Apakah ada perbedaan komposisi kimia planet-planet? Apa itu zat? Apa saja golongan zat? Perbedaan zat organik dan anorganik. Pembentukan sistem planet

Tentang atom dan unsur kimia

Tidak ada yang lain di alam

tidak di sini maupun di sana, di kedalaman ruang:

semuanya - dari butiran kecil pasir hingga planet -

terdiri dari unsur-unsur yang bersatu.

S. P. Shchipachev, “Membaca Mendeleev.”

Dalam kimia, kecuali istilah "atom" Dan "molekul" konsep ini sering digunakan "elemen". Apa kesamaan konsep-konsep ini dan apa perbedaannya?

Unsur kimia – ini adalah atom dari jenis yang sama . Jadi, misalnya, semua atom hidrogen adalah unsur hidrogen; semua atom oksigen dan merkuri masing-masing merupakan unsur oksigen dan merkuri.

Saat ini diketahui lebih dari 107 jenis atom, yaitu lebih dari 107 unsur kimia. Perlu dibedakan antara konsep “unsur kimia”, “atom” dan “zat sederhana”

Zat sederhana dan kompleks

Berdasarkan komposisi unsurnya, mereka dibedakan zat sederhana, terdiri dari atom-atom dari satu unsur (H 2, O 2, Cl 2, P 4, Na, Cu, Au), dan zat kompleks, terdiri dari atom-atom unsur yang berbeda (H 2 O, NH 3, OF 2, H 2 SO 4, MgCl 2, K 2 SO 4).

Saat ini diketahui 115 unsur kimia yang membentuk sekitar 500 zat sederhana.

Emas asli adalah bahan yang sederhana.

Kemampuan suatu unsur untuk eksis dalam bentuk berbagai zat sederhana yang sifatnya berbeda disebut alotropi Misalnya, unsur oksigen O memiliki dua bentuk alotropik - dioksigen O 2 dan ozon O 3 dengan jumlah atom yang berbeda dalam molekulnya.

Bentuk alotropik unsur karbon C - berlian dan grafit - berbeda dalam struktur kristalnya. Ada alasan lain untuk alotropi.

senyawa kimia, misalnya merkuri(II) oksida HgO (diperoleh dengan menggabungkan atom-atom zat sederhana - merkuri Hg dan oksigen O 2), natrium bromida (diperoleh dengan menggabungkan atom-atom zat sederhana - natrium Na dan brom Br 2).

Jadi, mari kita rangkum hal di atas. Ada dua jenis molekul materi:

1. Sederhana– molekul zat tersebut terdiri dari atom-atom yang sejenis. Dalam reaksi kimia mereka tidak dapat terurai menjadi beberapa zat yang lebih sederhana.

2. Kompleks– molekul zat tersebut terdiri dari atom-atom dari jenis yang berbeda. Dalam reaksi kimia mereka dapat terurai menjadi zat yang lebih sederhana.

Perbedaan antara konsep “unsur kimia” dan “zat sederhana”

Membedakan konsep “elemen kimia” Dan “bahan sederhana” dimungkinkan dengan membandingkan sifat-sifat zat sederhana dan kompleks. Misalnya, suatu zat sederhana - oksigen– gas tidak berwarna yang diperlukan untuk bernafas dan mendukung pembakaran. Partikel terkecil dari zat sederhana oksigen adalah molekul yang terdiri dari dua atom. Oksigen juga termasuk dalam karbon monoksida (karbon monoksida) dan air. Namun, air dan karbon monoksida mengandung oksigen yang terikat secara kimia, yang tidak memiliki sifat zat sederhana, khususnya tidak dapat digunakan untuk respirasi; Ikan, misalnya, tidak menghirup oksigen yang terikat secara kimia yang merupakan bagian dari molekul air, melainkan oksigen bebas yang terlarut di dalamnya. Oleh karena itu, ketika kita berbicara tentang komposisi suatu senyawa kimia, harus dipahami bahwa senyawa tersebut tidak mengandung zat sederhana, tetapi atom dari jenis tertentu, yaitu unsur-unsur yang bersesuaian.

Ketika zat kompleks terurai, atom-atom dapat dilepaskan dalam keadaan bebas dan bergabung membentuk zat sederhana. Zat sederhana terdiri dari atom-atom dari satu unsur. Perbedaan antara konsep “unsur kimia” dan “zat sederhana” juga diperkuat oleh fakta bahwa unsur yang sama dapat membentuk beberapa zat sederhana. Misalnya atom unsur oksigen dapat membentuk molekul oksigen diatomik dan molekul ozon triatomik. Oksigen dan ozon adalah zat sederhana yang sangat berbeda. Hal ini menjelaskan fakta bahwa lebih banyak zat sederhana yang diketahui daripada unsur kimia.

Dengan menggunakan konsep “unsur kimia”, kita dapat memberikan definisi berikut tentang zat sederhana dan kompleks:

Zat sederhana adalah zat yang terdiri dari atom-atom dari satu unsur kimia.

Zat kompleks adalah zat yang terdiri dari atom-atom unsur kimia yang berbeda.

Perbedaan antara konsep “campuran” dan “senyawa kimia”

Zat kompleks sering disebut senyawa kimia.

Cobalah untuk menjawab pertanyaan:

1. Apa perbedaan komposisi campuran dengan senyawa kimia?

2. Bandingkan sifat-sifat campuran dan senyawa kimia?

3. Dengan cara apa saja cara memisahkan komponen campuran dan senyawa kimia?

4. Apakah mungkin menilai dari tanda luar pembentukan campuran dan senyawa kimia?

Karakteristik komparatif campuran dan bahan kimia

Tugas untuk konsolidasi

I. Bekerja dengan simulator

II. Selesaikan masalahnya

№1

Berapa banyak zat sederhana yang ditulis dalam serangkaian rumus:
H 2 O, N 2, O 3, HNO 3, P 2 O 5, S, Fe, CO 2, KOH.

