Ima li hemijskih razlika. Šta je supstanca? Koje su klase supstanci. Razlika između organskih i neorganskih supstanci. Reakcije dvostruke zamjene

U životu smo okruženi raznim telima i predmetima. Na primjer, u zatvorenom prostoru to je prozor, vrata, sto, sijalica, šolja, na ulici - auto, semafor, asfalt. Bilo koje tijelo ili predmet napravljeno je od materije. Ovaj članak će govoriti o tome što je supstanca.

Šta je hemija?

Voda je nezamjenjiv rastvarač i stabilizator. Ima jak toplotni kapacitet i toplotnu provodljivost. Vodena sredina je povoljna za osnovne hemijske reakcije. Proziran je i praktično otporan na kompresiju.

Koja je razlika između neorganskih i organskih supstanci?

Ne postoje posebno jake vanjske razlike između ove dvije grupe supstanci. Glavna razlika leži u strukturi, gdje neorganske tvari imaju nemolekularnu strukturu, a organske tvari imaju molekularnu strukturu.

Neorganske tvari imaju nemolekularnu strukturu, stoga ih karakteriziraju visoke točke topljenja i ključanja. Ne sadrže ugljenik. Tu spadaju plemeniti gasovi (neon, argon), metali (kalcijum, kalcijum, natrijum), amfoterne supstance (gvožđe, aluminijum) i nemetali (silicijum), hidroksidi, binarna jedinjenja, soli.

Organske tvari molekularne strukture. Imaju prilično niske tačke topljenja i brzo se raspadaju kada se zagreju. Uglavnom se sastoje od ugljenika. Izuzeci: karbidi, karbonati, ugljični oksidi i cijanidi. Ugljik omogućava stvaranje ogromnog broja složenih spojeva (više od 10 miliona njih je poznato u prirodi).

Većina njihovih klasa pripada biološkom porijeklu (ugljikohidrati, proteini, lipidi, nukleinske kiseline). Ova jedinjenja uključuju azot, vodonik, kiseonik, fosfor i sumpor.

Da bismo razumjeli šta je supstanca, potrebno je zamisliti kakvu ulogu igra u našem životu. U interakciji s drugim supstancama stvara nove. Bez njih je vitalna aktivnost okolnog svijeta neodvojiva i nezamisliva. Svi predmeti su sastavljeni od određenih supstanci, pa igraju važnu ulogu u našem životu.

Tokom hemijskih reakcija, druge se dobijaju iz nekih supstanci (ne treba ih mešati sa nuklearnim reakcijama, u kojima se jedan hemijski element pretvara u drugi).

Svaka hemijska reakcija je opisana hemijskom jednadžbom:

Reagensi → Reakcioni proizvodi

Strelica pokazuje smjer reakcije.

Na primjer:

U ovoj reakciji metan (CH 4) reagira s kisikom (O 2), što rezultira stvaranjem ugljičnog dioksida (CO 2) i vode (H 2 O), odnosno vodene pare. Ovo se dešava u vašoj kuhinji kada upalite plinski gorionik. Jednačinu treba čitati ovako: jedan molekul plina metana reagira sa dva molekula plina kisika, što rezultira jednim molekulom ugljičnog dioksida i dva molekula vode (vodena para).

Zovu se brojevi ispred komponenti hemijske reakcije koeficijenti reakcije.

Hemijske reakcije su endotermni(sa apsorpcijom energije) i egzotermna(sa oslobađanjem energije). Sagorijevanje metana je tipičan primjer egzotermne reakcije.

Postoji nekoliko vrsta hemijskih reakcija. Najčešći:

• složene reakcije;
• reakcije raspadanja;
• reakcije pojedinačne supstitucije;
• reakcije dvostruke supstitucije;
• oksidacijske reakcije;
• redoks reakcije.

Složene reakcije

U složenim reakcijama najmanje dva elementa formiraju jedan proizvod:

2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- formiranje kuhinjske soli.

Treba obratiti pažnju na bitnu nijansu reakcija jedinjenja: u zavisnosti od uslova reakcije ili proporcija reaktanata koji ulaze u reakciju, mogu nastati različiti proizvodi. Na primjer, u normalnim uvjetima sagorijevanja uglja, ugljični dioksid se dobija:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)

Ako je količina kisika nedovoljna, tada nastaje smrtonosni ugljični monoksid:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)

Reakcije razgradnje

Ove reakcije su, takoreći, suštinski suprotne reakcijama jedinjenja. Kao rezultat reakcije raspadanja, tvar se raspada na dva (3, 4 ...) jednostavnija elementa (spojene):

• 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- razlaganje vode
• 2H 2 O 2 (l) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- razlaganje vodikovog peroksida

Pojedinačne supstitucijske reakcije

Kao rezultat pojedinačnih supstitucijskih reakcija, aktivniji element zamjenjuje manje aktivni u spoju:

Zn (t) + CuSO 4 (p-p) → ZnSO 4 (p-p) + Cu (t)

Cink u otopini bakar sulfata istiskuje manje aktivni bakar, što rezultira otopinom cink sulfata.

Stepen aktivnosti metala povećanjem aktivnosti:

• Najaktivniji su alkalni i zemnoalkalni metali.

Jonska jednadžba gornje reakcije bit će:

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

Jonska veza CuSO 4, kada se rastvori u vodi, raspada se na kation bakra (naelektrisanje 2+) i anjon sulfata (naelektrisanje 2-). Kao rezultat reakcije supstitucije, formira se kation cinka (koji ima isti naboj kao kation bakra: 2-). Imajte na umu da je sulfat anion prisutan na obje strane jednadžbe, tako da se može skratiti po svim pravilima matematike. Kao rezultat, dobijamo ionsko-molekularnu jednačinu:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Reakcije dvostruke zamjene

U reakcijama dvostruke supstitucije, dva elektrona su već supstituirana. Takve reakcije se još nazivaju reakcije razmene... Takve reakcije se odvijaju u rastvoru sa stvaranjem:

• nerastvorljiva čvrsta supstanca (reakcija taloženja);
• voda (reakcija neutralizacije).

