Чем химические реакции отличаются от ядерных. Виды химических реакций Вопросы для повторения и задания

В жизни нас окружают разнообразные тела и предметы. Например, в помещениях это окно, дверь, стол, лампочка, чашка, на улице - автомобиль, светофор, асфальт. Любые тела или предметы состоят из вещества. В данной статье пойдёт речь о том, что такое вещество.

Что такое химия?

Вода является незаменимым растворителем и стабилизатором. Она обладает сильной теплоёмкостью и теплопроводностью. Водная среда благоприятна для протекания основных химических реакций. Она характеризуется прозрачностью и практически устойчива к сжатию.

Чем отличаются неорганические и органические вещества?

Особо сильных внешних отличий между двумя этими группами веществ нет. Главное отличие заключается в строении, где неорганические вещества обладают немолекулярным строением, а органические - молекулярным.

Неорганические вещества имеют немолекулярное строение, поэтому для них характерны высокие температуры плавления и кипения. Они не содержат углерода. К ним можно отнести благородные газы (неон, аргон), металлы (кальций, кальций, натрий), амфотерные вещества (железо, алюминий) и неметаллы (кремний), гидроксиды, бинарные соединения, соли.

Органические вещества молекулярного строения. У них достаточно низкие температуры плавления, и они быстро разлагаются при нагревании. В основном состоят из углерода. Исключения: карбиды, карбонаты, оксиды углерода и цианиды. Углерод позволяет образовывать огромное количество непростых соединений (в природе их известно более 10 миллионов).

Большинство их классов принадлежит к биологическому рождению (углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты). Данные соединения включают в свой состав азот, водород, кислород, фосфор и серу.

Чтобы понять, что такое вещество, необходимо представить, какую роль оно играет в нашей жизни. Взаимодействуя с другими веществами, оно образует новые. Без них жизнедеятельность окружающего мира неотделима и немыслима. Все предметы состоят из определённых веществ, поэтому они играют важную роль в нашей жизни.

Природа развивается в динамике, живое и инертное вещество непрерывно проходит процессы трансформации. Наиболее важными преобразованиями являются те, которые влияют на состав вещества. Формирование пород, химическая эрозия, рождение планеты или дыхание млекопитающих все это наблюдаемые процессы, влекущие за собой изменения других веществ. Несмотря на различия, все они составляют нечто общее: изменения на молекулярном уровне.

1. В ходе химических реакций элементы не теряют свою идентичность. В этих реакциях участвуют только электроны внешней оболочки атомов, в то время как ядра атомов остаются неизменными.
2. Реакционная способность элемента к химической реакции зависит от степени окисления элемента. В обычных химических реакциях Ра и Ра 2+ ведут себя совершенно по-разному.
3. Различные изотопы элемента имеют почти такую же химическую реакционную способность.
4. Скорость химической реакции в значительной степени зависит от температуры и давления.
5. Химическая реакция может быть отменена.
6. Химические реакции сопровождаются относительно небольшими изменениями энергии.

Ядерные реакции

1. В ходе ядерных реакций, ядра атомов претерпевают изменения и, следовательно, в результате образуются новые элементы.
2. Реакционная способность элемента к ядерной реакции практически не зависит от степени окисления элемента. Например, Ra или Ra 2+ ионов в Ка С 2 ведут себя аналогичным образом при ядерных реакциях.
3. В ядерных реакциях, изотопы ведут себя совершенно по-разному. Например, U-235 подвергается делению спокойно и легко, но U-238 этого не делает.
4. Скорость ядерной реакции не зависит от температуры и давления.
5. Ядерная реакция не может быть отменена.
6. Ядерные реакции сопровождаются большими изменениями энергии.

Разница между химической и ядерной энергией

• Потенциальная энергия, которая может быть преобразована в другие формы в первую очередь тепла и света когда образуются связи.
• Чем сильнее связь, тем больше преобразованная химическая энергия.

• Ядерная энергия не связана с образованием химических связей (которые обусловлены взаимодействием электронов)
• Может быть преобразована в другие формы, когда происходит изменение в ядре атома.

Ядерное изменение происходит во всех трех основных процессах:

1. Расщепление ядра
2. Соединение двух ядер, чтобы сформировать новое ядро.
3. Высвобождение высокой энергии электромагнитного излучения (гамма-излучение), создавая более стабильную версию того же ядра.

Сравнение преобразования энергии

Количество освобожденной химической энергии (или преобразованной) в химическом взрыве составляет:

• 5кДж на каждый грамм тротила
• Количество ядерной энергии в выпущенной атомной бомбе: 100млн кДж на каждый грамм урана или плутония

Одно из основных отличий между ядерной и химической реакцией связано с тем, как реакция происходит в атоме. В то время как ядерная реакция происходит в ядре атома, электроны в атоме отвечают за происходящую химическую реакцию.

Химические реакции включают:

• Передачи
• Потери
• Усиление
• Разделение электронов

Согласно теории атома материи объясняются в результате перегруппировки, чтобы дать новые молекулы. Вещества, участвующие в химической реакции и пропорции, в которых они образуются, выражаются в соответствующих химических уравнениях, лежащих в основе для выполнения различных видов химических расчетов.

Ядерные реакции отвечают за распад ядра и не имеют ничего общего с электронами. Когда ядро распадается, оно может перейти к другому атому, из-за потери нейтронов или протонов. В ядерной реакции, протоны и нейтроны взаимодействуют внутри ядра. В химических реакциях электроны реагируют вне ядра.

