¿Existen diferencias químicas? ¿Qué es la sustancia? Cuáles son las clases de sustancias. La diferencia entre sustancias orgánicas e inorgánicas. Reacciones de doble sustitución

En la vida, estamos rodeados de una variedad de cuerpos y objetos. Por ejemplo, en el interior es una ventana, puerta, mesa, bombilla, taza, en la calle: un automóvil, un semáforo, asfalto. Cualquier cuerpo u objeto está hecho de materia. Este artículo discutirá qué es una sustancia.

¿Qué es la química?

El agua es un disolvente y estabilizador insustituible. Tiene una gran capacidad calorífica y conductividad térmica. El medio acuático favorece las reacciones químicas básicas. Es transparente y prácticamente resistente a la compresión.

¿Cuál es la diferencia entre sustancias inorgánicas y orgánicas?

No existen diferencias externas particularmente fuertes entre estos dos grupos de sustancias. La principal diferencia radica en la estructura, donde las sustancias inorgánicas tienen una estructura no molecular y las sustancias orgánicas tienen una estructura molecular.

Las sustancias inorgánicas tienen una estructura no molecular, por lo que se caracterizan por tener altos puntos de fusión y ebullición. No contienen carbono. Estos incluyen gases nobles (neón, argón), metales (calcio, calcio, sodio), sustancias anfóteras (hierro, aluminio) y no metales (silicio), hidróxidos, compuestos binarios, sales.

Sustancias orgánicas de estructura molecular. Tienen puntos de fusión bastante bajos y se descomponen rápidamente cuando se calientan. Están compuestos principalmente de carbono. Excepciones: carburos, carbonatos, óxidos de carbono y cianuros. El carbono permite la formación de una gran cantidad de compuestos complejos (más de 10 millones de ellos son conocidos en la naturaleza).

La mayoría de sus clases pertenecen a origen biológico (carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos). Estos compuestos incluyen nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre.

Para entender qué es una sustancia, es necesario imaginar qué papel juega en nuestra vida. Al interactuar con otras sustancias, forma otras nuevas. Sin ellos, la actividad vital del mundo circundante es inseparable e inconcebible. Todos los objetos están compuestos por determinadas sustancias, por lo que juegan un papel importante en nuestra vida.

Durante las reacciones químicas, se obtienen otras sustancias a partir de algunas sustancias (que no debe confundirse con las reacciones nucleares, en las que un elemento químico se convierte en otro).

Cualquier reacción química se describe mediante una ecuación química:

Reactivos → Productos de reacción

La flecha indica la dirección de la reacción.

Por ejemplo:

En esta reacción, el metano (CH 4) reacciona con el oxígeno (O 2), dando como resultado la formación de dióxido de carbono (CO 2) y agua (H 2 O), o más bien, vapor de agua. Esto es lo que sucede en tu cocina cuando enciendes tu quemador de gas. La ecuación debe leerse así: una molécula de gas metano reacciona con dos moléculas de gas oxígeno, dando como resultado una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua (vapor de agua).

Los números delante de los componentes de una reacción química se llaman coeficientes de reacción.

Las reacciones químicas son endotérmico(con absorción de energía) y exotérmico(con liberación de energía). La combustión de metano es un ejemplo típico de reacción exotérmica.

Hay varios tipos de reacciones químicas. Los más comunes:

• reacciones compuestas;
• reacciones de descomposición;
• reacciones de sustitución simple;
• reacciones de doble sustitución;
• reacciones de oxidación;
• reacciones redox.

Reacciones compuestas

En reacciones compuestas, al menos dos elementos forman un producto:

2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- la formación de sal de mesa.

Se debe prestar atención al matiz esencial de las reacciones del compuesto: dependiendo de las condiciones de la reacción o de las proporciones de los reactivos que entran en la reacción, pueden resultar diferentes productos. Por ejemplo, en condiciones normales de combustión de carbón, se obtiene dióxido de carbono:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)

Si la cantidad de oxígeno es insuficiente, se forma monóxido de carbono mortal:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)

Reacciones de descomposición

Estas reacciones son, por así decirlo, esencialmente opuestas a las reacciones del compuesto. Como resultado de la reacción de descomposición, la sustancia se descompone en dos (3, 4 ...) elementos (compuestos) más simples:

• 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- descomposición del agua
• 2H 2 O 2 (l) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- descomposición de peróxido de hidrógeno

Reacciones de sustitución simple

Como resultado de reacciones de sustitución simple, el elemento más activo reemplaza al menos activo en el compuesto:

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

El zinc en la solución de sulfato de cobre desplaza al cobre menos activo, dando como resultado una solución de sulfato de zinc.

El grado de actividad de los metales al aumentar la actividad:

• Los más activos son los metales alcalinos y alcalinotérreos.

La ecuación iónica de la reacción anterior será:

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

El enlace iónico de CuSO 4, cuando se disuelve en agua, se descompone en un catión de cobre (carga 2+) y un anión de sulfato (carga 2-). Como resultado de la reacción de sustitución, se forma un catión zinc (que tiene la misma carga que el catión cobre: ​​2-). Tenga en cuenta que el anión sulfato está presente en ambos lados de la ecuación, por lo que puede abreviarse con todas las reglas de las matemáticas. Como resultado, obtenemos la ecuación ion-molecular:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Reacciones de doble sustitución

En las reacciones de doble sustitución, dos electrones ya están sustituidos. Estas reacciones también se denominan reacciones de intercambio... Tales reacciones tienen lugar en solución con la formación de:

• sólido insoluble (reacción de precipitación);
• agua (reacción de neutralización).

