Головна » Здоров'я » Чи є відмінності у хімічному. Що таке речовина? Які бувають класи речовин? Відмінність між органічними та неорганічними речовинами. Реакції подвійного заміщення

Чи є відмінності у хімічному. Що таке речовина? Які бувають класи речовин? Відмінність між органічними та неорганічними речовинами. Реакції подвійного заміщення

У житті нас оточують різноманітні тіла та предмети. Наприклад, у приміщеннях це вікно, двері, стіл, лампочка, чашка, на вулиці – автомобіль, світлофор, асфальт. Будь-які тіла чи предмети складаються з речовини. У цій статті йтиметься про те, що таке речовина.

Що таке хімія?

Вода є незамінним розчинником та стабілізатором. Вона має сильну теплоємність і теплопровідність. Водне середовище сприятливе для протікання основних хімічних реакцій. Вона характеризується прозорістю та практично стійка до стиску.

Чим відрізняються неорганічні та органічні речовини?

Особливо сильних зовнішніх відмінностей між цими двома групами речовин немає. Головна відмінність полягає в будові, де неорганічні речовини мають немолекулярну будову, а органічні - молекулярну.

Неорганічні речовини мають немолекулярну будову, тому для них характерні високі температури плавлення та кипіння. Вони не містять вуглецю. До них можна віднести благородні гази (неон, аргон), метали (кальцій, кальцій, натрій), амфотерні речовини (залізо, алюміній) та неметали (кремній), гідроксиди, бінарні сполуки, солі.

Органічні речовини молекулярної будови. Вони досить низькі температури плавлення, і вони швидко розкладаються при нагріванні. Здебільшого складаються з вуглецю. Винятки: карбіди, карбонати, оксиди вуглецю та ціаніди. Вуглець дозволяє утворювати величезну кількість непростих сполук (у природі їх відомо понад 10 мільйонів).

Більшість їх класів належить до біологічного народження (вуглеводи, білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти). Дані сполуки включають азот, водень, кисень, фосфор і сірку.

Щоб зрозуміти, що така речовина, необхідно уявити, яку роль вона відіграє у нашому житті. Взаємодіючи коїться з іншими речовинами, воно утворює нові. Без них життєдіяльність навколишнього світу невіддільна та немислима. Усі предмети складаються з певних речовин, тому вони відіграють важливу роль нашому житті.

Під час хімічних реакцій з одних речовин утворюються інші (не плутати з ядерними реакціями, у яких один хімічний елемент перетворюється на інший).

Будь-яка хімічна реакція описується хімічним рівнянням:

Реагенти → Продукти реакції

Стрілка вказує напрямок протікання реакції.

Наприклад:

У цій реакції метан (СН 4) реагує з киснем (Про 2), внаслідок чого утворюється діоксид вуглецю (СО 2) та вода (Н 2 Про), а точніше - водяна пара. Саме така реакція відбувається на вашій кухні, коли ви запалюєте газову конфорку. Читати рівняння слід так: одна молекула газоподібного метану вступає у реакцію з двома молекулами газоподібного кисню, в результаті виходить одна молекула діоксиду вуглецю та дві молекули води (водяної пари).

Числа, що розташовані перед компонентами хімічної реакції, називаються коефіцієнтами реакції.

Хімічні реакції бувають ендотермічними(з поглинанням енергії) та екзотермічні(З виділенням енергії). Горіння метану – типовий приклад екзотермічної реакції.

Існує кілька видів хімічних реакцій. Найбільш розповсюджені:

реакції з'єднання;
реакції розкладання;
реакції одинарного заміщення;
реакції подвійного заміщення;
реакції окиснення;
окисно-відновні реакції.

Реакції з'єднання

У реакціях з'єднання хоча б два елементи утворюють один продукт:

2Na (т) + Cl 2 (г) → 2NaCl (т)- Утворення кухонної солі.

Слід звернути увагу на суттєвий нюанс реакцій сполуки: залежно від умов перебігу реакції або пропорцій реагентів, що вступають у реакцію, її результатом можуть бути різні продукти. Наприклад, за нормальних умов згоряння кам'яного вугілля виходить вуглекислий газ:
C (т) + O 2 (г) → CO 2 (г)

Якщо кількість кисню недостатньо, то утворюється смертельно небезпечний чадний газ:
2C (т) + O 2 (г) → 2CO (г)

Реакції розкладання

Ці реакції є, хіба що, протилежними власне, реакціям сполуки. В результаті реакції розкладання речовина розпадається на два (3, 4...) простіші елементи (сполуки):

2H 2 O (ж) → 2H 2 (г) + O 2 (г)- розкладання води
2H 2 O 2 (ж) → 2H 2 (г) O + O 2 (г)- розкладання перекису водню

Реакції одинарного заміщення

В результаті реакцій одинарного заміщення більш активний елемент заміщає в з'єднанні менш активний:

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

Цинк у розчині сульфату міді витісняє менш активну мідь, у результаті утворюється розчин сульфату цинку.