Результатом ядерной реакции можно назвать какое-либо деление или слияния. Новый элемент образуется из-за действия протона или нейтрона. В результате химической реакции, вещество, изменяется на одно или более веществ из-за действия электронов. Новый элемент образуется из-за действия протона или нейтрона.

При сравнении энергии, химическая реакция включает в себя только низкое изменение энергии, тогда как ядерная реакция имеет изменение очень высокой энергии. В ядерной реакции, энергетические изменения величины 10 ^ 8 кДж. Это 10 — 10 ^ 3 кДж / моль в химических реакциях.

В то время как одни элементы преобразуются в другие в ядерной, число атомов остается неизменным в химических. В ядерной реакции, изотопы реагируют по-разному. Но в результате химической реакции, изотопы также вступают в реакцию.

Хотя ядерная реакция не зависит от химических соединений, химическая реакция, в значительной степени зависит от химических соединений.

Резюме

Ядерная реакция происходит в ядре атома, электроны в атоме отвечают за химические соединения.
1. Химические реакции охватывают – передачи, потери, усиление и разделение электронов, не вовлекая в процесс ядро. Ядерные реакции включают распад ядра и не имеют ничего общего с электронами.
2. В ядерной реакции, протоны и нейтроны реагируют внутри ядра, в химических реакциях электроны взаимодействуют вне ядра.
3. При сравнении энергий химическая реакция использует только низкое изменение энергии, тогда как ядерная реакция имеет изменение очень высокой энергии.

Об атомах и химических элементах

Другого ничего в природе нет

ни здесь, ни там, в космических глубинах:

все - от песчинок малых до планет -

из элементов состоит единых.

С. П. Щипачев, «Читая Менделеева».

В химии кроме терминов “атом” и “молекула” часто употребляется понятие “элемент” . Что общего и чем эти понятия различаются?

Химический элемент – это атомы одного и того же вида . Так, например, все атомы водорода – это элемент водород; все атомы кислорода и ртути – соответственно элементы кислород и ртуть.

В настоящее время известно более 107 видов атомов, то есть более 107 химических элементов. Нужно различать понятия “химический элемент”, “атом” и “простое вещество”

Простые и сложные вещества

По элементному составу различают простые вещества , состоящие из атомов одного элемента (H 2 , O 2 ,Cl 2 , P 4 , Na, Cu, Au), и сложные вещества , состоящие из атомов разных элементов (H 2 O,NH 3 , OF 2 , H 2 SO 4 , MgCl 2 ,K 2 SO 4).

В настоящее время известно 115 химических элементов, которые образуют около 500простых веществ.

Самородное золото - простое вещество.

Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией .Например, элемент кислород O имеет две аллотропные формы - дикислород O 2 и озон O 3 с различным числом атомов в молекулах.

Аллотропные формы элемента углерод C - алмаз и графит - отличаются строение их кристаллов.Существуют и другие причины аллотропии.

химическими соединениями , например оксид ртути(II) HgO (получается путем соединения атомов простых веществ - ртути Hg и кислорода O 2), бромид натрия(получается путем соединения атомов простых веществ - натрия Na и брома Br 2).

Итак, подытожим вышесказанное. Молекулы вещества бывают двух видов:

1. Простые – молекулы таких веществ состоят из атомов одного вида. В химических реакциях не могут разлагаться с образованием нескольких более простых веществ.

2. Сложные – молекулы таких веществ состоят из атомов разного вида. В химических реакциях могут разлагаться с образованием более простых веществ.

Различие понятий “химический элемент” и “простое вещество”

Отличить понятия “химический элемент” и “простое вещество” можно при сравнении свойств простых и сложных веществ. Например, простое вещество – кислород – бесцветный газ, необходимый для дыхания, поддерживающий горение. Мельчайшая частица простого вещества кислорода – молекула, которая состоит из двух атомов. Кислород входит также всостав оксида углерода (угарный газ) и воды. Однако, в состав воды и оксида углерода входит химически связанный кислород, который не обладает свойствами простого вещества, в частности он не может быть использован для дыхания. Рыбы, например, дышат не химически связанным кислородом, входящим в состав молекулы воды, а свободным, растворенным в ней. Поэтому, когда речь идет о составе каких – либо химических соединений, следует понимать, что в эти соединения входят не простые вещества, а атомы определенного вида, то есть соответствующие элементы.

При разложении сложных веществ, атомы могут выделяться в свободном состоянии и соединяясь, образовывать простые вещества. Простые вещества состоят из атомов одного элемента. Различие понятий «химический элемент» и «простое вещество» подтверждается и тем, что один и тот же элемент может образовывать несколько простых веществ. Например, атомы элемента кислорода могут образовать двухатомные молекулы кислорода и трехатомные – озона. Кислород и озон – совершенно различные простые вещества. Этим объясняется тот факт, что простых веществ известно гораздо больше, чем химических элементов.

Пользуясь понятием «химический элемент», можно дать такое определение простым и сложным веществам:

Простыми называют такие вещества, которые состоят из атомов одного химического элемента.

Сложными называют такие вещества, которые состоят из атомов разных химических элементов.

Отличие понятий «смесь» и «химическое соединение»

Сложные вещества часто называют химическими соединениями.

Попробуйте ответить на вопросы:

1.Чем отличаются по составу смеси от химических соединений?

2. Сопоставьте свойства смесей и химических соединений?

3. Какими способами можно разделить на составляющие компоненты смеси и химического соединения?

4. Можно ли судить по внешним признакам об образовании смеси и химического соединения?