Reakcije precipitacije

Prilikom miješanja otopine srebrnog nitrata (soli) s otopinom natrijevog klorida nastaje srebrni klorid:

Molekularna jednačina: KCl (p-p) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (t) + KNO 3 (p-p)

jonska jednadžba: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Molekularna jonska jednadžba: Cl - + Ag + → AgCl (s)

Ako je jedinjenje rastvorljivo, biće ionsko u rastvoru. Ako je jedinjenje nerastvorljivo, istaložiće se formirajući čvrstu supstancu.

Reakcije neutralizacije

To su reakcije interakcije kiselina i baza, kao rezultat kojih nastaju molekuli vode.

Na primjer, reakcija miješanja otopine sumporne kiseline i otopine natrijevog hidroksida (lužina):

Molekularna jednačina: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (g)

jonska jednadžba: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (g)

Molekularna ionska jednadžba: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) ili H + + OH - → H 2 O (l)

Reakcije oksidacije

To su reakcije interakcije tvari s plinovitim kisikom u zraku, pri čemu se u pravilu oslobađa velika količina energije u obliku topline i svjetlosti. Tipična reakcija oksidacije je sagorijevanje. Na samom početku ove stranice data je reakcija interakcije metana sa kiseonikom:

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

Metan se odnosi na ugljikovodike (jedinjenja ugljika i vodika). Kada ugljovodonik reaguje sa kiseonikom, oslobađa se mnogo toplotne energije.

Redox reakcije

To su reakcije u kojima dolazi do izmjene elektrona između atoma reaktanata. Reakcije o kojima je bilo riječi gore su također redoks reakcije:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reakcija jedinjenja
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reakcija oksidacije
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reakcija pojedinačne supstitucije

Najdetaljnije redoks reakcije sa velikim brojem primjera rješavanja jednadžbi metodom elektronske ravnoteže i metodom polureakcije opisane su u odjeljku

Priroda se razvija u dinamici, živa i inertna materija kontinuirano prolazi kroz procese transformacije. Najvažnije transformacije su one koje utiču na sastav supstance. Formiranje stijena, hemijska erozija, rođenje planete ili disanje sisara su sve vidljivi procesi koji za sobom povlače promjene u drugim supstancama. Uprkos razlikama, svi oni imaju nešto zajedničko: promene na molekularnom nivou.

1. U toku hemijskih reakcija elementi ne gube svoj identitet. Ove reakcije uključuju samo elektrone vanjske ljuske atoma, dok jezgra atoma ostaju nepromijenjena.
2. Reaktivnost elementa na kemijsku reakciju ovisi o oksidacijskom stanju elementa. U običnim hemijskim reakcijama, Ra i Ra 2+ se ponašaju potpuno drugačije.
3. Različiti izotopi elementa imaju skoro istu hemijsku reaktivnost.
4. Brzina hemijske reakcije u velikoj meri zavisi od temperature i pritiska.
5. Hemijska reakcija se može obrnuti.
6. Hemijske reakcije su praćene relativno malim promjenama energije.

Nuklearne reakcije

1. U toku nuklearnih reakcija, jezgra atoma se mijenjaju i, kao rezultat, nastaju novi elementi.
2. Reaktivnost elementa na nuklearnu reakciju je praktički neovisna o oksidacijskom stanju elementa. Na primjer, ioni Ra ili Ra 2+ u Ka C 2 ponašaju se na sličan način u nuklearnim reakcijama.
3. U nuklearnim reakcijama izotopi se ponašaju na potpuno različite načine. Na primjer, U-235 fisije mirno i lako, ali U-238 ne.
4. Brzina nuklearne reakcije je nezavisna od temperature i pritiska.
5. Nuklearna reakcija se ne može poništiti.
6. Nuklearne reakcije su praćene velikim energetskim promjenama.

Razlika između hemijske i nuklearne energije

• Potencijalna energija koja se može pretvoriti u druge oblike prvenstveno je toplina i svjetlost kada se formiraju veze.
• Što je veza jača, veća je pretvorena hemijska energija.

• Nuklearna energija nije povezana sa formiranjem hemijskih veza (koje su posledica interakcije elektrona)
• Može se transformisati u druge oblike kada dođe do promjene u atomskom jezgru.

Nuklearna promjena se događa u sva tri glavna procesa:

1. Cepanje jezgra
2. Spajanje dvaju jezgara kako bi se formiralo novo jezgro.
3. Oslobađanje visokoenergetskog elektromagnetnog zračenja (gama zračenja), stvarajući stabilniju verziju istog jezgra.

Poređenje konverzije energije

Količina oslobođene hemijske energije (ili pretvorene) u hemijskoj eksploziji je:

• 5kJ za svaki gram TNT-a
• Količina nuklearne energije u ispuštenoj atomskoj bombi: 100 miliona kJ za svaki gram uranijuma ili plutonijuma

Jedna od glavnih razlika između nuklearnih i hemijskih reakcija ima veze sa načinom na koji se reakcija odvija u atomu. Dok se nuklearna reakcija odvija u jezgri atoma, elektroni u atomu su odgovorni za kemijsku reakciju koja se odvija.

Hemijske reakcije uključuju:

• Prijenos
• Gubici
• Dobitak
• Odvajanje elektrona

Prema teoriji atoma, materija se objašnjava kao rezultat preuređivanja da bi se dobile nove molekule. Supstance uključene u hemijsku reakciju i proporcije u kojima se formiraju izraženi su odgovarajućim hemijskim jednačinama koje su u osnovi različitih vrsta hemijskih proračuna.