Ступінь активності металів за зростанням активності:

Найбільш активними є лужні та лужноземельні метали

Іонне рівняння вищенаведеної реакції матиме вигляд:

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

Іонний зв'язок CuSO 4 при розчиненні у воді розпадається на катіон міді (заряд 2+) та аніон сульфату (заряд 2-). В результаті реакції заміщення утворюється катіон цинку (який має такий самий заряд, як і катіон міді: 2-). Зверніть увагу, що аніон сульфату присутній в обох частинах рівняння, тобто за всіма правилами математики його можна скоротити. У результаті вийде іонно-молекулярне рівняння:

Zn (т) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (т)

Реакції подвійного заміщення

У реакціях подвійного заміщення відбувається заміщення двох електронів. Такі реакції ще називають реакціями обміну. Такі реакції проходять у розчині з утворенням:

нерозчинної твердої речовини (реакції осадження);
води (реакції нейтралізації).

Реакції осадження

При змішуванні розчину нітрату срібла (сіль) з розчином хлориду натрію утворюється хлорид срібла:

Молекулярне рівняння: KCl (р-р) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (т) + KNO 3 (p-p)

Іонне рівняння: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (т) + K + + NO 3 -

Молекулярно-іонне рівняння: Cl - + Ag + → AgCl (т)

Якщо з'єднання розчинне, воно перебуватиме в розчині в іонному вигляді. Якщо з'єднання нерозчинне, воно буде осаджуватися, утворюючи тверду речовину.

Реакції нейтралізації

Це реакції взаємодії кислот і основ, у яких утворюються молекули води.

Наприклад, реакція змішування розчину сірчаної кислоти та розчину гідроксиду натрію (лугу):

Молекулярне рівняння: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (ж)

Іонне рівняння: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (ж)

Молекулярно-іонне рівняння: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (ж) або H + + OH - → H 2 O (ж)

Реакції окиснення

Це реакції взаємодії речовин з газоподібним киснем, що у повітрі, у яких, зазвичай, виділяється велика кількість енергії як тепла і світла. Типова реакція окиснення – це горіння. На початку цієї сторінки наведена реакція взаємодії метану з киснем:

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

Метан відноситься до вуглеводнів (сполуки з вуглецю та водню). При реакції вуглеводню із киснем виділяється багато теплової енергії.

Окисно-відновні реакції

Це реакції у яких відбувається обмін електронами між атомами реагентів. Розглянуті вище реакції також є окислювально-відновними реакціями:

2Na + Cl 2 → 2NaCl - реакція з'єднання
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - реакція окиснення
Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu – реакція одинарного заміщення

Максимально докладно окислювально-відновлювальні реакції з великою кількістю прикладів розв'язання рівнянь методом електронного балансу та методом напівреакцій описані у розділі

Природа розвивається в динаміці, жива та інертна речовина безперервно проходить процеси трансформації. Найбільш важливими перетвореннями є ті, що впливають на склад речовини. Формування порід, хімічна ерозія, народження планети або дихання ссавців все це спостережувані процеси, що спричиняють зміни інших речовин. Незважаючи на відмінності, всі вони становлять щось спільне: зміни молекулярному рівні.

У ході хімічних реакцій елементи не втрачають ідентичності. У цих реакціях беруть участь лише електрони зовнішньої оболонки атомів, тоді як ядра атомів залишаються незмінними.
Реакційна здатність елемента до хімічної реакції залежить від рівня окислення елемента. У звичайних хімічних реакціях Ра та Ра 2+ поводяться зовсім по-різному.
Різні ізотопи елемента мають майже таку ж хімічну реакційну здатність.
Швидкість хімічної реакції значною мірою залежить від температури та тиску.
Хімічна реакція може бути скасована.
Хімічні реакції супроводжуються відносно невеликими змінами енергії.

Ядерні реакції

У ході ядерних реакцій ядра атомів зазнають змін і, отже, у результаті утворюються нові елементи.
Реакційна здатність елемента до ядерної реакції мало залежить від ступеня окислення елемента. Наприклад, Ra або Ra 2+ іонів Ка 2 поводяться аналогічним чином при ядерних реакціях.
У ядерних реакціях ізотопи поводяться зовсім по-різному. Наприклад, U-235 піддається поділу спокійно та легко, але U-238 цього не робить.
Швидкість ядерної реакції не залежить від температури та тиску.
Ядерна реакція може бути скасована.
Ядерні реакції супроводжуються великими змінами енергії.

Різниця між хімічною та ядерною енергією

Потенційна енергія, яка може бути перетворена на інші форми в першу чергу тепла і світла, коли утворюються зв'язки.
Чим сильніший зв'язок, тим більше перетворена хімічна енергія.

Ядерна енергія не пов'язана з утворенням хімічних зв'язків (що обумовлено взаємодією електронів)
Може бути перетворена на інші форми, коли відбувається зміна в ядрі атома.

Ядерна зміна відбувається у всіх трьох основних процесах:

Розщеплення ядра
З'єднання двох ядер сформувати нове ядро.
Вивільнення високої енергії електромагнітного випромінювання (гамма-випромінювання), створюючи стабільнішу версію того ж ядра.