Сравнительная характеристика смесей и химических

Вопросы для сопоставления смесей с химическими соединениями	Сопоставление
	Смеси	Химические соединения
Чем отличаются по составу смеси от химических соединений?	Вещества можно смешивать в любых соотношениях, т.е. состав смесей переменный	Состав химических соединений постоянный.
Сопоставьте свойства смесей и химических соединений?	Вещества в составе смесей сохраняют свои свойства	Вещества, образующие соединения, свои свойства не сохраняют, так как образуется химическое соединений с другими свойствами
Какими способами можно разделить на составляющие компоненты смеси и химического соединения?	Вещества можно разделить физическими способами	Химические соединения можно разложить только с помощью химических реакций
Можно ли судить по внешним признакам об образовании смеси и химического соединения?	Механическое смешивание не сопровождается выделением теплоты или другими признаками химических реакций	Об образовании химического соединения можно судить по признакам химических реакций

Задания для закрепления

I. Поработайте с тренажёрами

II. Решите задание

Из предложенного списка веществ выпишите отдельно простые и сложные вещества:
NaCl, H 2 SO 4 , K, S 8 , CO 2 , O 3 , H 3 PO 4 , N 2 , Fe.
Объясните ваш выбор, в каждом из случаев.

III. Ответьте на вопросы

№1

Сколько простых веществ записано в ряду формул:
H 2 O, N 2 , O 3 , HNO 3 , P 2 O 5 , S, Fe, CO 2 , KOH.

№2

К сложным относятся оба вещества:

А) С (уголь) и S (сера);
Б) CO 2 (углекислый газ)и H 2 O (вода);
В) Fe (железо) и CH 4 (метан);
Г) H 2 SO 4 (серная кислота) и H 2 (водород).

№3

Выберите правильное утверждение:
Простые вещества состоят из атомов одного вида.

А) Верно

Б) Неверно

№4

Для смесей характерно то, что
А) Они имеют постоянный состав;
Б) Вещества в составе "смеси" не сохраняют свои индивидуальные свойства;
В) Вещества в "смесях" можно разделить физическими свойствами;
Г) Вещества в "смесях" можно разделить при помощи химической реакции.

№5

Для "химических соединений" характерно следующее:
А) Переменный состав;
Б) Вещества, в составе "химического соединения"можно разделить физическими способами;
В) Об образовании химического соединения можно судить по признакам химических реакций;
Г) Постоянный состав.

№6

В каком случае идёт речь о железе как о химическом элементе ?
А) Железо - это металл, который притягивается магнитом;
Б) Железо входит с состав ржавчины;
В) Для железа характерен металлический блеск;
Г) В состав сульфида железа входит один атом железа.

№7

В каком случае идёт речь о кислороде как о простом веществе?
А) Кислород - это газ, поддерживает дыхание и горение;
Б) Рыбы дышат кислородом, растворённым в воде;
В) Атом кислород входит в состав молекулы воды;
Г) Кислород входит в состав воздуха.

Текущая страница: 3 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

2.2.2. Образование планетных систем

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения, впервые высказанная в XVIII в. И. Кантом и позднее развитая П. Лапласом, Д. Койпером, Д. Альвеном и Р. Камероном, подтверждается целым рядом свидетельств.

Молодые звезды обнаруживаются внутри туманностей – областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли, размеры которых составляют несколько световых лет. Туманности встречаются по всей нашей галактике; полагают, что звезды и связанные с ними планетные системы образуются внутри этих громадных облаков материи.

С помощью спектроскопии было показано, что межзвездное вещество состоит из газов – водорода, гелия и неона – и пылевых частиц, имеющих размеры порядка нескольких микрон и состоящих из металлов и других элементов. Поскольку температура очень низка (10–20 К), все вещество, кроме упомянутых газов, находится в замерзшем состоянии на пылевых частицах. Более тяжелые элементы и некоторое количество водорода ведут свое происхождение от звезд предшествующих поколений; некоторые из этих звезд взорвались как сверхновые, вернув в межзвездную среду оставшийся водород и обогатив ее образованными в их недрах более тяжелыми элементами.

Средняя концентрация газа в межзвездном пространстве – всего 0,1 атома Н/см 3 , тогда как концентрация газа в туманностях приблизительно 1000 атомов Н/см 3 , т. е. в 10 000 раз больше. (В 1 см 3 воздуха содержится примерно 2,7×10 19 молекул.)

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитации, оно становится неустойчивым – в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают, и поэтому облако сжимается. В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения, легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества мала. По мере возрастания плотности вещества начинаются новые важные изменения. Вследствие гравитационных и других флуктуаций крупное облако дробится на облака меньшего размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в конечном счете по своей массе и размерам в несколько раз превышающие нашу Солнечную систему (рис. 2.2; 1–5). Такие облака называют протозвездами. Конечно, некоторые протозвезды массивнее, чем наша Солнечная система, они образуют более крупные и более горячие звезды, тогда как менее массивные протозвезды образуют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее, чем первые. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, выше которого произошла бы дальнейшая фрагментация, и нижним пределом, определяемым той минимальной массой, которая требуется для поддержания ядерных реакций.

Рис. 2.2. Эволюция газово пылевой туманности и образование протопланетного диска

Сначала потенциальная гравитационная энергия, превращающаяся в тепло (энергию излучения), в ходе гравитационного сжатия просто излучается наружу. Но по мере того, как плотность вещества возрастает, поглощается все большее количество энергии излучения и в результате возрастает температура. Летучие соединения, первоначально намерзшие на частицах пыли, начинают испаряться. Теперь к Н 2 , Не и Ne примешиваются такие газы, как NH 3 , CH 4 , Н 2 О (пары) и HCN. Эти газы поглощают последующие порции энергии излучения, диссоциируют и подвергаются ионизации.