Reacciones de precipitación

Al mezclar una solución de nitrato de plata (sal) con una solución de cloruro de sodio, se forma cloruro de plata:

Ecuación molecular: KCl (p-p) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (t) + KNO 3 (p-p)

Ecuación iónica: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Ecuación de iones moleculares: Cl - + Ag + → AgCl (s)

Si el compuesto es soluble, será iónico en solución. Si el compuesto es insoluble, precipitará formando un sólido.

Reacciones de neutralización

Estas son las reacciones de interacción de ácidos y bases, como resultado de las cuales se forman moléculas de agua.

Por ejemplo, la reacción de mezclar una solución de ácido sulfúrico y una solución de hidróxido de sodio (lejía):

Ecuación molecular: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (g)

Ecuación iónica: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (g)

Ecuación de iones moleculares: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) o H + + OH - → H 2 O (l)

Reacciones de oxidación

Estas son reacciones de interacción de sustancias con oxígeno gaseoso en el aire, en las que, por regla general, se libera una gran cantidad de energía en forma de calor y luz. Una reacción de oxidación típica es la combustión. Al comienzo de esta página, se da la reacción de la interacción del metano con el oxígeno:

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

El metano se refiere a los hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno). Cuando un hidrocarburo reacciona con el oxígeno, se libera mucha energía térmica.

Reacciones redox

Son reacciones en las que hay un intercambio de electrones entre los átomos de los reactivos. Las reacciones discutidas anteriormente también son reacciones redox:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reacción del compuesto
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reacción de oxidación
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reacción de sustitución simple

Las reacciones redox más detalladas con una gran cantidad de ejemplos de resolución de ecuaciones mediante el método de balance electrónico y el método de semirreacción se describen en la sección

La naturaleza se desarrolla en forma dinámica, la materia viva e inerte sufre continuamente procesos de transformación. Las transformaciones más importantes son las que afectan la composición de la sustancia. La formación de rocas, la erosión química, el nacimiento de un planeta o la respiración de los mamíferos son todos procesos observables que conllevan cambios en otras sustancias. A pesar de las diferencias, todos tienen algo en común: cambios a nivel molecular.

1. Los elementos no pierden su identidad en el curso de reacciones químicas. Estas reacciones involucran solo los electrones de la capa externa de los átomos, mientras que los núcleos de los átomos permanecen sin cambios.
2. La reactividad de un elemento a una reacción química depende del estado de oxidación del elemento. En reacciones químicas ordinarias, Ra y Ra 2+ se comportan de manera completamente diferente.
3. Los diversos isótopos del elemento tienen casi la misma reactividad química.
4. La velocidad de una reacción química depende en gran medida de la temperatura y la presión.
5. La reacción química se puede revertir.
6. Las reacciones químicas van acompañadas de cambios de energía relativamente pequeños.

Reacciones nucleares

1. En el curso de las reacciones nucleares, los núcleos de los átomos experimentan cambios y, por lo tanto, como resultado, se forman nuevos elementos.
2. La reactividad de un elemento a una reacción nuclear es prácticamente independiente del estado de oxidación del elemento. Por ejemplo, los iones Ra o Ra 2+ en Ka C 2 se comportan de manera similar en las reacciones nucleares.
3. En las reacciones nucleares, los isótopos se comportan de formas completamente diferentes. Por ejemplo, el U-235 se fisiona con calma y facilidad, pero el U-238 no.
4. La velocidad de una reacción nuclear es independiente de la temperatura y la presión.
5. La reacción nuclear no se puede cancelar.
6. Las reacciones nucleares van acompañadas de grandes cambios de energía.

Diferencia entre energía química y nuclear

• La energía potencial que se puede convertir en otras formas es principalmente calor y luz cuando se forman enlaces.
• Cuanto más fuerte sea el enlace, mayor será la energía química convertida.

• La energía nuclear no está asociada con la formación de enlaces químicos (que se deben a la interacción de electrones)
• Puede transformarse en otras formas cuando ocurre un cambio en el núcleo atómico.

El cambio nuclear ocurre en los tres procesos principales:

1. División del núcleo
2. La unión de dos núcleos para formar un nuevo núcleo.
3. La liberación de radiación electromagnética de alta energía (radiación gamma), creando una versión más estable del mismo núcleo.

Comparación de conversión de energía

La cantidad de energía química liberada (o convertida) en una explosión química es:

• 5kJ por cada gramo de TNT
• La cantidad de energía nuclear en la bomba atómica liberada: 100 millones de kJ por cada gramo de uranio o plutonio.

Una de las principales diferencias entre reacciones nucleares y químicas. tiene que ver con cómo tiene lugar la reacción en el átomo. Mientras que una reacción nuclear tiene lugar en el núcleo de un átomo, los electrones en el átomo son responsables de la reacción química que tiene lugar.

Las reacciones químicas incluyen:

• Transmisión
• Pérdidas
• Ganar
• Separación de electrones

Según la teoría del átomo, la materia se explica como resultado de un reordenamiento para dar nuevas moléculas. Las sustancias que intervienen en una reacción química y las proporciones en las que se forman se expresan en las correspondientes ecuaciones químicas subyacentes a varios tipos de cálculos químicos.

Las reacciones nucleares son responsables de la desintegración nuclear y no tienen nada que ver con los electrones. Cuando un núcleo se desintegra, puede pasar a otro átomo, debido a la pérdida de neutrones o protones. En una reacción nuclear, los protones y neutrones interactúan dentro del núcleo. En las reacciones químicas, los electrones reaccionan fuera del núcleo.