Порівняння перетворення енергії

Кількість звільненої хімічної енергії (або перетвореної) у хімічному вибуху становить:

5кДж на кожен грам тротилу
Кількість ядерної енергії у випущеній атомній бомбі: 100 млн кДж на кожен грам урану або плутонію

Одна з основних відмінностей між ядерною та хімічною реакцієюпов'язано з тим, як реакція відбувається в атомі. У той час як ядерна реакція відбувається в ядрі атома, електрони в атомі відповідають за хімічну реакцію, що відбувається.

Хімічні реакції включають:

Передачі
Втрати
Посилення
Поділ електронів

Відповідно до теорії атома матерії пояснюються внаслідок перегрупування, щоб дати нові молекули. Речовини, що беруть участь у хімічній реакції та пропорції, в яких вони утворюються, виражаються у відповідних хімічних рівняннях, що лежать в основі для виконання різних видів хімічних розрахунків.

Ядерні реакції відповідають за розпад ядра і нічого спільного з електронами. Коли ядро розпадається, воно може перейти до іншого атома через втрату нейтронів або протонів. У ядерній реакції, протони та нейтрони взаємодіють усередині ядра. У хімічних реакціях електрони реагують поза ядром.

Результатом ядерної реакції можна назвати будь-який поділ або злиття. Новий елемент утворюється через дію протона чи нейтрона. В результаті хімічної реакції речовина змінюється на одну або більше речовин через дії електронів. Новий елемент утворюється через дію протона чи нейтрона.

При порівнянні енергії, хімічна реакція включає лише низьку зміну енергії, тоді як ядерна реакція має зміну дуже високої енергії. У ядерній реакції, енергетичні зміни величини 10^8 кДж. Це 10 - 10^3 кДж/моль у хімічних реакціях.

У той час як одні елементи перетворюються на інші в ядерній, число атомів залишається незмінним у хімічних. У ядерній реакції ізотопи реагують по-різному. Але внаслідок хімічної реакції, ізотопи також вступають у реакцію.

Хоча ядерна реакція залежить від хімічних сполук, хімічна реакція, значною мірою залежить від хімічних сполук.

Резюме

Хімічні реакції охоплюють – передачі, втрати, посилення та поділ електронів, не залучаючи до процесу ядро. Ядерні реакції включають розпад ядра і нічого спільного з електронами.
У ядерній реакції, протони та нейтрони реагують усередині ядра, у хімічних реакціях електрони взаємодіють поза ядром.
При порівнянні енергій хімічна реакція використовує лише низьку зміну енергії, тоді як ядерна реакція має зміну високої енергії.

Поточна сторінка: 3 (всього книга 18 сторінок) [доступний уривок для читання: 12 сторінок]

2.2.2. Утворення планетних систем

Вчені вважають, що туманності є етапом формування галактик чи великих зоряних систем. У моделях теорій такого типу планети є побічним продуктом освіти зірок. Ця думка, вперше висловлена у XVIII в. І. Кантом і пізніше розвинена П. Лапласом, Д. Койпером, Д. Альвеном та Р. Камероном, підтверджується цілою низкою свідчень.

Молоді зірки виявляються всередині туманностей – областей щодо концентрованого міжзоряного газу та пилу, розміри яких становлять кілька світлових років. Туманності трапляються по всій нашій галактиці; вважають, що зірки та пов'язані з ними планетні системи утворюються всередині цих величезних хмар матерії.

За допомогою спектроскопії було показано, що міжзоряна речовина складається з газів – водню, гелію та неону – та пилових частинок, що мають розміри порядку кількох мікронів та складаються з металів та інших елементів. Оскільки температура дуже низька (10–20 К), вся речовина, крім згаданих газів, перебуває у замерзлому стані на пилових частках. Тяжкі елементи і кілька водню ведуть своє походження від зірок попередніх поколінь; деякі з цих зірок вибухнули як наднові, повернувши в міжзоряне середовище водень, що залишився, і збагативши її утвореними в їх надрах більш важкими елементами.

Середня концентрація газу в міжзоряному просторі - всього 0,1 атома Н/см 3 тоді як концентрація газу в туманностях приблизно 1000 атомів Н/см 3 т. е. в 10 000 разів більше. (1 см 3 повітря міститься приблизно 2,7×10 19 молекул.)

Коли газово-пилова хмара стає досить великою внаслідок повільного осідання та злипання (акреції) міжзоряного газу та пилу під дією гравітації, вона стає нестійкою – у ній порушується близьке до рівноваги співвідношення між тиском та гравітаційними силами. Гравітаційні сили переважають і тому хмара стискається. У ході ранніх фаз стиснення тепло, що вивільняється при перетворенні гравітаційної енергії на енергію випромінювання, легко залишає хмару, оскільки відносна щільність речовини мала. У міру зростання густини речовини починаються нові важливі зміни. Внаслідок гравітаційних та інших флуктуацій велика хмара дробиться на хмари меншого розміру, які у свою чергу утворюють фрагменти, які зрештою за своєю масою та розмірами в кілька разів перевищують нашу Сонячну систему (рис. 2.2; 1–5). Такі хмари називають протозірками.Звичайно, деякі протозірки масивніші, ніж наша Сонячна система, вони утворюють більші і гарячіші зірки, тоді як менш масивні протозірки утворюють менші і холодніші зірки, які еволюціонують повільніше, ніж перші. Розміри протозірок обмежені верхньою межею, вище якої відбулася б подальша фрагментація, і нижньою межею, що визначається тією мінімальною масою, яка потрібна для підтримки ядерних реакцій.