Гравитационное сжатие протекает до тех пор, пока выделяющаяся энергия излучения рассеивается при испарении и ионизации молекул в частицах пыли. Когда молекулы полностью ионизируются, температура быстро возрастает до тех пор, пока сжатие почти прекращается, так как давление газа начинает уравновешивать силы тяготения. Таким образом заканчивается фаза быстрого гравитационного сжатия (коллапса).

В этот момент своего развития протозвезда, отвечающая нашей системе, представляет собой диск с утолщением в центре и температурой приблизительно 1000 К на уровне орбиты Юпитера. Такой протозвездный диск продолжает эволюционировать: в нем происходит перестройка, и он медленно сжимается. Сама протозвезда постепенно становится все более компактной, более массивной и более горячей, так как теперь тепло может излучаться только с ее поверхности. Передача тепла из глубины протозвезды к ее поверхности осуществляется с помощью конвекционных токов. Область от поверхности протозвезды до расстояния, эквивалентного орбите Плутона, заполнена газово-пылевым туманом.

В ходе этого сложного ряда сжатий, который, как полагают, потребовал около 10 млн лет, момент количества движения системы должен сохраняться. Вся галактика вращается, совершая 1 оборот в 100 млн лет. По мере сжатия пылевых облаков их момент количества движения не может измениться – чем сильнее они сжимаются, тем быстрее вращаются. Благодаря сохранению момента количества движения форма сжимающегося пылевого облака изменяется от сферической к дискообразной.

По мере сжатия оставшегося вещества протозвезды его температура становилась достаточно высокой для начала реакции слияния атомов водорода. С притоком большего количества энергии, благодаря этой реакции, температура становилась достаточно высокой для того, чтобы уравновесить силы дальнейшего гравитационного сжатия.

Планеты формировались из оставшихся газов и пыли на периферии протозвездного диска (рис. 2.3). Агломерация межзвездной пыли под действием гравитационного притяжения приводит к образованию звезды и планет примерно за 10 млн лет (1–4). Звезда входит на главную последовательность (4) и остается в стационарном (устойчивом) состоянии примерно в течение 8000 млн лет, постепенно перерабатывая водород. Затем звезда покидает главную последовательность, расширяется до красного гиганта (5 и 6) и «поглощает» свои планеты в течение последующих 100 млн лет. После нескольких тысяч лет пульсирования в качестве переменной звезды (7) она взрывается как сверхновая (8) и, наконец, сжимается до белого карлика (9). Хотя обычно планеты считают массивными объектами, общая масса всех планет составляет всего лишь 0,135 % массы Солнечной системы.

Рис. 2.3. Образование планетной системы

Наши планеты и, как предполагают, планеты, образующиеся в любом протозвездном диске, располагаются в двух главных зонах. Внутренняя зона, которая в Солнечной системе простирается от Меркурия до пояса астероидов, представляет собой зону мелких планет земного типа. Здесь, в фазе медленного сжатия протозвезды, температуры настолько высоки, что испаряются металлы. Внешняя холодная зона содержит такие газы, как Н 2 О, Не и Ne, и частицы, покрытые замерзшими летучими веществами типа Н 2 О, NH 3 и СН 4 . Эта внешняя зона с планетами типа Юпитера содержит гораздо больше вещества, чем внутренняя, поскольку она имеет большие размеры и поскольку большая часть летучих веществ, первоначально находившихся во внутренней зоне, выталкивается наружу в результате деятельности протозвезды.

Один из способов построения картины эволюции звезды и вычисления ее возраста заключается в анализе большой случайной выборки звезд. При этом измеряют расстояния до звезд, их видимый блеск и цвет каждой звезды.

Если известны видимый блеск и расстояние до звезды, то можно вычислить ее абсолютную звездную величину, поскольку видимый блеск звезды обратно пропорционален расстоянию до нее. Абсолютная звездная величина есть функция скорости высвобождения энергии независимо от ее расстояния до наблюдателя.

Цвет звезды определяется ее температурой: голубой цвет соответствует очень горячим звездам, белый – горячим, а красный – относительно холодным.

На рисунке 2.4 представлена диаграмма Герцшпрунга – Рессела, известная вам из курса астрономии, отражающая зависимость между абсолютной звездной величиной и цветом для большого числа звезд. Поскольку эта классическая диаграмма включает звезды всевозможных размеров и возрастов, она соответствует «средней» звезде на различных стадиях ее эволюции.

Рис. 2.4. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела

Большинство звезд располагается на прямолинейной части диаграммы; они испытывают лишь постепенные изменения равновесия по мере выгорания содержащегося в них водорода. На этой части диаграммы, которая называется главной последовательностью, звезды с большей массой имеют более высокую температуру; в них быстрее протекает реакция слияния атомов водорода, и продолжительность их жизни меньше. Звезды с массой меньшей, чем солнечная, имеют более низкую температуру, слияние водородных атомов протекает в них медленнее, и продолжительность их жизни больше. Когда либо звезда главной последовательности израсходует около 10 % своих исходных запасов водорода, ее температура снизится и произойдет расширение. Как предполагают, красные гиганты представляют собой «состарившиеся» звезды всех размеров, принадлежавшие ранее главной последовательности. При точном определении возраста звезды эти факторы следует принимать во внимание. Вычисления с их учетом показывают, что ни одна звезда в нашей галактике не старше 11 000 млн лет. Некоторые маленькие звезды имеют этот возраст; многие более крупные звезды гораздо моложе. Самые массивные звезды могут находиться на главной последовательности не более 1 млн лет. Солнце и звезды подобных размеров находятся на главной последовательности около 10 000 млн лет, прежде чем достигают стадии красных гигантов.