Cualquier fisión o fusión puede llamarse resultado de una reacción nuclear. Se forma un nuevo elemento debido a la acción de un protón o neutrón. Como resultado de una reacción química, una sustancia se transforma en una o más sustancias debido a la acción de los electrones. Se forma un nuevo elemento debido a la acción de un protón o neutrón.

Cuando se compara la energía, una reacción química implica solo un cambio de energía bajo, mientras que una reacción nuclear tiene un cambio de energía muy alto. En una reacción nuclear, los cambios de magnitud energética son 10 ^ 8 kJ. Esto es 10 - 10 ^ 3 kJ / mol en reacciones químicas.

Si bien algunos elementos se convierten en otros en el núcleo, el número de átomos permanece sin cambios en el químico. En una reacción nuclear, los isótopos reaccionan de diferentes formas. Pero como resultado de una reacción química, los isótopos también reaccionan.

Aunque una reacción nuclear es independiente de los compuestos químicos, una reacción química depende en gran medida de los compuestos químicos.

Resumen

Una reacción nuclear tiene lugar en el núcleo de un átomo, los electrones del átomo son responsables de los compuestos químicos.
1. Las reacciones químicas incluyen: transferencia, pérdida, amplificación y separación de electrones, sin involucrar al núcleo en el proceso. Las reacciones nucleares involucran la desintegración nuclear y no tienen nada que ver con los electrones.
2. En una reacción nuclear, los protones y neutrones reaccionan dentro del núcleo; en las reacciones químicas, los electrones interactúan fuera del núcleo.
3. Al comparar energías, una reacción química usa solo un cambio de energía bajo, mientras que una reacción nuclear tiene un cambio de energía muy alto.

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2.2.2. Formación de sistemas planetarios.

Los científicos creen que las nebulosas son una etapa en la formación de galaxias o grandes sistemas estelares. En los modelos de este tipo de teoría, los planetas son un subproducto de la formación de estrellas. Este punto de vista, expresado por primera vez en el siglo XVIII. I. Kant y posteriormente desarrollado por P. Laplace, D. Kuiper, D. Alven y R. Cameron, está confirmado por una serie de pruebas.

Las estrellas jóvenes se encuentran dentro de nebulosas, regiones de gas y polvo interestelar relativamente concentrados que tienen varios años luz de diámetro. Las nebulosas se encuentran por toda nuestra galaxia; Se cree que las estrellas y los sistemas planetarios asociados se forman dentro de estas enormes nubes de materia.

Con la ayuda de la espectroscopia, se demostró que la materia interestelar está formada por gases (hidrógeno, helio y neón) y partículas de polvo, que miden del orden de varios micrones y están formadas por metales y otros elementos. Dado que la temperatura es muy baja (10-20 K), toda la materia, excepto los gases mencionados, se congela en partículas de polvo. Los elementos más pesados ​​y algo de hidrógeno se originan en las estrellas de generaciones anteriores; algunas de estas estrellas explotaron como supernovas, devolviendo el hidrógeno restante al medio interestelar y enriqueciéndolo con elementos más pesados ​​formados en su interior.

La concentración media de gas en el espacio interestelar es de solo 0,1 átomos N / cm 3, mientras que la concentración de gas en las nebulosas es de unos 1000 átomos N / cm 3, es decir, 10.000 veces más. (1 cm 3 de aire contiene aproximadamente 2,7 × 10 19 moléculas).

Cuando una nube de gas y polvo se vuelve lo suficientemente grande como resultado del lento asentamiento y adhesión (acreción) del gas interestelar y el polvo bajo la influencia de la gravedad, se vuelve inestable; en ella, la relación cercana al equilibrio entre la presión y las fuerzas gravitacionales es violado. Predominan las fuerzas gravitacionales y, por tanto, la nube se comprime. Durante las primeras fases de compresión, el calor liberado por la conversión de energía gravitacional en energía de radiación abandona fácilmente la nube porque la densidad relativa de la materia es baja. A medida que aumenta la densidad de la materia, comienzan nuevos cambios importantes. Debido a las fluctuaciones gravitacionales y de otro tipo, una nube grande se rompe en nubes más pequeñas, que a su vez forman fragmentos, en última instancia en términos de su masa y tamaño, varias veces más grandes que nuestro sistema solar (Fig. 2.2; 1-5). Tales nubes se llaman protoestrellas. Por supuesto, algunas protoestrellas son más masivas que nuestro sistema solar, forman estrellas más grandes y calientes, mientras que las protoestrellas menos masivas forman estrellas más pequeñas y frías que evolucionan más lentamente que las primeras. Los tamaños de las protoestrellas están limitados por un límite superior, por encima del cual se produciría una mayor fragmentación, y un límite inferior, determinado por la masa mínima necesaria para sustentar las reacciones nucleares.

Arroz. 2.2. Evolución de una nebulosa de polvo de gas y formación de un disco protoplanetario

Primero, la energía gravitacional potencial, convertida en calor (energía de radiación), simplemente se irradia hacia afuera durante la compresión gravitacional. Pero a medida que aumenta la densidad de la materia, se absorbe cada vez más energía de radiación y, como resultado, aumenta la temperatura. Los compuestos volátiles inicialmente congelados en las partículas de polvo comienzan a evaporarse. Ahora se mezclan gases como NH 3, CH 4, H 2 O (vapores) y HCN con H 2, He y Ne. Estos gases absorben porciones posteriores de energía de radiación, se disocian y sufren ionización.