Рис. 2.2. Еволюція газово-пилової туманності та утворення протопланетного диска

Спочатку потенційна гравітаційна енергія, що перетворюється на тепло (енергію випромінювання), під час гравітаційного стиску просто випромінюється назовні. Але в міру того, як щільність речовини зростає, поглинається все більше енергії випромінювання і в результаті зростає температура. Летючі сполуки, що спочатку намерзли на частинках пилу, починають випаровуватися. Тепер до Н 2 , Не і Ne домішуються такі гази, як NH 3 CH 4 Н 2 Про (пари) і HCN. Ці гази поглинають наступні порції енергії випромінювання, дисоціюють та піддаються іонізації.

Гравітаційне стиснення протікає до тих пір, поки енергія випромінювання, що виділяється, розсіюється при випаровуванні та іонізації молекул в частинках пилу. Коли молекули повністю іонізуються, температура швидко зростає доти, доки стиснення майже припиняється, оскільки тиск газу починає врівноважувати сили тяжіння. Таким чином закінчується фаза швидкого гравітаційного стиску (колапсу).

У цей момент свого розвитку протозірка, що відповідає нашій системі, є диском з потовщенням в центрі і температурою приблизно 1000 К на рівні орбіти Юпітера. Такий протозірковий диск продовжує еволюціонувати: у ньому відбувається перебудова, і він повільно стискується. Сама протозірка поступово стає все компактнішою, більш масивною і гарячішою, так як тепер тепло може випромінюватись тільки з її поверхні. Передача тепла із глибини протозірки до її поверхні здійснюється за допомогою конвекційних струмів. Область від поверхні протозірки до відстані, еквівалентного орбіті Плутона, заповнена газово-пиловим туманом.

У ході цього складного ряду стисків, який, як вважають, зажадав близько 10 млн років, момент кількості руху системи має зберігатися. Вся галактика обертається, роблячи 1 оборот 100 млн років. У міру стиснення пилових хмар їх момент кількості руху не може змінитися - що сильніше вони стискаються, то швидше обертаються. Завдяки збереженню моменту кількості руху форма пилової хмари, що стискається, змінюється від сферичної до дископодібної.

У міру стиснення речовини, що залишилася, протозірки його температура ставала досить високою для початку реакції злиття атомів водню. З припливом більшої кількості енергії завдяки цій реакції температура ставала досить високою для того, щоб урівноважити сили подальшого гравітаційного стиснення.

Планети формувалися з газів і пилу, що залишилися, на периферії протозоряного диска (рис. 2.3). Агломерація міжзоряного пилу під впливом гравітаційного тяжіння призводить до утворення зірки та планет приблизно за 10 млн років (1–4). Зірка входить на головну послідовність (4) і залишається у стаціонарному (стійкому) стані приблизно протягом 8000 млн років, поступово переробляючи водень. Потім зірка залишає головну послідовність, розширюється до червоного гіганта (5 і 6) і поглинає свої планети протягом наступних 100 млн років. Після кількох тисяч років пульсування як змінна зірка (7) вона вибухає як наднова (8) і, нарешті, стискається до білого карлика (9). Хоча зазвичай планети вважають масивними об'єктами, загальна маса всіх планет становить лише 0,135 % маси Сонячної системи.

Рис. 2.3. Утворення планетної системи

Наші планети і, як припускають, планети, що утворюються в будь-якому протозірковому диску, розташовані у двох основних зонах. Внутрішня зона, що у Сонячній системі простягається від Меркурія до пояса астероїдів, є зону дрібних планет земного типу. Тут, у фазі повільного стиснення протозірки, температури настільки високі, що випаровуються метали. Зовнішня холодна зона містить такі гази, як Н 2 Про, Не і Ne і частинки, покриті замерзлими леткими речовинами типу Н 2 Про, NH 3 і СН 4 . Ця зовнішня зона з планетами типу Юпітера містить набагато більше речовини, ніж внутрішня, оскільки вона має великі розміри і оскільки більшість летких речовин, що спочатку перебували у внутрішній зоні, виштовхується назовні в результаті діяльності протозірки.

Один із способів побудови картини еволюції зірки та обчислення її віку полягає в аналізі великої випадкової вибірки зірок. При цьому вимірюють відстані до зірок, їхній видимий блиск і колір кожної зірки.

Якщо відомий видимий блиск і відстань до зірки, можна обчислити її абсолютну зоряну величину, оскільки видимий блиск зірки назад пропорційний відстані до неї. Абсолютна зоряна величина є функцією швидкості вивільнення енергії незалежно від її відстані до спостерігача.

Колір зірки визначається її температурою: блакитний колір відповідає дуже гарячим зіркам, білий гарячим, а червоний відносно холодним.

На малюнку 2.4 представлена діаграма Герцшпрунга - Рессела, відома вам з курсу астрономії, що відображає залежність між абсолютною зірковою величиною та кольором для великої кількості зірок. Оскільки ця класична діаграма включає зірки всіляких розмірів та віку, вона відповідає «середній» зірці на різних стадіях її еволюції.