Опорные точки

1. Материя находится в непрерывном движении и развитии.

2. Биологическая эволюция являет собой определенный качественный этап эволюции материи в целом.

3. Преобразования элементов и молекул в космическом пространстве происходят постоянно с очень невысокой скоростью.

1. Что такое реакции ядерного синтеза? Приведите примеры.

2. Как, в соответствии с гипотезой Канта – Лапласа, из газово-пылевой материи формируются звездные системы?

3. Есть ли различия в химическом составе планет одной и той же звездной системы?

2.2.3. Первичная атмосфера Земли и химические предпосылки возникновения жизни

Придерживаясь вышеизложенной точки зрения на происхождение планетных систем, можно сделать достаточно обоснованные оценки элементного состава первичной атмосферы Земли. Частично современные взгляды основываются, конечно, на огромном преобладании в космосе водорода; оно обнаруживается также и в Солнце. В таблице 2.2 приведен элементный состав звездного и солнечного вещества.

Таблица 2.2. Элементный состав звездного и солнечного вещества

Предполагается, что атмосфера первичной Земли, имевшей большую среднюю температуру, была примерно такова: до гравитационной потери водород составлял большую ее часть, а главными молекулярными составляющими были метан, вода и аммиак. Интересно сравнить элементарный состав звездного вещества с составом современной Земли и живого вещества на Земле.

Наиболее распространенными элементами в неживой природе являются водород и гелий; за ними следуют углерод, азот, кремний и магний. Заметим, что живое вещество биосферы на поверхности Земли состоит преимущественно из водорода, кислорода, углерода и азота, чего, конечно, и следовало ожидать, судя по самой природе этих элементов.

Начальная атмосфера Земли могла изменяться в результате самых различных процессов, в первую очередь в результате диффузионного ускользания водорода и гелия, составлявших значительную ее часть. Эти элементы – самые легкие, и они должны были утрачиваться из атмосферы, ибо гравитационное поле нашей планеты мало в сравнении с полем планет гигантов. Большая часть начальной атмосферы Земли должна была быть утеряна за очень короткое время; поэтому предполагается, что многие первичные газы земной атмосферы – это газы, которые были захоронены в недрах Земли и выделились вновь в результате постепенного разогрева земных пород. Первичную атмосферу Земли, вероятно, составляли органические вещества того же рода, которые наблюдаются в кометах: молекулы со связями углерод – водород, углерод – азот, азот – водород и кислород – водород. Помимо них, при гравитационном разогреве земных недр, вероятно, появлялись также водород, метан, окись углерода, аммиак, вода и т. д. Таковы те вещества, с которыми проведено большинство экспериментов по моделированию первичной атмосферы.

Что же могло в действительности происходить в условиях первичной Земли? Для того чтобы определить это, необходимо знать, какие виды энергии вероятнее всего воздействовали на ее атмосферу.

2.2.4. Источники энергии и возраст Земли

Развитие и преобразование материи без притока энергии невозможно. Рассмотрим те источники энергии, которые обусловливают дальнейшую эволюцию веществ уже не в космосе, а на нашей планете – на Земле.

Оценить роль источников энергии нелегко; при этом необходимо учитывать неравновесность условий, охлаждение продуктов реакции и степень их экранирования от источников энергии.

По-видимому, любые источники энергии (табл. 2.3) оказывали значительное влияние на преобразование веществ на нашей планете. Как это происходило? Конечно, свидетельств объективного характера просто не существует. Однако процессы, протекавшие на нашей Земле в глубокой древности, можно смоделировать. Во-первых, необходимо определить временные границы, а во-вторых, воспроизвести с возможной точностью условия в каждой из обсуждаемых эпох существования планеты.

Для обсуждения вопросов о происхождении жизни на Земле помимо знания источников энергии, необходимых для преобразования материи, нужно иметь и достаточно четкое представление о времени этих преобразований.

Таблица 2.3. Возможные источники энергии для первичной химической эволюции

Таблица 2.4. Периоды полураспада и другие данные о некоторых элементах, используемых при определении возраста Земли

Развитие физических наук в настоящее время предоставило биологам несколько эффективных методов определения возраста тех или иных пород земной коры. Сущность этих способов заключается в анализе соотношения различных изотопов и конечных продуктов ядерного распада в образцах и соотнесении результатов исследования со временем расщепления исходных элементов (табл. 2.4).

Использование подобных методов позволило ученым построить временную шкалу истории Земли с момента ее остывания, 4500 млн лет назад, и до настоящего времени (табл. 2.5). Теперь наша задача состоит в том, чтобы внутри этой временной шкалы установить, каковы были условия на примитивной Земле, какого рода атмосферу имела Земля, какая была температура, давление, когда образовались океаны, и как сформировалась сама Земля.

Таблица 2.5. Геохронологическая шкала

2.2.5. Условия среды на древней Земле

Сегодня воссоздание условий, в которых возникли первые «зародыши жизни», имеет принципиальное значение для науки. Велика заслуга А. И. Опарина, в 1924 г. предложившего первую концепцию химической эволюции, согласно которой в качестве отправной точки в лабораторных экспериментах по воспроизведению условий первичной Земли предлагалась бескислородная атмосфера.

В 1953 г. американские ученые Г. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов (рис. 2.5). Впервые с помощью такого эксперимента среди полученных продуктов были идентифицированы аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты).