La compresión gravitacional continúa hasta que la energía de radiación liberada se disipa durante la evaporación e ionización de moléculas en partículas de polvo. Cuando las moléculas están completamente ionizadas, la temperatura aumenta rápidamente hasta que la compresión casi se detiene cuando la presión del gas comienza a equilibrar las fuerzas de la gravedad. Así, termina la fase de rápida compresión gravitacional (colapso).

En este momento de su desarrollo, la protoestrella correspondiente a nuestro sistema es un disco con un engrosamiento en el centro y una temperatura de unos 1000 K al nivel de la órbita de Júpiter. Tal disco protoestelar continúa evolucionando: se produce un reordenamiento en él y se comprime lentamente. La protoestrella misma se está volviendo gradualmente más compacta, más masiva y más caliente, ya que ahora el calor solo puede irradiarse desde su superficie. La transferencia de calor desde las profundidades de la protoestrella hasta su superficie se realiza mediante corrientes de convección. La región desde la superficie de la protoestrella hasta una distancia equivalente a la órbita de Plutón está llena de una niebla de gas y polvo.

Durante esta compleja serie de contracciones, que se cree que duró unos 10 millones de años, debería conservarse el momento angular del sistema. La galaxia entera gira, haciendo 1 revolución cada 100 millones de años. A medida que las nubes de polvo se contraen, su momento angular no puede cambiar: cuanto más se contraen, más rápido giran. Debido a la conservación del momento angular, la forma de la nube de polvo que se contrae cambia de esférica a forma de disco.

A medida que se comprimía la materia restante de la protoestrella, su temperatura se volvió lo suficientemente alta como para que comenzara la reacción de fusión de los átomos de hidrógeno. Con el influjo de más energía, gracias a esta reacción, la temperatura se volvió lo suficientemente alta como para equilibrar las fuerzas de una mayor contracción gravitacional.

Los planetas se formaron a partir de los gases y el polvo restantes en la periferia del disco protoestelar (Fig. 2.3). La aglomeración de polvo interestelar bajo la acción de la atracción gravitacional conduce a la formación de estrellas y planetas en aproximadamente 10 millones de años (1-4). La estrella entra en la secuencia principal (4) y permanece en un estado estacionario (estable) durante unos 8000 millones de años, reciclando gradualmente el hidrógeno. Luego, la estrella abandona la secuencia principal, se expande hasta convertirse en una gigante roja (5 y 6) y "envuelve" sus planetas durante los próximos 100 millones de años. Después de varios miles de años de latir como una estrella variable (7), explota como una supernova (8) y finalmente colapsa en una enana blanca (9). Aunque los planetas generalmente se consideran objetos masivos, la masa total de todos los planetas es solo el 0.135% de la masa del sistema solar.

Arroz. 2.3. Formación del sistema planetario.

Nuestros planetas, y se supone que se forman en cualquier disco protoestelar, están ubicados en dos zonas principales. La zona interior, que en el sistema solar se extiende desde Mercurio hasta el cinturón de asteroides, es una zona de pequeños planetas terrestres. Aquí, en la fase de contracción lenta de la protoestrella, las temperaturas son tan altas que los metales se evaporan. La zona fría exterior contiene gases como H 2 O, He y Ne y partículas recubiertas con volátiles congelados como H 2 O, NH 3 y CH 4. Esta zona exterior con planetas similares a Júpiter contiene mucho más material que la zona interior, porque es grande y porque la mayoría de los volátiles que estaban originalmente en la zona interior son empujados hacia afuera por la actividad de la protoestrella.

Una forma de obtener una imagen de la evolución de una estrella y calcular su edad es analizar una gran muestra aleatoria de estrellas. Al mismo tiempo, se mide la distancia a las estrellas, su brillo aparente y el color de cada estrella.

Si se conocen el brillo aparente y la distancia a la estrella, entonces se puede calcular su magnitud absoluta, ya que el brillo aparente de una estrella es inversamente proporcional a la distancia a ella. La magnitud estelar absoluta es una función de la velocidad a la que se libera energía, independientemente de su distancia del observador.

El color de una estrella está determinado por su temperatura: el azul corresponde a estrellas muy calientes, blanco a caliente y rojo a relativamente frío.

La Figura 2.4 muestra el diagrama de Hertzsprung-Russell, conocido por usted del curso de astronomía, que refleja la relación entre la magnitud absoluta y el color para un gran número de estrellas. Dado que este diagrama clásico incluye estrellas de todos los tamaños y edades, corresponde a una estrella "promedio" en varias etapas de su evolución.

Arroz. 2.4. Diagrama de Hertzsprung-Russel

La mayoría de las estrellas se encuentran en la parte recta del diagrama; sólo experimentan cambios graduales en el equilibrio a medida que se quema el hidrógeno que contienen. En esta parte del diagrama, llamada secuencia principal, las estrellas con mayor masa tienen una temperatura más alta; en ellos, la reacción de fusión de los átomos de hidrógeno es más rápida y su esperanza de vida es más corta. Las estrellas con una masa menor que la del Sol tienen una temperatura más baja, la fusión de los átomos de hidrógeno en ellas es más lenta y su vida útil es más larga. Siempre que una estrella de la secuencia principal haya agotado aproximadamente el 10% de sus reservas originales de hidrógeno, su temperatura bajará y se producirá la expansión. Se cree que las gigantes rojas son estrellas "envejecidas" de todos los tamaños que pertenecieron previamente a la secuencia principal. Estos factores deben tenerse en cuenta al determinar con precisión la edad de una estrella. Los cálculos que los tienen en cuenta muestran que ni una sola estrella de nuestra galaxia tiene más de 11.000 millones de años. Algunas estrellas pequeñas son de esta edad; muchas de las estrellas más grandes son mucho más jóvenes. Las estrellas más masivas pueden estar en la secuencia principal durante no más de 1 millón de años. El sol y las estrellas de este tamaño están en la secuencia principal durante unos 10.000 millones de años antes de alcanzar la etapa de gigante roja.