Рис. 2.4. Діаграма Герцшпрунга-Рессела

Більшість зірок розміщується на прямолінійній частині діаграми; вони відчувають лише поступові зміни рівноваги в міру вигоряння водню, що міститься в них. На цій частині діаграми, яка називається головною послідовністю, зірки з більшою масою мають більш високу температуру; у них швидше протікає реакція злиття атомів водню, і тривалість життя менше. Зірки з меншою масою, ніж сонячна, мають нижчу температуру, злиття водневих атомів протікає в них повільніше, і тривалість їх життя більша. Коли зірка головної послідовності витратить близько 10% своїх вихідних запасів водню, її температура знизиться і відбудеться розширення. Як припускають, червоні гіганти є «зістарілими» зірками всіх розмірів, що належали раніше головній послідовності. При точному визначенні віку зірки ці фактори слід брати до уваги. Обчислення з їхньою врахуванням показують, що жодна зірка в нашій галактиці не старше 11 000 млн років. Деякі маленькі зірки мають цей вік; багато більших зірок набагато молодші. Найпотужніші зірки можуть бути на головній послідовності не більше 1 млн років. Сонце та зірки подібних розмірів знаходяться на головній послідовності близько 10 000 млн років, перш ніж досягають стадії червоних гігантів.

Опорні точки

1. Матерія перебуває у безперервному русі та розвитку.

2. Біологічна еволюція є певний якісний етап еволюції матерії загалом.

3. Перетворення елементів та молекул у космічному просторі відбуваються завжди з дуже невисокою швидкістю.

1. Що таке реакції ядерного синтезу? Наведіть приклади.

2. Як, відповідно до гіпотези Канта – Лапласа, з газово-пилової матерії формуються зоряні системи?

3. Чи є відмінності в хімічному складі планет однієї зіркової системи?

2.2.3. Первинна атмосфера Землі та хімічні передумови виникнення життя

Дотримуючись вищевикладеної погляду походження планетних систем, можна зробити досить обгрунтовані оцінки елементного складу первинної атмосфери Землі. Частково сучасні погляди ґрунтуються, звичайно, на величезній перевазі у космосі водню; воно виявляється також і Сонце. У таблиці 2.2 наведено елементний склад зоряної та сонячної речовини.

Таблиця 2.2. Елементний склад зоряної та сонячної речовини

Передбачається, що атмосфера первинної Землі, що мала велику середню температуру, була приблизно така: до гравітаційної втрати водень становив більшу її частину, а головними молекулярними складовими були метан, вода та аміак. Цікаво порівняти елементарний склад зоряної речовини зі складом сучасної Землі та живої речовини на Землі.

Найбільш поширеними елементами в неживій природі є водень та гелій; за ними слідують вуглець, азот, кремній та магній. Зауважимо, що жива речовина біосфери на поверхні Землі складається переважно з водню, кисню, вуглецю та азоту, чого, звичайно, слід очікувати, судячи з самої природи цих елементів.

Початкова атмосфера Землі могла змінюватися внаслідок різних процесів, насамперед у результаті дифузійного вислизання водню і гелію, що становили значну її частину. Ці елементи – найлегші, і вони мали втрачатися з атмосфери, бо гравітаційне поле нашої планети мало порівняно з полем планет гігантів. Більшість початкової атмосфери Землі повинна була бути втрачена за дуже короткий час; тому передбачається, що багато первинних газів земної атмосфери – це гази, які були поховані в надрах Землі і виділилися знову внаслідок поступового розігріву земних порід. Первинну атмосферу Землі, ймовірно, становили органічні речовини того ж роду, що спостерігаються в кометах: молекули зі зв'язками вуглець – водень, вуглець – азот, азот – водень та кисень – водень. Крім них, при гравітаційному розігріві земних надр, ймовірно, з'являлися також водень, метан, окис вуглецю, аміак, вода і т. д. Такі речовини, з якими проведено більшість експериментів з моделювання первинної атмосфери.

Що ж могло насправді відбуватися за умов первинної Землі? Щоб визначити це, необхідно знати, які види енергії найімовірніше впливали на її атмосферу.

2.2.4. Джерела енергії та вік Землі

Розвиток та перетворення матерії без припливу енергії неможливе. Розглянемо джерела енергії, які зумовлюють подальшу еволюцію речовин не в космосі, але в нашій планеті – Землі.

Оцінити роль джерел енергії нелегко; при цьому необхідно враховувати нерівноважність умов, охолодження продуктів реакції та ступінь їхнього екранування від джерел енергії.

Очевидно, будь-які джерела енергії (табл. 2.3) значно впливали на перетворення речовин на планеті. Як це відбувалося? Звісно, свідчень об'єктивного характеру просто немає. Однак процеси, що протікали на Землі в давнину, можна змоделювати. По-перше, необхідно визначити тимчасові кордони, а по-друге, відтворити з можливою точністю умови в кожній із обговорюваних епох існування планети.

Для обговорення питань про походження життя Землі крім знання джерел енергії, необхідні перетворення матерії, необхідно мати і чітке уявлення час цих перетворень.