№2

Kedua zat tersebut kompleks:

A) C (batubara) dan S (belerang);
B) CO 2 (karbon dioksida) dan H 2 O (air);
B) Fe (besi) dan CH 4 (metana);
D) H 2 SO 4 (asam sulfat) dan H 2 (hidrogen).

№3

Pilihlah pernyataan yang benar:
Zat sederhana terdiri dari atom-atom yang sejenis.

A) Benar

B) Salah

№4

Yang khas dari campuran adalah itu
A) Mereka memiliki komposisi yang konstan;
B) Zat dalam “campuran” tidak mempertahankan sifat individualnya;
C) Zat dalam “campuran” dapat dipisahkan berdasarkan sifat fisiknya;
D) Zat dalam “campuran” dapat dipisahkan menggunakan reaksi kimia.

№5

Berikut ini adalah ciri-ciri “senyawa kimia”:
A) Komposisi variabel;
B) Zat yang terkandung dalam suatu “senyawa kimia” dapat dipisahkan dengan cara fisika;
C) Pembentukan suatu senyawa kimia dapat dinilai dari tanda-tanda reaksi kimianya;
D) Komposisi permanen.

№6

Dalam hal apa yang sedang kita bicarakan kelenjar bagaimana dengan unsur kimia?
A) Besi adalah logam yang ditarik magnet;
B) Besi merupakan bagian dari karat;
C) Besi mempunyai ciri kilau logam;
D) Besi sulfida mengandung satu atom besi.

№7

Dalam hal apa kita berbicara tentang oksigen sebagai zat sederhana?
A) Oksigen adalah gas yang mendukung respirasi dan pembakaran;
B) Ikan menghirup oksigen terlarut dalam air;
C) Atom oksigen adalah bagian dari molekul air;
D) Oksigen adalah bagian dari udara.

Selama reaksi kimia, satu zat berubah menjadi zat lain (jangan bingung dengan reaksi nuklir, di mana satu unsur kimia diubah menjadi unsur lain).

Setiap reaksi kimia dijelaskan dengan persamaan kimia:

Reaktan → Produk reaksi

Panah menunjukkan arah reaksi.

Misalnya:

Dalam reaksi ini, metana (CH 4) bereaksi dengan oksigen (O 2), menghasilkan pembentukan karbon dioksida (CO 2) dan air (H 2 O), atau lebih tepatnya uap air. Reaksi inilah yang terjadi di dapur Anda saat Anda menyalakan kompor gas. Persamaannya harus dibaca seperti ini: Satu molekul gas metana bereaksi dengan dua molekul gas oksigen menghasilkan satu molekul karbon dioksida dan dua molekul air (uap air).

Angka yang diletakkan sebelum komponen reaksi kimia disebut koefisien reaksi.

Reaksi kimia terjadi endotermik(dengan penyerapan energi) dan eksotermik(dengan pelepasan energi). Pembakaran metana adalah contoh khas dari reaksi eksotermik.

Ada beberapa jenis reaksi kimia. Yang paling umum:

• reaksi koneksi;
• reaksi dekomposisi;
• reaksi penggantian tunggal;
• reaksi perpindahan ganda;
• reaksi oksidasi;
• reaksi redoks.

Reaksi majemuk

Dalam reaksi senyawa, setidaknya dua unsur membentuk satu produk:

2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- pembentukan garam meja.

Perhatian harus diberikan pada nuansa penting dari reaksi senyawa: tergantung pada kondisi reaksi atau proporsi reagen yang masuk ke dalam reaksi, produk yang berbeda dapat menjadi hasilnya. Misalnya, dalam kondisi pembakaran batubara yang normal, karbon dioksida dihasilkan:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)

Jika jumlah oksigen tidak mencukupi, maka karbon monoksida yang mematikan akan terbentuk:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)

Reaksi penguraian

Reaksi-reaksi ini pada dasarnya berlawanan dengan reaksi senyawa. Akibat reaksi penguraian, zat terurai menjadi dua (3, 4...) unsur (senyawa) yang lebih sederhana:

• 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- penguraian air
• 2H 2 O 2 (l) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- penguraian hidrogen peroksida

Reaksi perpindahan tunggal

Akibat reaksi substitusi tunggal, unsur yang lebih aktif menggantikan unsur yang kurang aktif dalam suatu senyawa:

Zn (s) + CuSO 4 (larutan) → ZnSO 4 (larutan) + Cu (s)

Seng dalam larutan tembaga sulfat menggantikan tembaga yang kurang aktif, sehingga terbentuk larutan seng sulfat.

Derajat aktivitas logam menurut urutan aktivitasnya:

• Yang paling aktif adalah logam alkali dan alkali tanah

Persamaan ionik untuk reaksi di atas adalah:

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

Ikatan ionik CuSO 4, bila dilarutkan dalam air, terurai menjadi kation tembaga (muatan 2+) dan anion sulfat (muatan 2-). Sebagai hasil reaksi substitusi, terbentuk kation seng (yang muatannya sama dengan kation tembaga: 2-). Harap dicatat bahwa anion sulfat ada di kedua sisi persamaan, yaitu, menurut semua aturan matematika, anion tersebut dapat direduksi. Hasilnya adalah persamaan ion-molekul:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Reaksi perpindahan ganda

Dalam reaksi substitusi ganda, dua elektron sudah tergantikan. Reaksi seperti ini disebut juga reaksi pertukaran. Reaksi tersebut terjadi dalam larutan dengan pembentukan:

• padatan tidak larut (reaksi presipitasi);
• air (reaksi netralisasi).

Reaksi presipitasi

Ketika larutan perak nitrat (garam) dicampur dengan larutan natrium klorida, terbentuk perak klorida:

Persamaan molekul: KCl (larutan) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (s) + KNO 3 (p-p)

Persamaan ionik: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Persamaan molekul ionik: Cl - + Ag + → AgCl (s)

Jika suatu senyawa larut, ia akan berada dalam larutan dalam bentuk ionik. Jika senyawa tersebut tidak larut maka akan mengendap membentuk padatan.