Nuklearne reakcije su odgovorne za nuklearni raspad i nemaju nikakve veze s elektronima. Kada se jezgro raspadne, može otići do drugog atoma, zbog gubitka neutrona ili protona. U nuklearnoj reakciji, protoni i neutroni međusobno djeluju unutar jezgra. U hemijskim reakcijama, elektroni reaguju izvan jezgra.

Svaka fisija ili fuzija može se nazvati rezultatom nuklearne reakcije. Novi element nastaje djelovanjem protona ili neutrona. Kao rezultat kemijske reakcije, supstanca se mijenja u jednu ili više tvari zbog djelovanja elektrona. Novi element nastaje djelovanjem protona ili neutrona.

Kada se uporedi energija, kemijska reakcija uključuje samo nisku promjenu energije, dok nuklearna reakcija ima vrlo veliku promjenu energije. U nuklearnoj reakciji, promjene energetske veličine su 10 ^ 8 kJ. To je 10 - 10 ^ 3 kJ/mol u hemijskim reakcijama.

Dok se neki elementi pretvaraju u druge u jezgri, broj atoma ostaje nepromijenjen u kemijskoj. U nuklearnoj reakciji izotopi reagiraju na različite načine. Ali kao rezultat kemijske reakcije, izotopi također reagiraju.

Iako je nuklearna reakcija nezavisna od hemijskih jedinjenja, hemijska reakcija u velikoj meri zavisi od hemijskih jedinjenja.

Sažetak

Nuklearna reakcija se odvija u jezgri atoma, elektroni u atomu su odgovorni za hemijska jedinjenja.
1. Hemijske reakcije uključuju - prijenos, gubitak, pojačanje i odvajanje elektrona, bez uključivanja jezgra u proces. Nuklearne reakcije uključuju nuklearni raspad i nemaju nikakve veze s elektronima.
2. U nuklearnoj reakciji protoni i neutroni reagiraju unutar jezgre; u kemijskim reakcijama elektroni interaguju izvan jezgre.
3. Kada se uporede energije, kemijska reakcija koristi samo malu promjenu energije, dok nuklearna reakcija ima vrlo veliku promjenu energije.

Trenutna stranica: 3 (ukupno knjiga ima 18 strana) [dostupan odlomak za čitanje: 12 strana]

2.2.2. Formiranje planetarnih sistema

Naučnici vjeruju da su magline faza u formiranju galaksija ili velikih zvjezdanih sistema. U modelima ove vrste teorije, planete su nusproizvod formiranja zvijezda. Ovo gledište, prvi put izraženo u 18. veku. I. Kant, a kasnije razvijen od strane P. Laplacea, D. Kuipera, D. Alvena i R. Camerona, potvrđuju brojni dokazi.

Mlade zvijezde se nalaze unutar maglina, područja relativno koncentriranog međuzvjezdanog plina i prašine koji su u prečniku nekoliko svjetlosnih godina. Magline se nalaze u cijeloj našoj galaksiji; Vjeruje se da se zvijezde i povezani planetarni sistemi formiraju unutar ovih ogromnih oblaka materije.

Uz pomoć spektroskopije pokazano je da se međuzvjezdana materija sastoji od plinova - vodonika, helijuma i neona - i čestica prašine, veličine nekoliko mikrona, a sastoje se od metala i drugih elemenata. Pošto je temperatura veoma niska (10-20 K), sva materija, osim pomenutih gasova, zamrznuta je na česticama prašine. Teži elementi i nešto vodonika potiču od zvijezda prethodnih generacija; neke od ovih zvijezda eksplodirale su poput supernove, vraćajući preostali vodonik u međuzvjezdani medij i obogaćujući ga težim elementima koji su nastali u njihovoj unutrašnjosti.

Prosječna koncentracija plina u međuzvjezdanom prostoru je samo 0,1 atom N/cm 3, dok je koncentracija plina u maglinama oko 1000 atoma N/cm 3, odnosno 10.000 puta više. (1 cm 3 vazduha sadrži približno 2,7 × 10 19 molekula.)

Kada oblak gasa i prašine postane dovoljno velik kao rezultat sporog taloženja i adhezije (akrecije) međuzvjezdanog plina i prašine pod utjecajem gravitacije, on postaje nestabilan - u njemu je odnos blizak ravnoteži između pritiska i gravitacijskih sila prekršena. Gravitacijske sile prevladavaju i zbog toga je oblak sabijen. Tokom ranih faza kompresije, toplota oslobođena pretvaranjem gravitacione energije u energiju zračenja lako napušta oblak jer je relativna gustina materije niska. Kako se gustoća materije povećava, počinju nove važne promjene. Zbog gravitacionih i drugih fluktuacija, veliki oblak se raspada na manje oblake, koji zauzvrat formiraju fragmente, u konačnici po svojoj masi i veličini nekoliko puta veći od našeg Sunčevog sistema (Sl. 2.2; 1–5). Takvi oblaci se zovu protostars. Naravno, neke protozvezde su masivnije od našeg Sunčevog sistema, formiraju veće i toplije zvezde, dok manje masivne protozvezde formiraju manje i hladnije zvezde koje evoluiraju sporije od prvih. Veličine protozvijezda ograničene su gornjom granicom, iznad koje bi došlo do daljnje fragmentacije, i donjom granicom, određenom minimalnom masom potrebnom za održavanje nuklearnih reakcija.