Таблиця 2.3. Можливі джерела енергії для первинної хімічної еволюції

Таблиця 2.4. Періоди напіврозпаду та інші дані про деякі елементи, що використовуються при визначенні віку Землі

Розвиток фізичних наук у час надало біологам кілька ефективних методів визначення віку тих чи інших порід земної кори. Сутність цих способів полягає в аналізі співвідношення різних ізотопів та кінцевих продуктів ядерного розпаду у зразках та співвіднесенні результатів дослідження з часом розщеплення вихідних елементів (табл. 2.4).

Використання подібних методів дозволило вченим побудувати тимчасову шкалу історії Землі з моменту її остигання, 4500 млн. років тому, і до теперішнього часу (табл. 2.5). Тепер наше завдання полягає в тому, щоб усередині цієї тимчасової шкали встановити, які були умови на примітивній Землі, яку атмосферу мала Земля, яка була температура, тиск, коли утворилися океани, і як сформувалася сама Земля.

Таблиця 2.5. Геохронологічна шкала

2.2.5. Умови середовища на давній Землі

Сьогодні відтворення умов, у яких виникли перші «зародки життя», має важливе значення для науки. Велика заслуга А. І. Опаріна, який у 1924 р. запропонував першу концепцію хімічної еволюції, згідно з якою як відправна точка в лабораторних експериментах з відтворення умов первинної Землі пропонувалася безкиснева атмосфера.

У 1953 р. американські вчені Г. Юрі та С. Міллер піддали суміш метану, аміаку та води дії електричних розрядів (рис. 2.5). Вперше за допомогою такого експерименту серед отриманих продуктів були ідентифіковані амінокислоти (гліцин, аланін, аспарагінова та глутамінова кислоти).

Досліди Міллера та Юрі стимулювали дослідження молекулярної еволюції та походження життя у багатьох лабораторіях та призвели до систематичного вивчення проблеми, у ході якого синтезовано біологічно важливі сполуки. Основні умови на первісній Землі, прийняті до уваги дослідниками, наведено у таблиці 2.6.

Тиск, як і кількісний склад атмосфери, важко розрахувати. Оцінки, зроблені з урахуванням "парникового" ефекту, дуже довільні.

Розрахунки, у яких прийняті до уваги «парниковий» ефект, і навіть приблизна інтенсивність сонячної радіації в абіотичну еру, сприяли значенням кілька десятків градусів вище температури замерзання. Майже всі експерименти щодо відтворення умов первинної Землі виконані за температури 20–200 °С. Ці межі були встановлені не шляхом розрахунків або екстраполяції деяких геологічних даних, а, швидше за все, з урахуванням температурних меж стійкості органічних сполук.

Використання сумішей газів, подібних до газів первинної атмосфери, різних видів енергії, які були характерні для нашої планети 4–4,5×10 9 років тому, та облік кліматичних, геологічних та гідрографічних умов того періоду дозволили у багатьох лабораторіях, що займаються вивченням виникнення життя , знайти докази шляхів абіотичного виникнення таких органічних молекул, як альдегіди, нітрити, амінокислоти, моносахариди, пурини, порфірини, нуклеотиди тощо.

Рис. 2.5. Апарат Міллера

Таблиця 2.6. Умови на первісній землі

Виникнення протобіополімерів є складнішою проблемою. Необхідність існування у всіх живих системах очевидна. Вони відповідальні за протоферментативні процеси(наприклад, гідроліз, декарбоксилювання, амінування, дезамінування, перекисне окисненняі т. д.), за деякі дуже прості процеси, як, наприклад, бродіння,та інші, складніші, наприклад фотохімічніреакції, фотофосфорилювання, фотосинтез тат.д.

Наявність води на планеті (первинний океан) зумовило можливість виникнення протобіополімерів у процесі хімічної реакції – конденсації. Так, для утворення у водних розчинах пептидного зв'язку відповідно до реакції:

необхідні витрати енергії. Ці витрати енергії багато разів зростають при отриманні білкових молекул у водних розчинах. Для синтезу макромолекул із «біомономерів» потрібне залучення специфічних (ферментативних) методів видалення води.

General process of evolution of matter and energy in Universe includes several consecutive stages. У той час як формування простір Nebulae, їх розвиток і структурування планетарних систем може бути визнаний. Transformations of substances що таке місце на планетах є визначеним як деякі природні права і залежить від позиції планети within star system. Кілька цих planetas, як earth, є характерними для параметрів, які здатні розвивати inorganic matter до випадки різних complicated organic molecules.

Опорні точки

1. Первинна атмосфера Землі складалася переважно з водню та його сполук.

2. Земля знаходиться на оптимальній відстані від Сонця та отримує достатню кількість енергії для підтримки води в рідкому стані.

3. У водних розчинах за рахунок різноманітних джерел енергії виникають небіологічним шляхом найпростіші органічні сполуки.

Питання для повторення та завдання

1. Перерахуйте космічні та планетарні причини виникнення життя абіогенним шляхом на планеті.

2. Яке значення виникнення органічних молекул з неорганічних речовин Землі мав відновлювальний характер первинної атмосфери?

3. Опишіть апарат та методику проведення дослідів С. Міллера та П. Юрі.

Використовуючи словниковий запас рубрик «Термінологія» та «Summary», переведіть на англійську мову пункти «Опорні точки».