Puntos de anclaje

1. La materia está en continuo movimiento y desarrollo.

2. La evolución biológica es una determinada etapa cualitativa en la evolución de la materia en su conjunto.

3. Las transformaciones de elementos y moléculas en el espacio exterior ocurren constantemente a muy baja velocidad.

1. ¿Qué son las reacciones de fusión nuclear? Dar ejemplos.

2. ¿Cómo, de acuerdo con la hipótesis de Kant-Laplace, los sistemas estelares se forman a partir de materia gaseosa y polvorienta?

3. ¿Existe alguna diferencia en la composición química de los planetas del mismo sistema estelar?

2.2.3. La atmósfera primaria de la Tierra y los prerrequisitos químicos para el surgimiento de la vida.

Siguiendo el punto de vista anterior sobre el origen de los sistemas planetarios, es posible realizar estimaciones suficientemente fundamentadas de la composición elemental de la atmósfera primaria de la Tierra. Las visiones parcialmente modernas se basan, por supuesto, en el enorme predominio del hidrógeno en el espacio; también se encuentra en el sol. La Tabla 2.2 muestra la composición elemental de la materia solar y estelar.

Cuadro 2.2. Composición elemental de materia solar y estelar

Se supone que la atmósfera de la Tierra primaria, que tenía una temperatura promedio alta, era aproximadamente la siguiente: antes de la pérdida gravitacional, el hidrógeno constituía la mayor parte y los principales constituyentes moleculares eran el metano, el agua y el amoníaco. Es interesante comparar la composición elemental de la materia estelar con la composición de la Tierra moderna y la materia viva en la Tierra.

Los elementos más comunes en la naturaleza inanimada son el hidrógeno y el helio; seguido por carbono, nitrógeno, silicio y magnesio. Tenga en cuenta que la materia viva de la biosfera en la superficie de la Tierra se compone principalmente de hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno, lo que, por supuesto, debería esperarse, a juzgar por la naturaleza misma de estos elementos.

La atmósfera inicial de la Tierra podría cambiar como resultado de una variedad de procesos, principalmente como resultado del escape por difusión de hidrógeno y helio, que constituyen una parte significativa de ella. Estos elementos son los más ligeros y deberían haberse perdido de la atmósfera, porque el campo gravitacional de nuestro planeta es pequeño en comparación con el campo de los planetas gigantes. La mayor parte de la atmósfera inicial de la Tierra debería haberse perdido en muy poco tiempo; por lo tanto, se supone que muchos de los gases primarios de la atmósfera terrestre son gases que fueron enterrados en las entrañas de la tierra y liberados nuevamente como resultado del calentamiento gradual de las rocas terrestres. La atmósfera primaria de la Tierra probablemente estaba compuesta por sustancias orgánicas del mismo tipo que se observan en los cometas: moléculas con enlaces carbono-hidrógeno, carbono-nitrógeno, nitrógeno-hidrógeno y oxígeno-hidrógeno. Además de ellos, durante el calentamiento gravitacional del interior de la tierra, es probable que aparecieran hidrógeno, metano, monóxido de carbono, amoniaco, agua, etc. Estas son las sustancias con las que se llevaron a cabo la mayoría de los experimentos de modelado de la atmósfera primaria fuera.

¿Qué podría suceder realmente en las condiciones de la Tierra primaria? Para determinar esto, es necesario saber qué tipos de energía tienen más probabilidades de afectar su atmósfera.

2.2.4. Fuentes de energía y la edad de la Tierra.

El desarrollo y la transformación de la materia sin un influjo de energía es imposible. Consideremos las fuentes de energía que determinan la evolución ulterior de sustancias, ya no en el espacio, sino en nuestro planeta, en la Tierra.

No es fácil evaluar el papel de las fuentes de energía; en este caso, es necesario tener en cuenta las condiciones de desequilibrio, el enfriamiento de los productos de reacción y el grado de blindaje de las fuentes de energía.

Aparentemente, cualquier fuente de energía (Tabla 2.3) tuvo un impacto significativo en la transformación de sustancias en nuestro planeta. ¿Cómo pasó esto? Por supuesto, simplemente no hay evidencia objetiva. Sin embargo, se pueden modelar los procesos que tuvieron lugar en nuestra Tierra en la antigüedad. En primer lugar, es necesario determinar los límites de tiempo, y en segundo lugar, reproducir con la posible precisión las condiciones en cada una de las épocas discutidas de la existencia del planeta.

Para discutir cuestiones sobre el origen de la vida en la Tierra, además de conocer las fuentes de energía necesarias para la transformación de la materia, también se debe tener una idea bastante clara del momento de estas transformaciones.