Rice. 2.2. Evolucija magline gasne prašine i formiranje protoplanetarnog diska

Prvo, potencijalna gravitaciona energija, pretvorena u toplotu (energija zračenja), jednostavno se zrači prema van tokom gravitacione kompresije. Ali kako se gustoća materije povećava, apsorbira se sve više energije zračenja i, kao rezultat, temperatura raste. Hlapljiva jedinjenja koja su u početku zamrznuta na česticama prašine počinju da isparavaju. Sada su gasovi kao što su NH 3, CH 4, H 2 O (pare) i HCN pomešani sa H 2, He i Ne. Ovi gasovi apsorbuju sledeće delove energije zračenja, disociraju i prolaze kroz jonizaciju.

Gravitacijska kompresija se nastavlja sve dok se oslobođena energija zračenja ne rasprši tokom isparavanja i jonizacije molekula u česticama prašine. Kada su molekuli potpuno ionizirani, temperatura raste brzo sve dok kompresija gotovo ne prestane jer tlak plina počinje da uravnotežuje sile gravitacije. Tako se završava faza brzog gravitacionog kompresije (kolapsa).

U ovom trenutku svog razvoja, protozvezda koja odgovara našem sistemu je disk sa zadebljanjem u centru i temperaturom od oko 1000 K na nivou Jupiterove orbite. Takav protozvezdani disk nastavlja da se razvija: u njemu se dešava preuređenje i on se polako kompresuje. Sama protozvijezda postepeno postaje kompaktnija, masivnija i toplija, budući da se sada toplina može zračiti samo s njene površine. Prijenos topline iz dubine protozvijezde na njegovu površinu vrši se pomoću konvekcijskih struja. Područje od površine protozvijezde do udaljenosti koja je ekvivalentna orbiti Plutona ispunjena je maglom plina i prašine.

Tokom ove složene serije kontrakcija, za koju se vjeruje da je trebalo oko 10 miliona godina, ugaoni moment sistema bi trebao biti očuvan. Cijela galaksija se okreće, čineći 1 okret svakih 100 miliona godina. Kako se oblaci prašine skupljaju, njihov ugaoni moment se ne može promijeniti - što se više skupljaju, brže se rotiraju. Zbog očuvanja ugaonog momenta, oblik skupljajućeg oblaka prašine mijenja se iz sfernog u oblik diska.

Kako je preostala materija protozvijezde bila komprimirana, njena temperatura je postala dovoljno visoka za početak reakcije fuzije atoma vodika. Sa prilivom više energije, zahvaljujući ovoj reakciji, temperatura je postala dovoljno visoka da uravnoteži sile daljeg gravitacionog sažimanja.

Planete su formirane od preostalih gasova i prašine na periferiji protozvezdanog diska (slika 2.3). Aglomeracija međuzvjezdane prašine pod djelovanjem gravitacijske privlačnosti dovodi do stvaranja zvijezda i planeta za oko 10 miliona godina (1–4). Zvezda ulazi u glavni niz (4) i ostaje u stacionarnom (stabilnom) stanju oko 8000 miliona godina, postepeno reciklirajući vodonik. Zvezda tada napušta glavni niz, širi se do crvenog diva (5 i 6) i „proguta“ svoje planete u narednih 100 miliona godina. Nakon nekoliko hiljada godina pulsiranja kao promjenljiva zvijezda (7), eksplodira kao supernova (8) i konačno kolabira u bijelog patuljka (9). Iako se planete općenito smatraju masivnim objektima, ukupna masa svih planeta je samo 0,135% mase Sunčevog sistema.

Rice. 2.3. Formiranje planetarnog sistema

Naše planete, a pretpostavlja se da se formiraju u bilo kojem protozvezdanom disku, nalaze se u dvije glavne zone. Unutrašnja zona, koja se u Sunčevom sistemu proteže od Merkura do asteroidnog pojasa, je zona malih zemaljskih planeta. Ovdje, u fazi sporog skupljanja protozvijezde, temperature su toliko visoke da metali isparavaju. Vanjska hladna zona sadrži plinove kao što su H 2 O, He i Ne i čestice obložene smrznutim isparljivim tvarima kao što su H 2 O, NH 3 i CH 4. Ova vanjska zona sa planetama sličnim Jupiteru sadrži mnogo više materijala od unutrašnje zone, jer je velika i zato što je većina hlapljivih tvari koje su prvobitno bile u unutrašnjoj zoni potisnute prema van aktivnošću protozvijezde.

Jedan od načina da dobijete sliku evolucije zvijezde i izračunate njenu starost je analiza velikog slučajnog uzorka zvijezda. Istovremeno se mjeri udaljenost do zvijezda, njihov prividni sjaj i boja svake zvijezde.

Ako su poznati prividni sjaj i udaljenost do zvijezde, tada se može izračunati njena apsolutna veličina, budući da je prividni sjaj zvijezde obrnuto proporcionalan udaljenosti do nje. Apsolutna zvezdana veličina je funkcija brzine kojom se energija oslobađa, bez obzira na njenu udaljenost od posmatrača.

Boja zvijezde određena je njenom temperaturom: plava odgovara vrlo vrućim zvijezdama, bijela vruća, a crvena relativno hladna.

Slika 2.4 prikazuje Hertzsprung-Russell dijagram, koji vam je poznat iz kursa astronomije, koji odražava odnos između apsolutne veličine i boje za veliki broj zvijezda. Budući da ovaj klasični dijagram uključuje zvijezde svih veličina i starosti, on odgovara "prosječnoj" zvijezdi u različitim fazama njene evolucije.