Термінологія

Кожному терміну, зазначеному в лівій колонці, підберіть відповідне визначення, наведене в правій колонці російською та англійською мовами.

Виберіть правильний термін для всіх термінів у лівій колонці від англійської та російської варіантів, розміщених в правій колонці.

Питання для обговорення

Які, на вашу думку, джерела енергії переважали на давній землі? Як можна пояснити неспецифічний вплив різних джерел енергії на утворення органічних молекул?

2.3. Теорії походження протобіополімерів

Різні оцінки характеру середовища на первісній Землі призвели до створення різних умов експериментів, що мали принципово єдині, але не завжди однакові в частковості результати.

Розглянемо деякі з найважливіших теорій виникнення полімерних структур на нашій планеті, що лежать біля джерел утворення біополімерів – основи життя.

Термічна теорія.Реакції конденсації, які призвели до утворення полімерів із низькомолекулярних попередників, можуть здійснюватися шляхом нагрівання. У порівнянні з іншими компонентами живої матерії найбільш добре вивчено синтез поліпептидів.

Автором гіпотези синтезу поліпептидів термічним шляхом є американський вчений С. Фокс, який тривалий час вивчав можливості утворення пептидів в умовах, що існували на первісній землі. Якщо суміш амінокислот нагріти до 180-200 ° С за нормальних атмосферних умов або в інертному середовищі, то утворюються продукти полімеризації, невеликі олігомери, в яких мономери з'єднані пептидними зв'язками, а також малі кількості поліпептидів. У випадках, коли вихідні суміші амінокислот експериментатори збагачували амінокислотами кислого або основного типу, наприклад, аспарагінової та глутамінової кислотами, частка поліпептидів значно зростала. Молекулярна маса полімерів, отриманих таким шляхом, може досягати кількох тис. D. (D – Дальтон, одиниця виміру маси, чисельно рівна масі 1/16 атома кисню.)

Полімери, отримані термічним шляхом з амінокислот, – протеїноїди – виявляють багато специфічних властивостей біополімерів протеїнового типу. Однак у разі конденсації термічним шляхом нуклеотидів і моносахаридів, що мають складну структуру, утворення відомих нині нуклеїнових кислот і полісахаридів є малоймовірним.

Теорія адсорбції.Основним контраргументом у спорах про абіогенне виникнення полімерних структур є мала концентрація молекул і нестача енергії для конденсації мономерів у розведених розчинах. За деякими оцінками концентрація органічних молекул у «первинному бульйоні» становила близько 1 %. Така концентрація через рідкість і випадковість контактів різних молекул, необхідних для конденсації речовин, не могла забезпечити настільки «швидкого» утворення протобіополімерів, як це мало місце на Землі за оцінками деяких учених. Одне з вирішень цього питання, пов'язане з подоланням такого концентраційного бар'єру, було запропоновано англійським фізиком Д. Берналом, який вважав, що концентрування розчинів органічних речовин, що розбавляються, відбувається шляхом «адсорбції їх у водних відкладеннях глин».

Внаслідок взаємодії речовин у процесі адсорбції деякі зв'язки послаблюються, що призводить до руйнування одних та утворення інших хімічних сполук.

Низькотемпературна теорія.Автори цієї теорії, румунські вчені К. Сімонеску і Ф. Денеш, виходили з інших уявлень про умови абіогенного виникнення найпростіших органічних сполук та його конденсації в полімерні структури. Провідне значення як джерело енергії автори надають енергії холодної плазми. Така думка небезпідставна.

Холодна плазма поширена у природі. Вчені вважають, що 99% Всесвіту перебуває у стані плазми. Зустрічається цей стан матерії і на Землі у вигляді кульових блискавок, полярних сяйв, а також особливого типу плазми – іоносфери.

Незалежно від характеру енергії на абіотичній Землі, будь-який її вид перетворює хімічні сполуки, особливо органічні молекули, в активні частинки, такі, як моно- і поліфункціональні вільні радикали. Однак подальша їх еволюція значною мірою залежить від густини енергетичного потоку, який у разі використання холодної плазми найбільш яскраво виражений.

В результаті проведення копітких та складних експериментів з холодною плазмою як джерело енергії для абіогенного синтезу протобіополімерів дослідникам вдалося отримати як окремі мономери, так і полімерні структури пептидного типу та ліпіди.

Опарін вважав, що перехід від хімічної еволюції до біологічної вимагав обов'язкового виникнення індивідуальних фазово-відокремлених систем, здатних взаємодіяти з навколишнім зовнішнім середовищем, використовуючи її речовини та енергію, і на цій основі здатні зростати, множитися та піддаватися природному добору.

Абіотичне виділення багатомолекулярних систем з однорідного розчину органічних речовин, мабуть, мало здійснюватися багаторазово. Воно і зараз дуже поширене у природі. Але в умовах сучасної біосфери можна безпосередньо спостерігати лише початкові стадії утворення таких систем. Їх еволюція зазвичай дуже короткочасна у присутності нищівних все живе мікробів. Тому для розуміння цієї стадії виникнення життя необхідно штучно отримувати фазово-відокремлені органічні системи в строго контрольованих лабораторних умовах і на сформованих таким чином моделях встановлювати шляхи їх можливої еволюції в минулому, так і закономірності цього процесу. При роботі з високомолекулярними органічними сполуками в лабораторних умовах постійно зустрічаються з утворенням таких фазово-відокремлених систем. Тому можна уявити шляхи їх виникнення і експериментально отримати в лабораторних умовах різноманітні системи, багато з яких могли б послужити нам моделями утворень, що виникали колись на земній поверхні. Для прикладу можна назвати деякі з них: «бульбашки»Гольдейкра, "мікросфери"Фоксу, «джейвану»Бахадура, «пробіонти»Егамі та багато інших.