Cuadro 2.3. Fuentes de energía potenciales para la evolución química primaria

Cuadro 2.4. Semividas y otros datos sobre algunos de los elementos utilizados para determinar la edad de la tierra

El desarrollo de las ciencias físicas ha proporcionado a los biólogos varios métodos efectivos para determinar la edad de ciertas rocas de la corteza terrestre. La esencia de estos métodos radica en el análisis de la relación de varios isótopos y productos finales de la desintegración nuclear en las muestras y la correlación de los resultados del estudio con el tiempo de fisión de los elementos iniciales (Tabla 2.4).

El uso de tales métodos permitió a los científicos construir una escala de tiempo de la historia de la Tierra desde el momento de su enfriamiento, hace 4500 millones de años, y hasta la actualidad (Tabla 2.5). Nuestra tarea ahora es establecer, dentro de esta línea de tiempo, cuáles eran las condiciones en la Tierra primitiva, qué tipo de atmósfera tenía, cuál era la temperatura, la presión, cuándo se formaron los océanos y cómo se formó la Tierra misma.

Cuadro 2.5. Escala geocronológica

2.2.5. Condiciones ambientales en la Tierra antigua

Hoy, la reconstrucción de las condiciones en las que surgieron los primeros "embriones de vida" es de fundamental importancia para la ciencia. Gran mérito es A.I. Oparin, quien en 1924 propuso el primer concepto de evolución química, según el cual se propuso una atmósfera libre de oxígeno como punto de partida en experimentos de laboratorio para reproducir las condiciones de la Tierra primordial.

En 1953, los científicos estadounidenses G. Urey y S. Miller expusieron una mezcla de metano, amoníaco y agua a la acción de descargas eléctricas (Fig. 2.5). Por primera vez, utilizando un experimento de este tipo, se identificaron aminoácidos (glicina, alanina, ácidos aspártico y glutámico) entre los productos obtenidos.

Los experimentos de Miller y Urey estimularon la investigación sobre la evolución molecular y el origen de la vida en muchos laboratorios y llevaron a un estudio sistemático del problema, durante el cual se sintetizaron compuestos biológicamente importantes. Las principales condiciones en la Tierra primitiva, tomadas en cuenta por los investigadores, se muestran en la Tabla 2.6.

La presión, como la composición cuantitativa de la atmósfera, es difícil de calcular. Las estimaciones basadas en el efecto invernadero son muy arbitrarias.

Los cálculos que tuvieron en cuenta el efecto "invernadero", así como la intensidad aproximada de la radiación solar en la era abiótica, arrojaron valores varias decenas de grados por encima del punto de congelación. Casi todos los experimentos para recrear las condiciones de la Tierra primaria se llevaron a cabo a temperaturas de 20-200 ° С. Estos límites no se establecieron mediante cálculos o extrapolación de algunos datos geológicos, pero probablemente teniendo en cuenta los límites de temperatura de la estabilidad de los compuestos orgánicos.

El uso de mezclas de gases similares a los gases de la atmósfera primaria, diversos tipos de energía que eran característicos de nuestro planeta hace 4-4,5 × 10 9 años, y teniendo en cuenta las condiciones climáticas, geológicas e hidrográficas de ese período hizo que posible en muchos laboratorios que estudian el origen de la vida, para encontrar evidencia de vías para el origen abiótico de moléculas orgánicas tales como aldehídos, nitritos, aminoácidos, monosacáridos, purinas, porfirinas, nucleótidos, etc.

Arroz. 2.5. Aparato de Miller

Cuadro 2.6. Condiciones en la tierra primigenia

La aparición de protobiopolímeros es un problema más complejo. La necesidad de su existencia en todos los sistemas vivos es obvia. Ellos son responsables de procesos protoenzimáticos(Por ejemplo, hidrólisis, descarboxilación, aminación, desaminación, peroxidación etc.), para algunos procesos muy simples, como fermentación, y para otros, más complejos, por ejemplo fotoquímico reacciones fotofosforilación, fotosíntesis y etc.

La presencia de agua en nuestro planeta (océano primario) ha llevado a la posibilidad de la aparición de protobiopolímeros en el proceso de una reacción química: la condensación. Entonces, para la formación de un enlace peptídico en soluciones acuosas de acuerdo con la reacción:

Se requieren costos de energía. Estos costos de energía aumentan muchas veces cuando las moléculas de proteína se obtienen en soluciones acuosas. La síntesis de macromoléculas a partir de "biomonómeros" requiere el uso de métodos específicos (enzimáticos) para eliminar el agua.

El proceso general de evolución de la materia y la energía en el Universo incluye varias etapas consecutivas. Entre ellos se encuentran la formación de nebulosas espaciales, se puede reconocer su desarrollo y estructuración de sistemas planetarios. Las transformaciones de sustancias que tienen lugar en los planetas están determinadas por algunas leyes naturales generales y dependen de la posición del planeta dentro del sistema estelar. Algunos de estos planetas, como la Tierra, se caracterizan por las características que permiten el desarrollo de materia inorgánica hacia la aparición de diversas moléculas orgánicas complicadas.

Puntos de anclaje

1. La atmósfera primaria de la Tierra estaba formada principalmente por hidrógeno y sus compuestos.

2. La Tierra está a una distancia óptima del Sol y recibe suficiente energía para mantener el agua en estado líquido.

3. En soluciones acuosas debido a diversas fuentes de energía, los compuestos orgánicos más simples surgen de forma no biológica.

Revisar preguntas y asignaciones

1. Enumere los prerrequisitos cósmicos y planetarios para el surgimiento de la vida de forma abiogénica en nuestro planeta.

2. ¿Cuál fue la importancia de la naturaleza reductora de la atmósfera primaria para el surgimiento de moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas en la Tierra?

