maar ook uit fosfaat, het zogenaamde calciumfosfaat.
Ook onze tanden bestaan uit calciumfosfaat.
Een van de belangrijkste scheikundige ontdekking uit de geschiedenis is dat men erachter was gekomen dat
uitgeputte en verarmde gronden het beste bemest konden worden met gemalen botten. Deze botten werden
toen verzameld van velden waar veldslagen hadden plaatsgevonden, massa’s menselijke botten dus.
Hieronder zien we de botten van een paard en deze bevatten veel fosfaat.
Het meeste fosfaat (PO43-) bij dieren bevindt zich in de botten. Als dieren zwanger zijn kan een klein deel van het
bot afgebroken worden dat nodig is voor de opbouw van botweefsel van het jonge dier. Er zit dus altijd een
voorraad fosfaat in je lichaam.
3. Processen met fosfaat, tekorten en overmaat.
Omdat bij fosfor geen aanvoer of aanvulling vanuit de lucht kan plaatsvinden net als bij koolstof
(koolstofdioxide) en stikstof (luchtstikstof) kan er plaatselijk snel een tekort aan fosfaat ontstaan. Als planten
worden afgevoerd en hun resten niet meer terugkomen wordt ook de fosfaten blijvend afgevoerd. Gronden
verarmen zo erg snel. Dit gebeurde toen er steden ontstonden. De boeren uit de middeleeuwen hadden dit al
snel begrepen. Voedsel werd naar een stad vervoerd maar als de stadse menselijke mest niet teruggehaald
werd groeide er na een aantal jaren niets meer. In China is het nog steeds heel gebruikelijk dat alle menselijke
mest weer hergebruikt wordt op de akkers. Fosfaat is veel meer dan nitraat (stikstof) de beperkende factor
voor plantengroei!
Fosfaten raken op. De fosfaatketen moet weer een fosfaatkringloop worden.
4. Wat heeft de WC met kunstmest te maken? Geen gesloten kringloop binnen de teelt.
Met de opkomst van de WC gaan de fosfaten in de menselijk mest verloren. De fosfaatrijke menselijk mest
wordt nu weggespoeld in het riool. Dit komt verderop in een rivier terecht en verder afgevoerd naar zee. Dit
fosfaat verdwijnt dus voor eeuwig uit onze gronden. Ook kreeg men problemen met stinkende en dode rivieren
waarin zich veel te veel fosfaten bevond. Men ging aan de slag met rioolzuiveringsinstallaties. Rioolwater
moest voor een belangrijk deel schoongemaakt worden. Er ontstond hierbij rioolslib, fosfaatrijk rioolslib. Toch
kan men dit niet gebruiken om land te bemesten, er zitten namelijk allerlei andere ongewenst stoffen in zoals
zware metalen en andere giftige stoffen. Dit fosfaatrijke product wordt dus gedumpt. (soms verbrand)
Het fosfaat hoefde ook niet meer terug want men had inmiddels fosfaatkunstmest uitgevonden. Op een
beperkt aantal plekken in de wereld heeft men fosfaat ertsen ontdekt. Marokko en China bezitten 80 % van de
wereldvoorraad en men schat dat deze voorraad tussen 2050 en 2070 op zal zijn. Het maken van fosfaatrijke
kunstmest maken is dan ook afgelopen.
5. Voedseltransporten en fosfaat, fosfaatmijnen raken leeg.
Er zijn landen in de wereld die veel meer voedsel exporteren dan importeren. Voedsel exporterende landen
exporteren ongewild ook hun fosfaat dat in dit voedsel zit. Hun gronden zullen verarmen. Vooral de Verenigde
Staten, Brazilië en Frankrijk exporteren geweldige hoeveelheden voedsel in de vorm van graan. (en soja) Deze
landen verbruiken enorme hoeveelheden fosfaatkunstmest. Anders verarmen hun gronden, er wordt immers
voortdurend fosfaat afgevoerd. De landen die het voedsel importeren worden steeds rijker aan fosfaat. Een
belangrijk deel van het voedsel wordt namelijk aan dieren gevoerd. En deze dieren maken producten zoals
vlees, melk en eieren maar het meeste wat ze produceren is natuurlijk mest, fosfaat houdende mest. Er
ontstaat hier dus een overschot aan fosfaatrijke mest. Het beste is natuurlijk dat deze fosfaatrijke mest
natuurlijk terug zou gaan naar de landen die voedsel exporteren. Maar dit gebeurt niet om economische
redenen. De kringloop wordt dus niet gesloten. En als je een natuurlijk kringloop niet sluit krijg je op allerlei
plaatsen problemen.
Vragen en opdrachten:
1. Noem drie cel onderdelen waarbij fosfaat een belangrijke rol speelt
2. We kennen de compartimenten water, lucht, bodem en organismen.
In welk compartiment komt fosfaat niet voor?
3. Dieren bezitten in tegenstelling tot planten heel veel fosfaat.
In welk onderdeel van mens of dier bevindt zich heel veel fosfaat?
4. Welke twee mineralen bevinden zich in beendermeel dat als kunstmest gebruikt kan worden?
En waarom is dit eigenlijk geen echt kunstmest?
5. Als voedsel naar de stad gaat waarom ontstaat er dan in een natuurlijke kringloop snel een tekort aan
fosfaat in de bodem?
6. In welk land is menselijke mest nog altijd een vast onderdeel van de bemesting van de bodem?
7. Leg uit hoe er met de komst van de WC een belangrijk deel van de fosfaat niet meer terugkomt op het land
als bemesting, Wat blijft dit fosfaat?
8. Wat is het voordeel en wat is het nadeel van fosfaatkunstmest?
9. Wat is het nadeel van voedseltransporten over grote afstanden?
10. Leg uit dat voedselexportlanden kampen met fosfaatgebrek en netto-voedselimportlanden kampen met
een fosfaatoverschot.
Opdrachten: in kunstmest bevinden zich een deel P(fosfor) of N(stikstof), percentages = aandeel P x 100 %.
Berekening: (= aandeel P/totale massa) x 100% = gehalte in procenten.
Bereken het gehalte P in K3PO4
Bereken het gehalte P in Ca3(PO4)2
Bereken het gehalte P in Ca(H2PO4)2
Bereken het gehalte N in KNO3
Bereken het gehalte N in Ca(NO3)2
Bereken het gehalte N in NH4NO3