Reaksi netralisasi

Ini adalah reaksi antara asam dan basa yang menghasilkan pembentukan molekul air.

Misalnya reaksi pencampuran larutan asam sulfat dan larutan natrium hidroksida (alkali):

Persamaan molekul: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)

Persamaan ionik: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)

Persamaan molekul ionik: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) atau H + + OH - → H 2 O (l)

Reaksi oksidasi

Ini adalah reaksi interaksi zat dengan gas oksigen di udara, di mana, sebagai suatu peraturan, sejumlah besar energi dilepaskan dalam bentuk panas dan cahaya. Reaksi oksidasi yang khas adalah pembakaran. Di awal halaman ini adalah reaksi antara metana dan oksigen:

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

Metana termasuk dalam hidrokarbon (senyawa karbon dan hidrogen). Ketika hidrokarbon bereaksi dengan oksigen, banyak energi panas yang dilepaskan.

Reaksi redoks

Ini adalah reaksi di mana pertukaran elektron antar atom reaktan. Reaksi yang dibahas di atas juga merupakan reaksi redoks:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reaksi senyawa
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reaksi oksidasi
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reaksi substitusi tunggal

Reaksi redoks dengan banyak contoh penyelesaian persamaan menggunakan metode keseimbangan elektron dan metode setengah reaksi dijelaskan sedetail mungkin pada bagian

Halaman saat ini: 3 (buku memiliki total 18 halaman) [bagian bacaan yang tersedia: 12 halaman]

2.2.2. Pembentukan sistem planet

Para ilmuwan percaya bahwa nebula adalah tahap pembentukan galaksi atau sistem bintang besar. Dalam model teori semacam ini, planet merupakan produk sampingan dari pembentukan bintang. Sudut pandang ini pertama kali diungkapkan pada abad ke-18. I. Kant dan kemudian dikembangkan oleh P. Laplace, D. Kuiper, D. Alfven dan R. Cameron, diperkuat oleh sejumlah bukti.

Bintang-bintang muda ditemukan di dalam nebula, wilayah gas dan debu antarbintang yang relatif terkonsentrasi dan berukuran beberapa tahun cahaya. Nebula ditemukan di seluruh galaksi kita; Bintang dan sistem planet terkait diyakini terbentuk di dalam awan materi yang sangat besar ini.

Dengan menggunakan spektroskopi, ditunjukkan bahwa materi antarbintang terdiri dari gas - hidrogen, helium dan neon - dan partikel debu, berukuran beberapa mikron dan terdiri dari logam dan unsur lainnya. Karena suhunya sangat rendah (10–20 K), semua materi, kecuali gas yang disebutkan, dibekukan menjadi partikel debu. Unsur-unsur yang lebih berat dan sejumlah hidrogen berasal dari bintang-bintang generasi sebelumnya; Beberapa dari bintang-bintang ini meledak sebagai supernova, mengembalikan sisa hidrogen ke medium antarbintang dan memperkayanya dengan unsur-unsur lebih berat yang terbentuk di kedalamannya.

Konsentrasi gas rata-rata di ruang antarbintang hanya 0,1 atom N/cm 3, sedangkan konsentrasi gas di nebula sekitar 1000 atom N/cm 3, yaitu 10.000 kali lebih banyak. (1 cm 3 udara mengandung sekitar 2,7 × 10 19 molekul.)

Ketika awan gas dan debu menjadi cukup besar sebagai akibat dari pengendapan yang lambat dan adhesi (akresi) gas dan debu antarbintang di bawah pengaruh gravitasi, maka awan tersebut menjadi tidak stabil - hubungan yang mendekati kesetimbangan antara tekanan dan gaya gravitasi adalah terganggu. Gaya gravitasi mendominasi dan oleh karena itu awan berkontraksi. Selama fase awal kompresi, panas yang dilepaskan ketika energi gravitasi diubah menjadi energi radiasi dengan mudah meninggalkan awan karena kepadatan relatif materialnya rendah. Ketika kepadatan materi meningkat, perubahan penting baru dimulai. Akibat fluktuasi gravitasi dan fluktuasi lainnya, awan besar terfragmentasi menjadi awan yang lebih kecil, yang selanjutnya membentuk fragmen yang pada akhirnya memiliki massa dan ukuran beberapa kali lebih besar dari Tata Surya kita (Gbr. 2.2; 1–5). Awan seperti itu disebut protobintang. Tentu saja, beberapa protobintang lebih masif dari tata surya kita dan membentuk bintang yang lebih besar dan lebih panas, sedangkan protobintang yang kurang masif membentuk bintang yang lebih kecil dan lebih dingin serta berevolusi lebih lambat dibandingkan protobintang. Ukuran protobintang dibatasi oleh batas atas, yang di atasnya akan terjadi fragmentasi lebih lanjut, dan batas bawah, yang ditentukan oleh massa minimum yang diperlukan untuk mendukung reaksi nuklir.

Beras. 2.2. Evolusi nebula gas-debu dan pembentukan piringan protoplanet

Pertama, energi potensial gravitasi, yang diubah menjadi panas (energi radiasi), hanya dipancarkan ke luar selama kompresi gravitasi. Namun seiring bertambahnya massa jenis suatu zat, semakin banyak energi radiasi yang diserap dan akibatnya suhu meningkat. Senyawa volatil yang awalnya membeku menjadi partikel debu mulai menguap. Sekarang gas seperti NH 3, CH 4, H 2 O (uap) dan HCN bercampur dengan H 2, He dan Ne. Gas-gas ini menyerap sebagian energi radiasi berikutnya, berdisosiasi dan mengalami ionisasi.