3. Describe el aparato y la metodología de los experimentos de S. Miller y P. Juri.

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Terminología

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Temas para debatir

¿Qué fuentes de energía crees que prevalecieron en la Tierra antigua? ¿Cómo se explica la influencia inespecífica de diversas fuentes de energía en la formación de moléculas orgánicas?

2.3. Teorías del origen de los protobiopolímeros

Diferentes evaluaciones de la naturaleza del medio ambiente en la Tierra primitiva llevaron a la creación de diferentes condiciones experimentales, que tuvieron fundamentalmente los mismos, pero no siempre los mismos resultados en particular.

Consideremos algunas de las teorías más importantes sobre la aparición de estructuras poliméricas en nuestro planeta, que se encuentran en los orígenes de la formación de biopolímeros, la base de la vida.

Teoría térmica. Las reacciones de condensación que conducirían a la formación de polímeros a partir de precursores de bajo peso molecular se pueden llevar a cabo mediante calentamiento. En comparación con otros componentes de la materia viva, la síntesis de polipéptidos es la mejor estudiada.

El autor de la hipótesis para la síntesis de polipéptidos por medios térmicos es el científico estadounidense S. Fox, quien durante mucho tiempo estudió las posibilidades de formación de péptidos en las condiciones que existían en la Tierra primitiva. Si una mezcla de aminoácidos se calienta a 180-200 ° C en condiciones atmosféricas normales o en un ambiente inerte, se forman productos de polimerización, pequeños oligómeros en los que los monómeros están unidos por enlaces peptídicos y pequeñas cantidades de polipéptidos. En los casos en que los experimentales enriquecieron las mezclas iniciales de aminoácidos con aminoácidos ácidos o básicos, por ejemplo, ácidos aspártico y glutámico, la proporción de polipéptidos aumentó significativamente. El peso molecular de los polímeros obtenidos de esta manera puede alcanzar varios miles de D. (D es Dalton, una unidad de medida de masa, numéricamente igual a la masa de 1/16 de un átomo de oxígeno).

Los polímeros obtenidos térmicamente a partir de aminoácidos (proteinoides) exhiben muchas de las propiedades específicas de los biopolímeros de tipo proteína. Sin embargo, en el caso de la condensación térmica de nucleótidos y monosacáridos que tienen una estructura compleja, la formación de ácidos nucleicos y polisacáridos actualmente conocidos parece improbable.

Teoría de la adsorción. El principal contraargumento en el debate sobre la apariencia abiogénica de las estructuras poliméricas es la baja concentración de moléculas y la falta de energía para la condensación de monómeros en soluciones diluidas. De hecho, según algunas estimaciones, la concentración de moléculas orgánicas en el "caldo primario" fue de alrededor del 1%. Tal concentración, debido a la rareza y aleatoriedad de los contactos de varias moléculas necesarias para la condensación de sustancias, no podría proporcionar una formación tan "rápida" de protobiopolímeros, como lo fue en la Tierra, según algunos científicos. Una de las soluciones a este problema, asociada a la superación de dicha barrera de concentración, fue propuesta por el físico inglés D. Bernal, quien creía que la concentración de soluciones diluidas de sustancias orgánicas se produce "adsorbiéndolas en depósitos de arcilla acuosos".

Como resultado de la interacción de sustancias en el proceso de adsorción, algunos enlaces se debilitan, lo que conduce a la destrucción de algunos y a la formación de otros compuestos químicos.

Teoría de la baja temperatura. Los autores de esta teoría, los científicos rumanos K. Simonescu y F. Denes, partieron de ideas algo diferentes sobre las condiciones para la formación abiogénica de los compuestos orgánicos más simples y su condensación en estructuras poliméricas. Los autores otorgan una gran importancia como fuente de energía a la energía del plasma frío. Esta opinión no es infundada.

El plasma frío está muy extendido en la naturaleza. Los científicos creen que el 99% del universo está en estado de plasma. Este estado de la materia también se encuentra en la Tierra moderna en forma de rayos, auroras y un tipo especial de plasma: la ionosfera.

Independientemente de la naturaleza de la energía en la Tierra abiótica, cualquiera de sus tipos convierte compuestos químicos, especialmente moléculas orgánicas, en partículas activas, como radicales libres mono y polifuncionales. Sin embargo, su evolución posterior depende en gran medida de la densidad del flujo de energía, que es más pronunciada en el caso de utilizar plasma frío.

Como resultado de experimentos minuciosos y complejos con plasma frío como fuente de energía para la síntesis abiogénica de protobiopolímeros, los investigadores lograron obtener tanto monómeros individuales como estructuras poliméricas del tipo péptido y lípidos.

Oparin creía que la transición de la evolución química a la biológica requería la aparición obligatoria de sistemas individuales de fase aislada capaces de interactuar con el medio ambiente circundante, utilizando sus sustancias y energía, y sobre esta base capaces de crecer, multiplicarse y someterse a selección natural.