Rice. 2.4. Hertzsprung-Russel dijagram

Većina zvijezda se nalazi na pravolinijskom dijelu dijagrama; doživljavaju samo postepene promjene u ravnoteži kako vodonik koji sadrže sagorijeva. U ovom dijelu dijagrama, koji se naziva glavni niz, zvijezde veće mase imaju višu temperaturu; u njima se reakcija fuzije atoma vodika odvija brže, a njihov životni vijek je kraći. Zvijezde s masom manjom od Sunčeve imaju nižu temperaturu, fuzija atoma vodika u njima je sporija, a životni vijek im je duži. Kad god zvijezda glavnog niza potroši oko 10% svojih originalnih rezervi vodika, njena temperatura će pasti i doći će do širenja. Smatra se da su crveni divovi "ostarjeli" zvijezde svih veličina koje su ranije pripadale glavnoj sekvenci. Ove faktore treba uzeti u obzir prilikom preciznog određivanja starosti zvijezde. Proračuni koji ih uzimaju u obzir pokazuju da nijedna zvijezda u našoj galaksiji nije starija od 11.000 miliona godina. Neke male zvijezde su ovog uzrasta; mnoge veće zvezde su mnogo mlađe. Najmasivnije zvijezde mogu biti na glavnoj sekvenci ne više od milion godina. Sunce i zvijezde ove veličine nalaze se na glavnoj sekvenci oko 10.000 miliona godina prije nego što dostignu fazu crvenog džina.

Sidrene tačke

1. Materija je u neprekidnom kretanju i razvoju.

2. Biološka evolucija je određena kvalitativna faza u evoluciji materije u cjelini.

3. Transformacije elemenata i molekula u svemiru odvijaju se konstantno vrlo malom brzinom.

1. Šta su reakcije nuklearne fuzije? Navedite primjere.

2. Kako se, u skladu s Kant-Laplaceovom hipotezom, zvjezdani sistemi formiraju od plinovite i prašnjave tvari?

3. Postoje li razlike u hemijskom sastavu planeta istog zvezdanog sistema?

2.2.3. Primarna atmosfera Zemlje i hemijski preduslovi za nastanak života

Pridržavajući se gornje tačke gledišta o nastanku planetarnih sistema, moguće je napraviti dovoljno potkrijepljene procjene elementarnog sastava primarne atmosfere Zemlje. Djelomično moderna gledišta zasnovana su, naravno, na ogromnoj prevlasti vodonika u svemiru; nalazi se i na suncu. Tabela 2.2 prikazuje elementarni sastav zvjezdane i solarne materije.

Tabela 2.2. Elementarni sastav zvjezdane i solarne materije

Pretpostavlja se da je atmosfera primarne Zemlje, koja je imala visoku prosječnu temperaturu, bila otprilike sljedeća: prije gravitacijskog gubitka veći dio je činio vodonik, a glavni molekularni sastojci bili su metan, voda i amonijak. Zanimljivo je uporediti elementarni sastav zvjezdane materije sa sastavom moderne Zemlje i žive tvari na Zemlji.

Najčešći elementi u neživoj prirodi su vodonik i helijum; slijede ugljenik, azot, silicijum i magnezijum. Imajte na umu da se živa materija biosfere na površini Zemlje sastoji uglavnom od vodonika, kiseonika, ugljenika i azota, što, naravno, treba očekivati, sudeći po samoj prirodi ovih elemenata.

Početna atmosfera Zemlje mogla se mijenjati kao rezultat raznih procesa, prvenstveno kao rezultat difuzionog izlaska vodonika i helijuma, koji su činili njen značajan dio. Ovi elementi su najlakši i trebali su biti izgubljeni iz atmosfere, jer je gravitaciono polje naše planete malo u poređenju sa poljem planeta divova. Veći dio Zemljine početne atmosfere trebao je biti izgubljen za vrlo kratko vrijeme; stoga se pretpostavlja da su mnogi od primarnih gasova zemljine atmosfere gasovi koji su zakopani u utrobi zemlje i ponovo oslobođeni kao rezultat postepenog zagrevanja zemljinih stena. Primarna atmosfera Zemlje je vjerovatno bila sastavljena od organskih supstanci iste vrste koje se uočavaju u kometama: molekula sa vezama ugljik - vodonik, ugljik - azot, azot - vodonik i kiseonik - vodonik. Osim njih, prilikom gravitacionog zagrijavanja zemljine unutrašnjosti vjerovatno su se pojavili vodonik, metan, ugljični monoksid, amonijak, voda i dr. To su tvari s kojima je izvedena većina eksperimenata na modeliranju primarne atmosfere. van.

Šta bi se zapravo moglo dogoditi u uslovima primarne Zemlje? Da bi se to utvrdilo, potrebno je znati koje vrste energije će najvjerovatnije utjecati na njegovu atmosferu.

2.2.4. Izvori energije i starost Zemlje

Razvoj i transformacija materije bez priliva energije je nemoguć. Razmotrimo one izvore energije koji određuju dalju evoluciju tvari više ne u svemiru, već na našoj planeti - na Zemlji.

Procjena uloge izvora energije nije laka; u ovom slučaju potrebno je uzeti u obzir neravnotežne uslove, hlađenje produkta reakcije i stepen njihove zaštite od izvora energije.

Očigledno, bilo koji izvori energije (tabela 2.3) su imali značajan uticaj na transformaciju supstanci na našoj planeti. Kako se to dogodilo? Naravno, objektivnih dokaza jednostavno nema. Međutim, procesi koji su se odvijali na našoj Zemlji u davna vremena mogu se modelirati. Prvo, potrebno je odrediti vremenske granice, a drugo, sa mogućom tačnošću reproducirati uslove u svakoj od razmatranih epoha postojanja planete.

Da bi se raspravljalo o pitanjima o nastanku života na Zemlji, osim poznavanja izvora energije neophodne za transformaciju materije, mora se imati i prilično jasna predstava o vremenu ovih transformacija.