Часто при роботі з такими штучними системами, що самоізолюються з розчину, особлива увага звертається на їх зовнішню морфологічну схожість з живими об'єктами. Але не в цьому лежить вирішення питання, а в тому, щоб система могла взаємодіяти із зовнішнім середовищем, використовуючи її речовини та енергію на кшталт відкритих систем, і на цій основі рости і множитися, що характерно для всіх живих істот.

Найбільш перспективними у цьому відношенні моделями можуть бути коацерватні краплі.

Кожна молекула має певну структурну організацію, тобто атоми, що входять до її складу, закономірно розташовані у просторі. Внаслідок цього у молекулі утворюються полюси з різними зарядами. Наприклад, молекула води Н 2 Про утворює диполь, у якому одна частина молекули несе позитивний заряд (+), а інша негативний (-). Крім цього, деякі молекули (наприклад, солі) у водному середовищі дисоціюють на іони. Через такі особливості хімічної організації молекул навколо них у воді утворюються водні «сорочки» з певним чином орієнтованих молекул води. На прикладі молекули NaCl можна помітити, що диполі води, що оточують іон Na + , звернені до нього негативними полюсами (рис. 2.6), а до іону Сl – позитивними.

Рис. 2.6. Гідратований катіон натрію

Рис. 2.7. Складання коацерватів

Органічні молекули мають велику молекулярну масу та складну просторову конфігурацію, тому вони теж оточені водною оболонкою, товщина якої залежить від величини заряду молекули, концентрації солей у розчині, температурі та ін.

За певних умов водна оболонка набуває чітких меж і відокремлює молекулу від навколишнього розчину. Молекули, оточені водяною оболонкою, можуть об'єднуватися, утворюючи багатомолекулярні комплекси. коацервати(Рис. 2.7).

Коацерватні краплі виникають також при простому змішуванні різноманітних полімерів як природних, і штучно отриманих. При цьому відбувається самозбірка полімерних молекул у багатомолекулярні фазово-відокремлені утворення – видимі під оптичним мікроскопом краплі (рис. 2.8). Вони зосереджується більшість полімерних молекул, тоді як довкілля виявляється майже повністю їх позбавлена.

Краплі відокремлені від навколишнього середовища різкою межею розділу, але вони здатні поглинати ззовні речовини на кшталт відкритих систем.

Рис. 2.8. Коацерватні краплі, отримані в експерименті

Шляхом включення в коацерватні краплі різних каталізаторів(В тому числі і ферментів) можна викликати ряд реакцій, зокрема полімеризацію поступають із зовнішнього середовища мономерів. За рахунок цього краплі можуть збільшуватися в обсязі та вазі, а потім подрібнюватися на дочірні освіти.

Наприклад, процеси, що протікають у коацерватній краплі, зображені у квадратних дужках, а поза ними поміщені речовини, що знаходяться у зовнішньому середовищі:

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

Коацерватну краплю, утворену з білка та гуміарабіку, занурюють у розчин глюкозо-1-фосфату. Глюкозо-1-фосфат починає входити в краплю і полімеризується в ній у крохмаль за дії каталізатора – фосфорилази. За рахунок крохмалю, що утворився, крапля зростає, що легко може бути встановлено як хімічним аналізом, так і безпосередніми мікроскопічними вимірами. Якщо в краплю включити інший каталізатор - b-амілазу, крохмаль розпадається до мальтози, що виділяється у зовнішнє середовище.

Таким чином, виникає найпростіший метаболізм.Речовина входить у краплю, полімеризується, обумовлюючи зрістсистеми, а при його розпаді продукти цього розпаду виходять у зовнішнє середовище, де їх раніше не було.

Інша схема ілюструє досвід, де полімером є полінуклеотид. Крапля, що складається з білка-гістону та гуміарабіку, оточена розчином АДФ.

Надходячи в краплю, АДФ полімеризується під впливом полімерази в поліаденілову кислоту, за рахунок якої крапля росте, а неорганічний фосфор надходить у зовнішнє середовище.

АДФ → [АДФ → Полі-А+Ф] → Ф

При цьому крапля протягом короткого терміну збільшується обсягом більш ніж удвічі.

Як у разі синтезу крохмалю, так і при утворенні поліаденілової кислоти як вихідні речовини в навколишній розчин вносили багаті енергією (макроергічні)з'єднання. За рахунок енергії цих сполук, що надходять із зовнішнього середовища, і відбувався синтез полімерів та зростання коацерватних крапель. В іншій серії дослідів академіка А. І. Опаріна та співробітників було продемонстровано, що й у самих коацерватних краплях можуть протікати реакції, пов'язані з розсіюванням енергії.