Опыты Миллера и Юри стимулировали исследования молекулярной эволюции и происхождения жизни во многих лабораториях и привели к систематическому изучению проблемы, в ходе которого синтезированы биологически важные соединения. Основные условия на первобытной Земле, принятые во внимание исследователями, приведены в таблице 2.6.

Давление, как и количественный состав атмосферы, трудно рассчитать. Оценки, сделанные с учетом «парникового» эффекта, весьма произвольны.

Расчеты, в которых приняты во внимание «парниковый» эффект, а также приблизительная интенсивность солнечной радиации в абиотическую эру, привели к значениям на несколько десятков градусов выше температуры замерзания. Почти все эксперименты по воссозданию условий первичной Земли выполнены при температурах 20–200 °С. Эти пределы были установлены не путем расчетов или экстраполяции некоторых геологических данных, а скорее всего с учетом температурных границ устойчивости органических соединений.

Использование смесей газов, подобных газам первичной атмосферы, различных видов энергии, которые были характерны для нашей планеты 4–4,5×10 9 лет тому назад, и учет климатических, геологических и гидрографических условий того периода позволили во многих лабораториях, занимающихся изучением возникновения жизни, найти доказательства путей абиотического возникновения таких органических молекул, как альдегиды, нитриты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины, нуклеотиды и т. д.

Рис. 2.5. Аппарат Миллера

Таблица 2.6. Условия на первобытной Земле

Возникновение протобиополимеров представляет собой более сложную проблему. Необходимость их существования во всех живых системах очевидна. Они ответственны за протоферментативные процессы (например, гидролиз, декарбоксилирование, аминирование, дезаминирование, перекисное окисление и т. д.), за некоторые весьма простые процессы, как, например, брожение, и за другие, более сложные, например фотохимические реакции, фотофосфорилирование, фотосинтез и т. д.

Наличие воды на нашей планете (первичный океан) обусловило возможность возникновения протобиополимеров в процессе химической реакции – конденсации. Так, для образования в водных растворах пептидной связи согласно реакции:

необходимы затраты энергии. Эти затраты энергии во много раз возрастают при получении белковых молекул в водных растворах. Для синтеза макромолекул из «биомономеров» требуется привлечение специфических (ферментативных) методов удаления воды.

General process of evolution of matter and energy in the Universe includes several consecutive stages. Among them are the formation of space nebulae, their development and structuring of planetary systems can be recognized. Transformations of substances that take place on the planets are determined by some general natural laws and depend on the position of the planet within the star system. Some of these planets, like the Earth, are characterized by the features that enable the development of inorganic matter towards appearance of various complicated organic molecules.

Опорные точки

1. Первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из водорода и его соединений.

2. Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца и получает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии.

3. В водных растворах за счет различных источников энергии возникают небиологическим путем простейшие органические соединения.

Вопросы для повторения и задания

1. Перечислите космические и планетарные предпосылки возникновения жизни абиогенным путем на нашей планете.

2. Какое значение для возникновения органических молекул из неорганических веществ на Земле имел восстановительный характер первичной атмосферы?

3. Опишите аппарат и методику проведения опытов С. Миллера и П. Юри.

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».

Терминология

Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведенное в правой колонке на русском и английском языках.

Select the correct definition for every term in the left column from English and Russian variants listed in the right column.

Вопросы для обсуждения

Какие, по вашему мнению, источники энергии преобладали на древней Земле? Как можно объяснить неспецифическое влияние различных источников энергии на процессы образования органических молекул?

2.3. Теории происхождения протобиополимеров

Различные оценки характера среды на первобытной Земле привели к созданию разных условий экспериментов, имевших принципиально единые, но не всегда одинаковые в частностях результаты.

Рассмотрим некоторые из важнейших теорий возникновения полимерных структур на нашей планете, лежащих у истоков образования биополимеров – основы жизни.

Термическая теория. Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. По сравнению с другими компонентами живой материи наиболее хорошо изучен синтез полипептидов.

Автором гипотезы синтеза полипептидов термическим путем является американский ученый С. Фокс, который длительное время изучал возможности образования пептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле. Если смесь аминокислот нагреть до 180–200 °С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты полимеризации, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. В случаях, когда исходные смеси аминокислот экспериментаторы обогащали аминокислотами кислого или основного типа, например аспарагиновой и глутаминовой кислотами, доля полипептидов значительно возрастала. Молекулярная масса полимеров, полученных таким путем, может достигать нескольких тыс. D. (D – Дальтон, единица измерения массы, численно равная массе 1 / 16 атома кислорода.)

Полимеры, полученные термическим путем из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако в случае конденсации термическим путем нуклеотидов и моносахаридов, имеющих сложную структуру, образование известных в настоящее время нуклеиновых кислот и полисахаридов представляется маловероятным.

Теория адсорбции. Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является малая концентрация молекул и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. И действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1 %. Такая концентрация в силу редкости и случайности контактов различных молекул, необходимых для конденсации веществ, не могла обеспечить столь «быстрого» образования протобиополимеров, как это имело место на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолением такого концентрационного барьера, было предложено английским физиком Д. Берналом, считавшим, что концентрирование разбавленных растворов органических веществ происходит путем «адсорбции их в водных отложениях глин».

В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются, что приводит к разрушению одних и образованию других химических соединений.

Низкотемпературная теория. Авторы данной теории, румынские ученые К. Симонеску и Ф. Денеш, исходили из несколько иных представлений об условиях абиогенного возникновения простейших органических соединений и их конденсации в полимерные структуры. Ведущее значение в качестве источника энергии авторы придают энергии холодной плазмы. Такое мнение небезосновательно.