La separación abiótica de sistemas multimoleculares de una solución homogénea de sustancias orgánicas, aparentemente, debería haberse llevado a cabo muchas veces. Todavía está muy extendido en la naturaleza en la actualidad. Pero en las condiciones de la biosfera moderna, solo se pueden observar directamente las etapas iniciales de la formación de tales sistemas. Su evolución suele ser de muy corta duración en presencia de microbios que destruyen todos los seres vivos. Por tanto, para comprender esta etapa del surgimiento de la vida, es necesario obtener artificialmente sistemas orgánicos de fases separadas en condiciones de laboratorio estrictamente controladas y, a partir de los modelos así formados, establecer ambas vías de su posible evolución en el pasado y las leyes de este proceso. Cuando trabajamos con compuestos orgánicos de alto peso molecular en condiciones de laboratorio, constantemente nos encontramos con la formación de tales sistemas de fases separadas. Por lo tanto, uno puede imaginar las formas de su origen y obtener experimentalmente en condiciones de laboratorio una variedad de sistemas, muchos de los cuales podrían servir como modelos para las formaciones que alguna vez aparecieron en la superficie de la tierra. Por ejemplo, puede nombrar algunos de ellos: "Burbujas" Goldeykra, "Microesferas" Zorro, "Jeyvanu" Bahadur, "Probionts" Egami y muchos otros.

A menudo, cuando se trabaja con tales sistemas artificiales que se autoaislan de una solución, se presta especial atención a su similitud morfológica externa con los objetos vivos. Pero esta no es la solución al problema, sino el hecho de que el sistema puede interactuar con el entorno externo, utilizando sus sustancias y energía como sistemas abiertos, y sobre esta base crecer y multiplicarse, lo cual es típico de todos los seres vivos.

Los modelos más prometedores a este respecto son gotas coacervadas.

Cada molécula tiene una determinada organización estructural, es decir, los átomos que componen su composición se encuentran regularmente ubicados en el espacio. Como resultado, se forman polos con diferentes cargas en la molécula. Por ejemplo, la molécula de agua H2O forma un dipolo, en el que una parte de la molécula lleva una carga positiva (+) y la otra negativa (-). Además, algunas moléculas (por ejemplo, sales) en un medio acuoso se disocian en iones. Debido a tales peculiaridades de la organización química de las moléculas que las rodean en el agua, las "camisas" de agua se forman a partir de moléculas de agua orientadas de cierta manera. Usando la molécula de NaCl como ejemplo, se puede ver que los dipolos de agua que rodean al ion Na + se enfrentan a los polos negativos (figura 2.6) y los positivos hacia el ion Cl.

Arroz. 2.6. Catión de sodio hidratado

Arroz. 2.7. Ensamblaje de coacervados

Las moléculas orgánicas tienen un gran peso molecular y una configuración espacial compleja, por lo que también están rodeadas por una capa de agua, cuyo espesor depende de la magnitud de la carga de la molécula, la concentración de sales en la solución, la temperatura, etc.

Bajo ciertas condiciones, la capa acuosa adquiere límites claros y separa la molécula de la solución circundante. Las moléculas rodeadas por una capa de agua se pueden combinar para formar complejos multimoleculares: coacerva(figura 2.7).

Las gotas de coacervado también surgen de la simple mezcla de varios polímeros, tanto naturales como artificiales. En este caso, se produce el autoensamblaje de moléculas de polímero en formaciones aisladas de fase multimolecular: gotas visibles bajo un microscopio óptico (fig. 2.8). La mayoría de las moléculas de polímero se concentran en ellos, mientras que el medio ambiente está casi completamente desprovisto de ellos.

Las gotas están separadas del medio ambiente por una interfaz nítida, pero son capaces de absorber sustancias del exterior como en los sistemas abiertos.

Arroz. 2.8. Gotas experimentales de coacervado

Incluyendo en coacervados gotas de varios catalizadores(incluidas las enzimas), pueden producirse una serie de reacciones, en particular, la polimerización de monómeros procedentes del entorno externo. Debido a esto, las gotas pueden aumentar de volumen y peso y luego dividirse en formaciones hijas.

Por ejemplo, los procesos que ocurren en una gota de coacervado se muestran entre corchetes, y fuera de ellos se colocan sustancias en el ambiente externo:

glucosa-1-fosfato → [glucosa-1-fosfato → almidón → maltosa] → maltosa

Una gota de coacervado formada a partir de proteína y goma arábiga se sumerge en una solución de glucosa-1-fosfato. La glucosa-1-fosfato comienza a entrar en la gota y se polimeriza en almidón bajo la acción de un catalizador: la fosforilasa. Debido al almidón formado, la gota crece, lo que puede establecerse fácilmente tanto mediante análisis químico como mediante mediciones microscópicas directas. Si se incluye otro catalizador, b-amilasa, en la gota, el almidón se descompone en maltosa, que se libera al medio ambiente.

Así, el más simple metabolismo. La sustancia entra en la gota, se polimeriza y provoca crecimiento sistema, y ​​cuando se descompone, los productos de esta descomposición salen al ambiente externo, donde antes no estaban.

Otro diagrama ilustra un experimento en el que el polímero es un polinucleótido. La gota, que consta de una proteína-histona y goma arábiga, está rodeada por una solución de ADP.

Al ingresar a la gota, el ADP se polimeriza bajo la influencia de la polimerasa en ácido poliadenílico, debido a lo cual la gota crece y el fósforo inorgánico ingresa al ambiente externo.

ADP → [ADP → Poly-A + F] → F

En este caso, la caída en un corto período de tiempo aumenta en volumen más de dos veces.

Tanto en el caso de la síntesis de almidón como en la formación de ácido poliadenílico, rico en energía (macroérgico) conexiones. Debido a la energía de estos compuestos proveniente del ambiente externo, tuvo lugar la síntesis de polímeros y el crecimiento de gotas de coacervado. En otra serie de experimentos del académico A.I. Oparin y sus colegas, se demostró que las reacciones asociadas con la disipación de energía pueden ocurrir en las propias gotas de coacervado.