Tabela 2.3. Potencijalni izvori energije za primarnu hemijsku evoluciju

Tabela 2.4. Poluživoti i drugi podaci o nekim elementima koji se koriste za određivanje starosti Zemlje

Razvoj fizičkih nauka sada je omogućio biolozima nekoliko efikasnih metoda za određivanje starosti određenih stena zemljine kore. Suština ovih metoda je u analizi odnosa različitih izotopa i konačnih proizvoda nuklearnog raspada u uzorcima i korelaciji rezultata istraživanja sa vremenom fisije početnih elemenata (tablica 2.4).

Korišćenje ovakvih metoda omogućilo je naučnicima da konstruišu vremensku skalu istorije Zemlje od trenutka njenog hlađenja, pre 4500 miliona godina, pa do danas (tabela 2.5). Naš zadatak sada je da ustanovimo, unutar ove vremenske linije, kakvi su bili uslovi na primitivnoj Zemlji, kakvu je atmosferu imala Zemlja, koja je bila temperatura, pritisak, kada su nastali okeani i kako je nastala sama Zemlja.

Tabela 2.5. Geohronološka skala

2.2.5. Uslovi životne sredine na drevnoj Zemlji

Danas je za nauku od fundamentalnog značaja rekonstrukcija uslova u kojima su nastali prvi "embrioni života". Velika je zasluga A. I. Oparina, koji je 1924. predložio prvi koncept kemijske evolucije, prema kojem je atmosfera bez kisika predložena kao polazna tačka u laboratorijskim eksperimentima za reprodukciju uvjeta primordijalne Zemlje.

Godine 1953. američki naučnici G. Urey i S. Miller izložili su mješavinu metana, amonijaka i vode djelovanju električnih pražnjenja (slika 2.5). Po prvi put, korištenjem ovakvog eksperimenta, među dobivenim proizvodima identificirane su aminokiseline (glicin, alanin, asparaginska i glutaminska kiselina).

Eksperimenti Millera i Ureya potaknuli su istraživanja molekularne evolucije i porijekla života u mnogim laboratorijama i doveli do sistematskog proučavanja problema, tokom kojeg su sintetizirana biološki važna jedinjenja. Glavni uslovi na primitivnoj Zemlji, koje su istraživači uzeli u obzir, prikazani su u tabeli 2.6.

Pritisak je, kao i kvantitativni sastav atmosfere, teško izračunati. Procjene zasnovane na efektu staklene bašte su vrlo proizvoljne.

Proračuni koji su uzeli u obzir efekat "staklene bašte", kao i približan intenzitet sunčevog zračenja u abiotskoj eri, doveli su do vrijednosti nekoliko desetina stepeni iznad tačke smrzavanja. Gotovo svi eksperimenti za ponovno stvaranje uvjeta primarne Zemlje izvedeni su na temperaturama od 20-200 ° C. Ove granice nisu utvrđene proračunima ili ekstrapolacijom nekih geoloških podataka, već najvjerovatnije uzimajući u obzir temperaturne granice stabilnosti organskih spojeva.

Upotreba mešavina gasova sličnih gasovima primarne atmosfere, raznih vrsta energije koje su bile karakteristične za našu planetu pre 4-4,5×10 9 godina, a uzimajući u obzir klimatske, geološke i hidrografske uslove tog perioda učinile su da se U mnogim laboratorijama koje proučavaju porijeklo života moguće je pronaći dokaze o putevima abiotskog porijekla takvih organskih molekula kao što su aldehidi, nitriti, aminokiseline, monosaharidi, purini, porfirini, nukleotidi itd.

Rice. 2.5. Millerov aparat

Tabela 2.6. Uslovi na iskonskoj zemlji

Pojava protobiopolimera je složeniji problem. Neophodnost njihovog postojanja u svim živim sistemima je očigledna. Oni su odgovorni za protoenzimski procesi(Na primjer, hidroliza, dekarboksilacija, aminacija, deaminacija, peroksidacija itd.), za neke vrlo jednostavne procese, kao npr fermentacija, a za druge složenije, na primjer fotohemijska reakcije, fotofosforilacija, fotosinteza i itd.

Prisustvo vode na našoj planeti (primarni okean) dovelo je do mogućnosti nastanka protobiopolimera u procesu hemijske reakcije – kondenzacije. Dakle, za stvaranje peptidne veze u vodenim otopinama prema reakciji:

potrebni su troškovi energije. Ovi troškovi energije se povećavaju mnogo puta kada se proteinski molekuli dobiju u vodenim otopinama. Sinteza makromolekula iz "biomonomera" zahtijeva korištenje specifičnih (enzimskih) metoda za uklanjanje vode.

Opšti proces evolucije materije i energije u Univerzumu uključuje nekoliko uzastopnih faza. Među njima su formiranje svemirskih maglina, njihov razvoj i strukturiranje planetarnih sistema može se prepoznati. Transformacije supstanci koje se dešavaju na planetama određene su nekim opštim prirodnim zakonima i zavise od položaja planete u zvezdanom sistemu. Neke od ovih planeta, poput Zemlje, odlikuju se osobinama koje omogućavaju razvoj neorganske materije u pravcu pojave različitih složenih organskih molekula.

Sidrene tačke

1. Primarna atmosfera Zemlje sastojala se uglavnom od vodonika i njegovih spojeva.

2. Zemlja je na optimalnoj udaljenosti od Sunca i prima dovoljno energije da održava vodu u tečnom stanju.

3. U vodenim rastvorima zbog različitih izvora energije najjednostavniji organski spojevi nastaju na nebiološki način.

Pregledajte pitanja i zadatke

1. Navedite kosmičke i planetarne preduslove za nastanak života na abiogeni način na našoj planeti.

2. Kakav je bio značaj reduktivne prirode primarne atmosfere za nastanak organskih molekula iz neorganskih supstanci na Zemlji?

3. Opišite aparaturu i metodologiju za eksperimente S. Millera i P. Juri.

Koristeći vokabular naslova "Terminologija" i "Sažetak", prevedite stavke "Pivot Points" na engleski.