Kompresi gravitasi berlanjut hingga energi radiasi yang dilepaskan hilang selama penguapan dan ionisasi molekul dalam partikel debu. Ketika molekul terionisasi sempurna, suhu meningkat dengan cepat hingga kompresi hampir berhenti ketika tekanan gas mulai menyeimbangkan gaya gravitasi. Dengan demikian, fase kompresi gravitasi yang cepat (runtuh) berakhir.

Pada titik perkembangannya, protobintang yang sesuai dengan sistem kita adalah piringan dengan penebalan di bagian tengah dan suhu sekitar 1000 K pada tingkat orbit Yupiter. Cakram protobintang seperti itu terus berkembang: terjadi restrukturisasi di dalamnya, dan perlahan-lahan berkontraksi. Protobintang itu sendiri secara bertahap menjadi lebih kompak, lebih masif, dan lebih panas, karena panas kini hanya dapat memancar dari permukaannya. Panas ditransfer dari kedalaman protobintang ke permukaannya menggunakan arus konveksi. Wilayah dari permukaan protobintang hingga jarak yang setara dengan orbit Pluto dipenuhi kabut gas dan debu.

Selama rangkaian kontraksi yang kompleks ini, yang diyakini memakan waktu sekitar 10 juta tahun, momentum sudut sistem harus dilestarikan. Seluruh galaksi berputar, membuat 1 revolusi setiap 100 juta tahun. Saat awan debu terkompresi, momentum sudutnya tidak dapat berubah—semakin kuat kompresinya, semakin cepat pula rotasinya. Karena kekekalan momentum sudut, bentuk awan debu yang runtuh berubah dari bulat menjadi berbentuk cakram.

Ketika materi sisa protobintang berkontraksi, suhunya menjadi cukup tinggi untuk memulai reaksi fusi atom hidrogen. Dengan masuknya lebih banyak energi dari reaksi ini, suhu menjadi cukup tinggi untuk menyeimbangkan gaya kompresi gravitasi lebih lanjut.

Planet terbentuk dari sisa gas dan debu di pinggiran piringan protobintang (Gbr. 2.3). Aglomerasi debu antarbintang di bawah pengaruh tarikan gravitasi mengarah pada pembentukan bintang dan planet dalam waktu sekitar 10 juta tahun (1–4). Bintang memasuki deret utama (4) dan tetap dalam keadaan diam (stabil) selama kurang lebih 8000 juta tahun, secara bertahap memproses hidrogen. Bintang tersebut kemudian meninggalkan deret utama, berkembang menjadi raksasa merah (5 dan 6), dan “memakan” planet-planetnya selama 100 juta tahun berikutnya. Setelah berdenyut sebagai bintang variabel selama beberapa ribu tahun (7), ia meledak sebagai supernova (8) dan akhirnya runtuh menjadi katai putih (9). Meskipun planet umumnya dianggap sebagai benda masif, namun total massa seluruh planet hanya 0,135% massa Tata Surya.

Beras. 2.3. Pembentukan sistem planet

Planet kita, dan mungkin planet yang terbentuk di piringan protobintang mana pun, terletak di dua zona utama. Zona dalam, yang di Tata Surya terbentang dari Merkurius hingga sabuk asteroid, merupakan zona planet-planet kebumian kecil. Di sini, dalam fase kontraksi protobintang yang lambat, suhu sangat tinggi sehingga logam menguap. Zona dingin bagian luar mengandung gas seperti H 2 O, He dan Ne, dan partikel yang dilapisi dengan zat volatil beku seperti H 2 O, NH 3 dan CH 4. Zona luar yang berisi planet-planet tipe Jupiter ini mengandung lebih banyak materi daripada zona dalam karena ukurannya yang besar dan karena banyak bahan mudah menguap yang awalnya ditemukan di zona dalam terdorong keluar oleh aktivitas protobintang.

Salah satu cara untuk membuat gambaran evolusi bintang dan menghitung umurnya adalah dengan menganalisis sampel bintang secara acak dalam jumlah besar. Pada saat yang sama, jarak ke bintang-bintang, kecerahan tampak dan warna setiap bintang diukur.

Jika kecerahan semu dan jarak ke suatu bintang diketahui, maka besaran absolutnya dapat dihitung, karena kecerahan tampak suatu bintang berbanding terbalik dengan jaraknya. Magnitudo absolut sebuah bintang merupakan fungsi dari laju pelepasan energi, berapa pun jaraknya dari pengamat.

Warna suatu bintang ditentukan oleh suhunya: biru melambangkan bintang yang sangat panas, putih melambangkan bintang panas, dan merah melambangkan bintang yang relatif dingin.

Gambar 2.4 menunjukkan diagram Hertzsprung-Russell, yang Anda kenal dari kursus astronomi Anda, yang mencerminkan hubungan antara magnitudo absolut dan warna untuk sejumlah besar bintang. Karena diagram klasik ini mencakup bintang-bintang dari segala ukuran dan usia, diagram ini sesuai dengan bintang "rata-rata" pada berbagai tahap evolusinya.

Beras. 2.4. Diagram Hertzsprung-Russell

Kebanyakan bintang terletak pada bagian lurus diagram; mereka hanya mengalami perubahan keseimbangan secara bertahap seiring dengan habisnya hidrogen yang dikandungnya. Pada bagian diagram ini, yang disebut deret utama, bintang dengan massa lebih besar memiliki suhu lebih tinggi; Di dalamnya, reaksi fusi atom hidrogen berlangsung lebih cepat, dan harapan hidup mereka lebih pendek. Bintang dengan massa lebih kecil dari Matahari memiliki suhu lebih rendah, fusi atom hidrogen di dalamnya terjadi lebih lambat, dan harapan hidup lebih lama. Setelah bintang deret utama menghabiskan sekitar 10% pasokan hidrogen awalnya, suhunya akan turun dan ekspansi akan terjadi. Diasumsikan bahwa raksasa merah adalah bintang “tua” dengan semua ukuran yang sebelumnya termasuk dalam deret utama. Saat menentukan usia sebuah bintang secara akurat, faktor-faktor ini harus diperhitungkan. Perhitungan yang memperhitungkannya menunjukkan bahwa tidak ada satu pun bintang di galaksi kita yang berusia lebih dari 11.000 juta tahun. Beberapa bintang kecil berada pada usia ini; banyak bintang besar yang jauh lebih muda. Bintang paling masif dapat bertahan di deret utama tidak lebih dari 1 juta tahun. Matahari dan bintang-bintang dengan ukuran serupa menghabiskan sekitar 10.000 juta tahun di deret utama sebelum mencapai tahap raksasa merah.