Холодная плазма широко распространена в природе. Ученые полагают, что 99 % Вселенной находится в состоянии плазмы. Встречается это состояние материи и на современной Земле в виде шаровых молний, полярных сияний, а также особого типа плазмы – ионосферы.

Вне зависимости от характера энергии на абиотической Земле любой ее вид преобразует химические соединения, в особенности органические молекулы, в активные частицы, такие, как моно– и полифункциональные свободные радикалы. Однако дальнейшая их эволюция в значительной степени зависит от плотности энергетического потока, который в случае использования холодной плазмы наиболее ярко выражен.

В результате проведения кропотливых и сложных экспериментов с холодной плазмой в качестве источника энергии для абиогенного синтеза протобиополимеров исследователям удалось получить как отдельные мономеры, так и полимерные структуры пептидного типа и липиды.

Опарин считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения индивидуальных фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, используя ее вещества и энергию, и на этой основе способных расти, множиться и подвергаться естественному отбору.

Абиотическое выделение многомолекулярных систем из однородного раствора органических веществ, по-видимому, должно было осуществляться многократно. Оно и сейчас очень широко распространено в природе. Но в условиях современной биосферы можно непосредственно наблюдать только начальные стадии образования таких систем. Их эволюция обычно очень кратковременна в присутствии уничтожающих все живое микробов. Поэтому для понимания этой стадии возникновения жизни необходимо искусственно получать фазово-обособленные органические системы в строго контролируемых лабораторных условиях и на сформированных таким образом моделях устанавливать как пути их возможной эволюции в прошлом, так и закономерности этого процесса. При работе с высокомолекулярными органическими соединениями в лабораторных условиях постоянно встречаются с образованием такого рода фазово-обособленных систем. Поэтому можно представить себе пути их возникновения и экспериментально получить в лабораторных условиях разнообразные системы, многие из которых могли бы послужить нам моделями возникавших когда-то на земной поверхности образований. Для примера можно назвать некоторые из них: «пузырьки» Гольдейкра, «микросферы» Фокса, «джейвану» Бахадура, «пробионты» Эгами и многие другие.

Часто при работе с такими искусственными самоизолирующимися из раствора системами особое внимание обращается на их внешнее морфологическое сходство с живыми объектами. Но не в этом лежит решение вопроса, а в том, чтобы система могла взаимодействовать с внешней средой, используя ее вещества и энергию по типу открытых систем, и на этой основе расти и множиться, что характерно для всех живых существ.

Наиболее перспективными в этом отношении моделями могут служить коацерватные капли.

Каждая молекула имеет определенную структурную организацию, т. е. атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве. Вследствие этого в молекуле образуются полюсы с различными зарядами. Например, молекула воды Н 2 О образует диполь, в котором одна часть молекулы несет положительный заряд (+), а другая – отрицательный (-). Кроме этого, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируют на ионы. В силу таких особенностей химической организации молекул вокруг них в воде образуются водные «рубашки» из определенным образом ориентированных молекул воды. На примере молекулы NaCl можно заметить, что диполи воды, окружающие ион Na + , обращены к нему отрицательными полюсами (рис. 2.6), а к иону Сl − – положительными.

Рис. 2.6. Гидратированный катион натрия

Рис. 2.7. Сборка коацерватов

Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию, поэтому они тоже окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей в растворе, температуры и др.

При определенных условиях водная оболочка приобретает четкие границы и отделяет молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты (рис. 2.7).

Коацерватные капли возникают также при простом смешивании разнообразных полимеров как естественных, так и искусственно полученных. При этом происходит самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под оптическим микроскопом капли (рис. 2.8). В них сосредоточивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда оказывается почти полностью их лишена.

Капли отделены от окружающей среды резкой границей раздела, но они способны поглощать извне вещества по типу открытых систем.

Рис. 2.8. Коацерватные капли, полученные в эксперименте

Путем включения в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) можно вызывать ряд реакций, в частности полимеризацию поступающих из внешней среды мономеров. За счет этого капли могут увеличиваться в объеме и весе, а затем дробиться на дочерние образования.

Например, процессы, протекающие в коацерватной капле, изображены в квадратных скобках, а вне их помещены вещества, находящиеся во внешней среде:

глюкозо-1-фосфат → [глюкозо-1-фосфат → крахмал → мальтоза] → мальтоза

Коацерватную каплю, образованную из белка и гуммиарабика, погружают в раствор глюкозо-1-фосфата. Глюкозо-1-фосфат начинает входить в каплю и полимеризуется в ней в крахмал при действии катализатора – фосфорилазы. За счет образовавшегося крахмала капля растет, что легко может быть установлено как химическим анализом, так и непосредственными микроскопическими измерениями. Если в каплю включить другой катализатор – b-амилазу, крахмал распадается до мальтозы, которая выделяется во внешнюю среду.

Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обусловливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их ранее не было.

Другая схема иллюстрирует опыт, где полимером является полинуклеотид. Капля, состоящая из белка-гистона и гуммиарабика, окружена раствором АДФ.

Поступая в каплю, АДФ полимеризуется под влиянием полимеразы в полиадениловую кислоту, за счет которой капля растет, а неорганический фосфор поступает во внешнюю среду.

АДФ → [АДФ → Поли-А + Ф] → Ф

При этом капля в течение короткого срока увеличивается в объеме более чем в два раза.