Terminologija

Za svaki pojam naveden u lijevoj koloni odaberite odgovarajuću definiciju datu u desnoj koloni na ruskom i engleskom jeziku.

Odaberite tačnu definiciju za svaki pojam u lijevoj koloni od engleskih i ruskih varijanti navedenih u desnoj koloni.

Pitanja za diskusiju

Šta mislite koji su izvori energije preovladavali na drevnoj Zemlji? Kako možete objasniti nespecifičan uticaj različitih izvora energije na formiranje organskih molekula?

2.3. Teorije porijekla protobiopolimera

Različite procjene prirode okoliša na primitivnoj Zemlji dovele su do stvaranja različitih eksperimentalnih uvjeta, koji su u osnovi imali iste, ali posebno ne uvijek iste rezultate.

Razmotrimo neke od najvažnijih teorija o nastanku polimernih struktura na našoj planeti, koje leže u izvorima formiranja biopolimera - osnove života.

Termička teorija. Reakcije kondenzacije koje bi dovele do stvaranja polimera iz prekursora niske molekularne mase mogu se izvesti zagrijavanjem. U poređenju sa ostalim komponentama žive materije, sinteza polipeptida je najbolje proučena.

Autor hipoteze za sintezu polipeptida termičkim putem je američki naučnik S. Fox, koji je dugo proučavao mogućnosti nastanka peptida u uslovima koji su postojali na primitivnoj Zemlji. Ako se mješavina aminokiselina zagrije na 180-200°C u normalnim atmosferskim uvjetima ili u inertnoj sredini, nastaju proizvodi polimerizacije, mali oligomeri u kojima su monomeri povezani peptidnim vezama i male količine polipeptida. U slučajevima kada su eksperimentatori početne mješavine aminokiselina obogatili kiselim ili baznim aminokiselinama, na primjer asparaginskom i glutaminskom kiselinom, udio polipeptida se značajno povećao. Molekularna težina polimera dobijenih na ovaj način može doseći nekoliko hiljada D. (D je Dalton, jedinica mjerenja mase, numerički jednaka masi 1/16 atoma kisika.)

Polimeri dobijeni termički iz aminokiselina - proteinoidi - pokazuju mnoga specifična svojstva biopolimera proteinskog tipa. Međutim, u slučaju termičke kondenzacije nukleotida i monosaharida složene strukture, stvaranje trenutno poznatih nukleinskih kiselina i polisaharida izgleda malo vjerojatnim.

Teorija adsorpcije. Glavni protuargument u raspravi o abiogenom izgledu polimernih struktura je niska koncentracija molekula i nedostatak energije za kondenzaciju monomera u razrijeđenim otopinama. Zaista, prema nekim procjenama, koncentracija organskih molekula u "primarnom bujonu" bila je oko 1%. Takva koncentracija, zbog rijetkosti i nasumičnosti kontakata između različitih molekula neophodnih za kondenzaciju supstanci, nije mogla obezbijediti tako "brzo" formiranje protobiopolimera, kao što je to bilo na Zemlji, smatraju neki naučnici. Jedno od rješenja ovog problema, povezanog sa prevazilaženjem takve koncentracijske barijere, predložio je engleski fizičar D. Bernal, koji je smatrao da se koncentracija razrijeđenih otopina organskih tvari događa "adsorbiranjem u vodene naslage gline".

Kao rezultat interakcije tvari u procesu adsorpcije, neke veze su oslabljene, što dovodi do razaranja jednih i stvaranja drugih kemijskih spojeva.

Teorija niskih temperatura. Autori ove teorije, rumunski naučnici K. Simonescu i F. Denes, pošli su od nešto drugačijih ideja o uslovima za abiogeno formiranje najjednostavnijih organskih jedinjenja i njihovu kondenzaciju u polimerne strukture. Energiji hladne plazme autori pridaju vodeću važnost kao izvora energije. Ovo mišljenje nije neosnovano.

Hladna plazma je rasprostranjena u prirodi. Naučnici vjeruju da je 99% svemira u stanju plazme. Ovo stanje materije nalazi se i na savremenoj Zemlji u obliku loptaste munje, aurore, kao i posebne vrste plazme - jonosfere.

Bez obzira na prirodu energije na abiotskoj Zemlji, bilo koji njen tip pretvara hemijska jedinjenja, posebno organske molekule, u aktivne čestice, kao što su mono- i polifunkcionalni slobodni radikali. Međutim, njihova daljnja evolucija u velikoj mjeri ovisi o gustoći energetskog fluksa, što je najizraženije u slučaju korištenja hladne plazme.

Kao rezultat mukotrpnih i složenih eksperimenata sa hladnom plazmom kao izvorom energije za abiogenu sintezu protobiopolimera, istraživači su uspjeli dobiti kako pojedinačne monomere tako i polimerne strukture peptidnog tipa i lipida.

Oparin je smatrao da je prijelaz iz kemijske u biološku evoluciju zahtijevao obaveznu pojavu pojedinačnih fazno izolovanih sistema sposobnih za interakciju sa okolnom okolinom, koristeći njene supstance i energiju, te na osnovu toga sposobni za rast, umnožavanje i podvrgavanje prirodnoj selekciji.