Poin jangkar

1. Materi terus bergerak dan berkembang.

2. Evolusi biologis adalah tahap kualitatif tertentu dalam evolusi materi secara keseluruhan.

3. Transformasi unsur dan molekul di luar angkasa terjadi secara konstan dengan kecepatan yang sangat rendah.

1. Apa yang dimaksud dengan reaksi fusi nuklir? Berikan contoh.

2. Sesuai dengan hipotesis Kant-Laplace, bagaimana sistem bintang terbentuk dari materi gas-debu?

3. Apakah terdapat perbedaan komposisi kimia planet-planet dalam sistem bintang yang sama?

Dengan berpegang pada sudut pandang di atas tentang asal usul sistem planet, kita dapat membuat perkiraan yang cukup masuk akal mengenai komposisi unsur atmosfer utama bumi. Tentu saja, sebagian dari pandangan modern didasarkan pada dominasi hidrogen yang sangat besar di ruang angkasa; itu juga ditemukan di Matahari. Tabel 2.2 menunjukkan komposisi unsur materi bintang dan matahari.

Tabel 2.2. Komposisi unsur materi bintang dan matahari

Diasumsikan bahwa atmosfer bumi purba, yang memiliki suhu rata-rata tinggi, kira-kira seperti ini: sebelum hilangnya gravitasi, sebagian besar terdiri dari hidrogen, dan penyusun molekul utamanya adalah metana, air, dan amonia. Menarik untuk membandingkan komposisi unsur materi bintang dengan komposisi Bumi modern dan materi hidup di Bumi.

Unsur yang paling umum di alam mati adalah hidrogen dan helium; diikuti oleh karbon, nitrogen, silikon dan magnesium. Mari kita perhatikan bahwa materi hidup biosfer di permukaan bumi sebagian besar terdiri dari hidrogen, oksigen, karbon, dan nitrogen, yang tentu saja diharapkan jika dilihat dari sifat unsur-unsur ini.

Suasana awal bumi dapat berubah sebagai akibat dari berbagai proses, terutama akibat pelepasan difusi hidrogen dan helium, yang merupakan bagian penting dari bumi. Unsur-unsur ini adalah yang paling ringan, dan seharusnya hilang dari atmosfer, karena medan gravitasi planet kita kecil dibandingkan dengan medan gravitasi planet raksasa. Sebagian besar atmosfer awal bumi pasti telah hilang dalam waktu yang sangat singkat; Oleh karena itu, diasumsikan bahwa sebagian besar gas utama atmosfer bumi adalah gas yang terkubur di dalam perut bumi dan dilepaskan kembali sebagai akibat dari pemanasan batuan bumi secara bertahap. Atmosfer utama bumi mungkin terdiri dari zat organik sejenis yang diamati di komet: molekul dengan ikatan karbon-hidrogen, karbon-nitrogen, nitrogen-hidrogen, dan oksigen-hidrogen. Selain itu, selama pemanasan gravitasi di bagian dalam bumi, hidrogen, metana, karbon monoksida, amonia, air, dll. mungkin juga muncul.Ini adalah zat yang sebagian besar percobaannya dilakukan untuk mensimulasikan atmosfer primer.

Apa yang sebenarnya bisa terjadi dalam kondisi bumi purba? Untuk menentukan hal ini, perlu diketahui jenis energi apa yang paling mungkin mempengaruhi atmosfernya.

Perkembangan dan transformasi materi tanpa masuknya energi tidak mungkin terjadi. Mari kita pertimbangkan sumber energi yang menentukan evolusi lebih lanjut suatu zat, tidak lagi di luar angkasa, tetapi di planet kita - di Bumi.

Menilai peran sumber energi tidaklah mudah; Dalam hal ini, perlu memperhitungkan kondisi non-ekuilibrium, pendinginan produk reaksi dan tingkat perlindungannya dari sumber energi.

Rupanya, sumber energi apa pun (Tabel 2.3) memiliki dampak signifikan terhadap transformasi materi di planet kita. Bagaimana ini bisa terjadi? Tentu saja, tidak ada bukti obyektif. Namun, proses yang terjadi di Bumi kita pada zaman dahulu dapat disimulasikan. Pertama, perlu ditentukan batasan waktu, dan kedua, seakurat mungkin mereproduksi kondisi di setiap era keberadaan planet yang dibahas.

Untuk membahas pertanyaan tentang asal usul kehidupan di Bumi, selain pengetahuan tentang sumber energi yang diperlukan untuk transformasi materi, kita juga harus memiliki gambaran yang cukup jelas tentang waktu terjadinya transformasi tersebut.

Tabel 2.3. Kemungkinan sumber energi untuk evolusi kimia primer

Tabel 2.4. Waktu paruh dan data lain untuk beberapa unsur digunakan dalam menentukan umur bumi

Perkembangan ilmu fisika kini telah membekali para ahli biologi dengan beberapa metode efektif untuk menentukan umur batuan tertentu di kerak bumi. Inti dari metode ini adalah menganalisis perbandingan berbagai isotop dan produk akhir peluruhan nuklir dalam sampel dan mengkorelasikan hasil penelitian dengan waktu fisi unsur aslinya (Tabel 2.4).