Как в случае синтеза крахмала, так и при образовании полиадениловой кислоты в качестве исходных веществ в окружающий раствор вносили богатые энергией (макроэргические) соединения. За счет энергии этих соединений, поступающих из внешней среды, и происходил синтез полимеров и рост коацерватных капель. В другой серии опытов академика А. И. Опарина и сотрудников было продемонстрировано, что и в самих коацерватных каплях могут протекать реакции, связанные с рассеиванием энергии.

Во время химических реакций из одних веществ получаются другие (не путать с ядерными реакциями, в которых один химический элемент превращается в другой).

Любая химическая реакция описывается химическим уравнением :

Реагенты → Продукты реакции

Стрелка указывает направление протекания реакции.

Например:

В данной реакции метан (СН 4) реагирует с кислородом (О 2), в результате чего образуется диоксид углерода (СО 2) и вода (Н 2 О), а точнее - водяной пар. Именно такая реакция происходит на вашей кухне, когда вы поджигаете газовую конфорку. Читать уравнение следует так: одна молекула газообразного метана вступает в реакцию с двумя молекулами газообразного кислорода, в результате получается одна молекула диоксида углерода и две молекулы воды (водяного пара).

Числа, расположенные перед компонентами химической реакции, называются коэффициентами реакции .

Химические реакции бывают эндотермическими (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Горение метана - типичный пример экзотермической реакции.

Существует несколько видов химических реакций. Самые распространенные:

• реакции соединения;
• реакции разложения;
• реакции одинарного замещения;
• реакции двойного замещения;
• реакции окисления;
• окислительно-восстановительные реакции.

Реакции соединения

В реакциях соединения хотя бы два элемента образуют один продукт:

2Na (т) + Cl 2 (г) → 2NaCl (т) - образование поваренной соли.

Следует обратить внимание на существенный нюанс реакций соединения: в зависимости от условий протекания реакции или пропорций реагентов, вступающих в реакцию, - ее результатом могут быть разные продукты. Например, при нормальных условиях сгорания каменного угля получается углекислый газ:
C (т) + O 2 (г) → CO 2 (г)

Если же количество кислорода недостаточно, то образуется смертельно опасный угарный газ:
2C (т) + O 2 (г) → 2CO (г)

Реакции разложения

Эти реакции являются, как бы, противоположными по сути, реакциям соединения. В результате реакции разложения вещество распадается на два (3, 4...) более простых элемента (соединения):

• 2H 2 O (ж) → 2H 2 (г) + O 2 (г) - разложение воды
• 2H 2 O 2 (ж) → 2H 2 (г) O + O 2 (г) - разложение перекиси водорда

Реакции одинарного замещения

В результате реакций одинарного замещения, более активный элемент замещает в соединении менее активный:

Zn (т) + CuSO 4 (р-р) → ZnSO 4 (р-р) + Cu (т)

Цинк в растворе сульфата меди вытесняет менее активную медь, в результате чего образуется раствор сульфата цинка.

Степень активности металлов по возрастанию активности:

• Наиболее активными являются щелочные и щелочноземельные металлы

Ионное уравнение вышеприведенной реакции будет иметь вид:

Zn (т) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (т)

Ионная связь CuSO 4 при растворении в воде распадается на катион меди (заряд 2+) и анион сульфата (заряд 2-). В результате реакции замещения образуется катион цинка (который имеет такой же заряд, как и катион меди: 2-). Обратите внимание, что анион сульфата присутствует в обеих частях уравнения, т.е., по всем правилам математики его можно сократить. В итоге получится ионно-молекулярное уравнение:

Zn (т) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (т)

Реакции двойного замещения

В реакциях двойного замещения происходит замещение уже двух электронов. Такие реакции еще называют реакциями обмена . Такие реакции проходят в растворе с образованием:

• нерастворимого твердого вещества (реакции осаждения);
• воды (реакции нейтрализации).

Реакции осаждения

При смешивании раствора нитрата серебра (соль) с раствором хлорида натрия образуется хлорид серебра:

Молекулярное уравнение: KCl (р-р) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (т) + KNO 3 (p-p)

Ионное уравнение: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (т) + K + + NO 3 -

Молекулярно-ионное уравнение: Cl - + Ag + → AgCl (т)

Если соединение растворимое, оно будет находиться в растворе в ионном виде. Если соединение нерастворимое, оно будет осаждаться, образовывая твердое вещество.

Реакции нейтрализации

Это реакции взаимодействия кислот и оснований, в результате которых образуются молекулы воды.

Например, реакция смешивания раствора серной кислоты и раствора гидроксида натрия (щелока):

Молекулярное уравнение: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (ж)

Ионное уравнение: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (ж)

Молекулярно-ионное уравнение:2H + + 2OH - → 2H 2 O (ж) или H + + OH - → H 2 O (ж)

Реакции окисления

Это реакции взаимодействия веществ с газообразным кислородом, находящимся в воздухе, при которых, как правило, выделяется большое количество энергии в виде тепла и света. Типичная реакция окисления - это горение. В самом начале данной страницы приведена реакция взаимодействия метана с кислородом:

CH 4 (г) + 2O 2 (г) → CO 2 (г) + 2H 2 O (г)

Метан относится к углеводородам (соединения из углерода и водорода). При реакции углеводорода с кислородом выделяется много тепловой энергии.

Окислительно-восстановительные реакции

Это реакции при которых происходит обмен электронами между атомами реагентов. Рассмотренные выше реакции, также являются окислительно-восстановительными реакциями:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - реакция соединения
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - реакция окисления
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - реакция одинарного замещения

Максимально подробно окислительно-восстановительные реакции с большим количеством примеров решения уравнений методом электронного баланса и методом полуреакций описаны в разделе