Abiotičko odvajanje multimolekularnih sistema iz homogenog rastvora organskih supstanci, očigledno, trebalo je da se izvrši mnogo puta. I danas je veoma rasprostranjena u prirodi. Ali u uslovima moderne biosfere, mogu se direktno posmatrati samo početne faze formiranja takvih sistema. Njihova evolucija je obično vrlo kratkog vijeka u prisustvu mikroba koji uništavaju sva živa bića. Stoga je za razumijevanje ove faze nastanka života potrebno vještački dobiti fazno razdvojene organske sisteme u strogo kontrolisanim laboratorijskim uslovima i na osnovu ovako formiranih modela utvrditi oba načina njihove moguće evolucije u prošlost i zakonitosti ovog procesa. Pri radu sa organskim jedinjenjima velike molekularne težine u laboratorijskim uslovima, stalno se susrećemo sa formiranjem ovakvih fazno razdvojenih sistema. Stoga se mogu zamisliti načini njihovog nastanka i eksperimentalno dobiti u laboratorijskim uslovima razne sisteme, od kojih bi mnogi mogli poslužiti kao modeli za formacije koje su se nekada pojavile na površini zemlje. Na primjer, možete imenovati neke od njih: "mjehurići" Goldeykra, "mikrosfere" lisica, "Jeyvanu" Bahadur, "probionti" Egami i mnogi drugi.

Često, kada se radi s takvim umjetnim sistemima koji se samoizoliraju od rješenja, posebna se pažnja poklanja njihovoj vanjskoj morfološkoj sličnosti sa živim objektima. Ali to nije rješenje problema, već činjenica da sistem može u interakciji sa vanjskim okruženjem, koristeći svoje supstance i energiju poput otvorenih sistema, i na osnovu toga rasti i razmnožavati se, što je tipično za sva živa bića.

Modeli koji najviše obećavaju u ovom pogledu su koacervatne kapi.

Svaki molekul ima određenu strukturnu organizaciju, odnosno atomi koji čine njegov sastav redovno se nalaze u svemiru. Kao rezultat, u molekulu se formiraju polovi s različitim nabojima. Na primjer, molekul vode H2O formira dipol, u kojem jedan dio molekule nosi pozitivan naboj (+), a drugi negativan (-). Osim toga, neke molekule (na primjer, soli) u vodenom mediju disociraju na ione. Zbog ovakvih posebnosti hemijske organizacije molekula oko njih u vodi, vodene "košulje" nastaju od molekula vode orijentisanih na određeni način. Koristeći molekul NaCl kao primjer, može se vidjeti da su dipoli vode koji okružuju Na + jon okrenuti prema negativnim polovima (slika 2.6), a pozitivni prema Cl ionu.

Rice. 2.6. Hidrirani katjon natrijuma

Rice. 2.7. Montaža koacervata

Organske molekule imaju veliku molekularnu težinu i složenu prostornu konfiguraciju, stoga su okružene i vodenom ljuskom čija debljina ovisi o veličini naboja molekula, koncentraciji soli u otopini, temperaturi itd.

Pod određenim uslovima, vodeni omotač dobija jasne granice i odvaja molekul od okolnog rastvora. Molekule okružene vodenom ljuskom mogu se kombinovati i formirati multimolekularne komplekse - koacervate(sl. 2.7).

Kapljice koacervata također nastaju jednostavnim miješanjem različitih polimera, kako prirodnih tako i umjetnih. U ovom slučaju dolazi do samosklapanja polimernih molekula u multimolekularne fazno izolovane formacije - kapi vidljive pod optičkim mikroskopom (slika 2.8). Većina molekula polimera koncentrirana je u njima, dok ih je okolina gotovo potpuno lišena.

Kapljice su odvojene od okoline oštrim interfejsom, ali su sposobne da apsorbuju supstance spolja kao u otvorenim sistemima.

Rice. 2.8. Eksperimentalne kapi koacervata

Uključivanjem u koacervat kapi raznih katalizatori(uključujući enzime), mogu biti uzrokovane brojne reakcije, posebno polimerizacija monomera koji dolaze iz vanjskog okruženja. Zbog toga se kapljice mogu povećati u volumenu i težini, a zatim se raspasti u kćerinske formacije.

Na primjer, procesi koji se odvijaju u koacervatnoj kapi prikazani su u uglastim zagradama, a izvan njih su smještene tvari u vanjskom okruženju:

glukoza-1-fosfat → [glukoza-1-fosfat → škrob → maltoza] → maltoza

Kap koacervata formirana od proteina i arapske gume uranja se u otopinu glukoza-1-fosfata. Glukoza-1-fosfat počinje ulaziti u kap i polimerizira se u škrob u njoj pod djelovanjem katalizatora - fosforilaze. Zbog formiranog škroba, kap raste, što se lako može utvrditi kako hemijskom analizom tako i direktnim mikroskopskim mjerenjima. Ako se u kap uključi još jedan katalizator, b-amilaza, škrob se razlaže do maltoze, koja se oslobađa u okoliš.

Dakle, najjednostavniji metabolizam. Supstanca ulazi u kap, polimerizira se, uzrokujući rast sistema, a kada se raspadne, proizvodi tog raspadanja izlaze u spoljašnju sredinu, gde ranije nisu bili.

Drugi dijagram ilustruje eksperiment u kojem je polimer polinukleotid. Kap, koja se sastoji od proteina-histona i gumiarabika, okružena je rastvorom ADP.

Ulazeći u kap, ADP polimerizira pod utjecajem polimeraze u poliadenilnu kiselinu, zbog čega kap raste, a neorganski fosfor ulazi u vanjsko okruženje.

ADP → [ADP → Poly-A + F] → F

U ovom slučaju, pad se u kratkom vremenskom periodu povećava u zapremini više od dva puta.

I u slučaju sinteze škroba i stvaranja poliadenilne kiseline, energetski bogate (makroergijski) veze. Zbog energije ovih jedinjenja koja dolazi iz spoljašnje sredine, došlo je do sinteze polimera i rasta koacervatnih kapi. U drugoj seriji eksperimenata akademika A. I. Oparina i kolega, pokazano je da se reakcije povezane s disipacijom energije mogu pojaviti u samim kapima koacervata.