Penggunaan metode tersebut memungkinkan para ilmuwan untuk menyusun skala waktu sejarah bumi dari saat pendinginannya, 4500 juta tahun yang lalu, hingga saat ini (Tabel 2.5). Tugas kita sekarang adalah menentukan, dalam skala waktu ini, seperti apa kondisi Bumi primitif, atmosfer seperti apa yang dimiliki Bumi, seperti apa suhu dan tekanannya, kapan lautan terbentuk, dan bagaimana Bumi itu sendiri terbentuk.

Tabel 2.5. Skala geokronologis

Saat ini, menciptakan kembali kondisi di mana “embrio kehidupan” pertama muncul adalah hal yang sangat penting bagi sains. Besarnya jasa A.I. Oparin, yang pada tahun 1924 mengusulkan konsep pertama evolusi kimia, yang menurutnya atmosfer bebas oksigen diusulkan sebagai titik awal dalam eksperimen laboratorium untuk mereproduksi kondisi bumi purba.

Pada tahun 1953, ilmuwan Amerika G. Urey dan S. Miller memaparkan campuran metana, amonia, dan air pada pelepasan listrik (Gbr. 2.5). Untuk pertama kalinya, dengan menggunakan eksperimen semacam itu, asam amino (glisin, alanin, asam aspartat, dan glutamat) diidentifikasi di antara produk yang dihasilkan.

Eksperimen Miller dan Urey merangsang penelitian evolusi molekuler dan asal usul kehidupan di banyak laboratorium dan mengarah pada studi sistematis mengenai masalah tersebut, di mana senyawa-senyawa penting secara biologis disintesis. Kondisi utama Bumi primitif yang diperhitungkan oleh para peneliti ditunjukkan pada Tabel 2.6.

Tekanan, seperti halnya komposisi kuantitatif atmosfer, sulit dihitung. Perkiraan yang dibuat dengan mempertimbangkan efek “rumah kaca” sangat sewenang-wenang.

Perhitungan yang memperhitungkan efek rumah kaca, serta perkiraan intensitas radiasi matahari di era abiotik, menghasilkan nilai beberapa puluh derajat di atas titik beku. Hampir semua eksperimen untuk menciptakan kembali kondisi bumi purba dilakukan pada suhu 20–200 °C. Batasan ini ditetapkan bukan dengan perhitungan atau ekstrapolasi data geologi tertentu, tetapi kemungkinan besar dengan memperhitungkan batas suhu stabilitas senyawa organik.

Penggunaan campuran gas yang mirip dengan gas di atmosfer primer, berbagai jenis energi yang menjadi ciri khas planet kita 4–4,5 × 10 9 tahun yang lalu, dan dengan mempertimbangkan kondisi iklim, geologi, dan hidrografi pada periode tersebut menjadikannya mungkin di banyak laboratorium yang mempelajari asal usul kehidupan, menemukan bukti jalur terjadinya abiotik molekul organik seperti aldehida, nitrit, asam amino, monosakarida, purin, porfirin, nukleotida, dll.

Beras. 2.5. Peralatan Miller

Tabel 2.6. Kondisi di Bumi primitif

Munculnya protobiopolimer menimbulkan masalah yang lebih kompleks. Kebutuhan akan keberadaan mereka di semua sistem kehidupan sangatlah jelas. Mereka bertanggung jawab proses protoenzimatik(Misalnya, hidrolisis, dekarboksilasi, aminasi, deaminasi, peroksidasi dll.), untuk beberapa proses yang sangat sederhana, seperti fermentasi, dan bagi yang lain, lebih kompleks, misalnya fotokimia reaksi, fotofosforilasi, fotosintesis dan dll.

Kehadiran air di planet kita (lautan primer) memungkinkan munculnya protobiopolimer dalam proses reaksi kimia - kondensasi. Jadi, untuk pembentukan ikatan peptida dalam larutan air menurut reaksi:

pengeluaran energi diperlukan. Biaya energi ini meningkat berkali-kali lipat ketika molekul protein diproduksi dalam larutan air. Sintesis makromolekul dari “biomonomer” memerlukan penggunaan metode spesifik (enzimatik) untuk menghilangkan air.

Proses umum evolusi materi dan energi di Alam Semesta mencakup beberapa tahapan yang berurutan. Diantaranya adalah pembentukan nebula luar angkasa, perkembangannya dan penataan sistem planet dapat dikenali. Transformasi zat yang terjadi di planet ditentukan oleh beberapa hukum alam umum dan bergantung pada posisi planet dalam sistem bintang. Beberapa dari planet ini, seperti Bumi, memiliki ciri-ciri yang memungkinkan perkembangan materi anorganik menuju munculnya berbagai molekul organik yang rumit.

Poin jangkar

1. Atmosfer utama bumi sebagian besar terdiri dari hidrogen dan senyawanya.

2. Bumi berada pada jarak optimal dari Matahari dan menerima energi yang cukup untuk mempertahankan air dalam bentuk cair.

3. Dalam larutan air, karena berbagai sumber energi, senyawa organik paling sederhana muncul secara non-biologis.

Tinjau pertanyaan dan tugas

1. Sebutkan prasyarat kosmik dan planet bagi munculnya kehidupan secara abiogenik di planet kita.

2. Apa pentingnya sifat reduksi atmosfer primer terhadap munculnya molekul organik dari zat anorganik di Bumi?

3. Mendeskripsikan alat dan metode pelaksanaan percobaan S. Miller dan P. Urey.

Dengan menggunakan kosakata judul “Terminologi” dan “Ringkasan”, terjemahkan paragraf “Anchor Points” ke dalam bahasa Inggris.

Terminologi

Untuk setiap istilah yang ditunjukkan di kolom kiri, pilih definisi terkait yang diberikan di kolom kanan dalam bahasa Rusia dan Inggris.

Pilih definisi yang benar untuk setiap istilah di kolom kiri dari varian bahasa Inggris dan Rusia yang tercantum di kolom kanan.

Pertanyaan untuk diskusi

Menurut Anda apa sumber energi dominan di Bumi purba? Bagaimana kita menjelaskan pengaruh nonspesifik berbagai sumber energi terhadap proses pembentukan molekul organik?

Penilaian yang berbeda terhadap sifat lingkungan di Bumi primitif menyebabkan terciptanya kondisi eksperimental berbeda yang pada dasarnya memiliki hasil yang seragam, tetapi tidak selalu identik pada khususnya.

Mari kita pertimbangkan beberapa teori terpenting tentang munculnya struktur polimer di planet kita, yang menjadi asal mula pembentukan biopolimer - dasar kehidupan.

Teori termal. Reaksi kondensasi yang mengarah pada pembentukan polimer dari prekursor dengan berat molekul rendah dapat dilakukan dengan pemanasan. Dibandingkan dengan komponen makhluk hidup lainnya, sintesis polipeptida adalah yang paling banyak dipelajari.

Penulis hipotesis sintesis termal polipeptida adalah ilmuwan Amerika S. Fox, yang sejak lama mempelajari kemungkinan pembentukan peptida dalam kondisi yang ada di Bumi primitif. Jika campuran asam amino dipanaskan hingga 180–200 °C dalam kondisi atmosfer normal atau dalam lingkungan inert, maka produk polimerisasi, oligomer kecil di mana monomer dihubungkan oleh ikatan peptida, serta sejumlah kecil polipeptida akan terbentuk. Dalam kasus di mana peneliti memperkaya campuran awal asam amino dengan asam amino asam atau basa, misalnya asam aspartat dan glutamat, proporsi polipeptida meningkat secara signifikan. Berat molekul polimer yang diperoleh dengan cara ini dapat mencapai beberapa ribu D. (D adalah Dalton, satuan massa yang secara numerik sama dengan massa 1/16 atom oksigen.)

Polimer yang diperoleh secara termal dari asam amino - proteinoid - menunjukkan banyak sifat spesifik biopolimer tipe protein. Namun, dalam kasus kondensasi termal nukleotida dan monosakarida dengan struktur kompleks, pembentukan asam nukleat dan polisakarida yang diketahui saat ini tampaknya tidak mungkin terjadi.

Teori adsorpsi. Argumen tandingan utama dalam perdebatan tentang asal usul abiogenik struktur polimer adalah rendahnya konsentrasi molekul dan kurangnya energi untuk kondensasi monomer dalam larutan encer. Memang, menurut beberapa perkiraan, konsentrasi molekul organik dalam “kaldu primer” adalah sekitar 1%. Konsentrasi seperti itu, karena kelangkaan dan keacakan kontak berbagai molekul yang diperlukan untuk kondensasi zat, tidak dapat menjamin pembentukan protobiopolimer yang “cepat”, seperti yang terjadi di Bumi, menurut beberapa ilmuwan. Salah satu solusi untuk masalah ini, terkait dengan mengatasi hambatan konsentrasi, diusulkan oleh fisikawan Inggris D. Bernal, yang percaya bahwa konsentrasi larutan encer zat organik terjadi melalui “adsorpsinya dalam endapan tanah liat berair.”

Akibat interaksi zat selama proses adsorpsi, beberapa ikatan melemah, yang menyebabkan rusaknya sebagian dan terbentuknya senyawa kimia lainnya.

Teori suhu rendah. Penulis teori ini, ilmuwan Rumania C. Simonescu dan F. Denes, berangkat dari gagasan yang sedikit berbeda tentang kondisi terjadinya abiogenik senyawa organik paling sederhana dan kondensasinya menjadi struktur polimer. Para penulis mementingkan energi plasma dingin sebagai sumber energi. Pendapat ini bukannya tidak berdasar.

Plasma dingin tersebar luas di alam. Para ilmuwan percaya bahwa 99% alam semesta berada dalam keadaan plasma. Keadaan materi ini juga terjadi di Bumi modern dalam bentuk bola petir, aurora, dan juga jenis plasma khusus - ionosfer.

Terlepas dari sifat energi di bumi abiotik, segala jenis energi mengubah senyawa kimia, terutama molekul organik, menjadi spesies aktif, seperti radikal bebas mono dan polifungsional. Namun, evolusi selanjutnya sangat bergantung pada kerapatan fluks energi, yang paling menonjol dalam kasus penggunaan plasma dingin.

Sebagai hasil dari eksperimen yang melelahkan dan kompleks dengan plasma dingin sebagai sumber energi untuk sintesis protobiopolimer abiogenik, para peneliti dapat memperoleh monomer individu dan struktur polimer tipe peptida serta lipid.

Oparin percaya bahwa transisi dari evolusi kimia ke biologi memerlukan munculnya sistem terpisah fase individu yang mampu berinteraksi dengan lingkungan eksternal sekitarnya, menggunakan zat dan energinya, dan atas dasar ini mampu tumbuh, berkembang biak, dan tunduk pada seleksi alam. .

Isolasi abiotik sistem multimolekul dari larutan homogen zat organik rupanya harus dilakukan berulang kali. Di alam masih sangat tersebar luas. Namun dalam kondisi biosfer modern, hanya tahap awal pembentukan sistem seperti itu yang dapat diamati secara langsung. Evolusi mereka biasanya berumur pendek dengan adanya mikroba yang menghancurkan semua makhluk hidup. Oleh karena itu, untuk memahami tahap asal usul kehidupan ini, perlu diperoleh sistem organik dengan pemisahan fase secara artifisial di bawah kondisi laboratorium yang dikontrol secara ketat dan, dengan menggunakan model yang terbentuk, untuk menetapkan jalur kemungkinan evolusinya di masa lalu dan masa lalu. pola proses ini. Ketika bekerja dengan senyawa organik bermolekul tinggi dalam kondisi laboratorium, kita terus-menerus menemukan pembentukan sistem pemisahan fase semacam ini. Oleh karena itu, kita dapat membayangkan cara terjadinya dan secara eksperimental memperoleh berbagai sistem di laboratorium, banyak di antaranya dapat berfungsi sebagai model formasi yang pernah muncul di permukaan bumi. Misalnya, kita dapat menyebutkan beberapa di antaranya: "gelembung" emas, "mikrosfer" Rubah, "jayvan" Bahadur, "probion" Egami dan banyak lainnya.

Seringkali, ketika bekerja dengan sistem buatan yang mengisolasi diri dari larutan, perhatian khusus diberikan pada kesamaan morfologi eksternalnya dengan benda hidup. Namun hal ini bukanlah pemecahan masalah, melainkan sistem dapat berinteraksi dengan lingkungan luar, menggunakan zat dan energinya seperti sistem terbuka, dan atas dasar ini tumbuh dan berkembang biak, yang merupakan ciri khas semua makhluk hidup.

Model yang paling menjanjikan dalam hal ini adalah tetes coacervate.

Setiap molekul mempunyai organisasi struktur tertentu, yaitu atom-atom penyusunnya tersusun secara teratur dalam ruang. Akibatnya, kutub dengan muatan berbeda terbentuk di dalam molekul. Misalnya, molekul air H 2 O membentuk dipol yang salah satu bagian molekulnya membawa muatan positif (+) dan bagian lainnya bermuatan negatif (-). Selain itu, beberapa molekul (misalnya garam) berdisosiasi menjadi ion dalam lingkungan berair. Karena ciri-ciri organisasi kimiawi molekul-molekul di sekitarnya dalam air, “kemeja” air terbentuk dari molekul-molekul air yang berorientasi pada cara tertentu. Dengan menggunakan contoh molekul NaCl, Anda dapat melihat bahwa dipol air yang mengelilingi ion Na+ mempunyai kutub negatif yang menghadapnya (Gbr. 2.6), dan kutub positif menghadap ion Cl−.

Beras. 2.6. Kation natrium terhidrasi

Beras. 2.7. Perakitan coacervate

Molekul organik memiliki berat molekul yang besar dan konfigurasi spasial yang kompleks, sehingga dikelilingi oleh cangkang air, yang ketebalannya bergantung pada muatan molekul, konsentrasi garam dalam larutan, suhu, dll.

Dalam kondisi tertentu, cangkang air memperoleh batas yang jelas dan memisahkan molekul dari larutan di sekitarnya. Molekul yang dikelilingi oleh cangkang air dapat bergabung membentuk kompleks multimolekul - coacervates(Gbr. 2.7).

Tetesan coacervate juga muncul dari pencampuran sederhana berbagai polimer, baik yang diperoleh secara alami maupun buatan. Dalam hal ini, perakitan sendiri molekul polimer terjadi menjadi formasi yang dipisahkan fase multimolekul - tetesan yang terlihat di bawah mikroskop optik (Gbr. 2.8). Mayoritas molekul polimer terkonsentrasi di dalamnya, sedangkan lingkungan hampir sama sekali tidak mengandung molekul tersebut.

Tetesan dipisahkan dari lingkungan melalui antarmuka yang tajam, namun mampu menyerap zat dari luar seperti sistem terbuka.

Beras. 2.8. Tetes Coacervate diperoleh dalam percobaan

Dengan menggabungkan berbagai katalis(termasuk enzim) dapat menyebabkan sejumlah reaksi, khususnya polimerisasi monomer yang berasal dari lingkungan luar. Karena itu, tetesan dapat bertambah volume dan beratnya, dan kemudian terpecah menjadi formasi anak.

Misalnya, proses yang terjadi pada tetesan coacervate digambarkan dalam tanda kurung siku, dan zat yang berada di lingkungan luar ditempatkan di luarnya:

glukosa-1-fosfat → [glukosa-1-fosfat → pati → maltosa] → maltosa

Tetesan coacervate yang terbentuk dari protein dan gom arab direndam dalam larutan glukosa-1-fosfat. Glukosa-1-fosfat mulai memasuki tetesan dan berpolimerisasi menjadi pati di dalamnya di bawah aksi katalis, fosforilase. Karena pati yang terbentuk, tetesannya tumbuh, yang dapat dengan mudah ditentukan baik dengan analisis kimia maupun pengukuran mikroskopis langsung. Jika katalis lain, b-amilase, dimasukkan ke dalam tetesan, pati terurai menjadi maltosa, yang dilepaskan ke lingkungan luar.

Jadi, yang paling sederhana metabolisme. Zat tersebut masuk ke dalam tetesan, berpolimerisasi, menyebabkan tinggi sistem, dan ketika membusuk, produk peluruhan ini keluar ke lingkungan luar, yang sebelumnya tidak ada.

Diagram lain menggambarkan percobaan dimana polimernya adalah polinukleotida. Tetesan yang terdiri dari protein histon dan gom arab dikelilingi oleh larutan ADP.

Memasuki tetesan, ADP berpolimerisasi di bawah pengaruh polimerase menjadi asam poliadenilat, yang menyebabkan tetesan tumbuh, dan fosfor anorganik memasuki lingkungan luar.

ADP → [ADP → Poli-A + F] → F

Dalam hal ini, penurunan volume menjadi lebih dari dua kali lipat dalam waktu singkat.

Baik dalam sintesis pati maupun dalam pembentukan asam poliadenilat, kaya energi (makroergik) koneksi. Karena energi senyawa ini yang berasal dari lingkungan luar, terjadi sintesis polimer dan pertumbuhan tetesan koacervat. Dalam serangkaian percobaan lain yang dilakukan oleh Akademisi A.I. Oparin dan rekan-rekannya, ditunjukkan bahwa reaksi yang terkait dengan disipasi energi juga dapat terjadi pada tetesan coacervate itu sendiri.