Är det någon skillnad i planeternas kemiska sammansättning? Vad är ett ämne? Vilka är klasserna av ämnen? Skillnad mellan organiska och oorganiska ämnen. Bildning av planetsystem

Om atomer och kemiska grundämnen

Det finns inget annat i naturen

varken här eller där, i rymdens djup:

allt - från små sandkorn till planeter -

består av enhetliga element.

S. P. Shchipachev, "Att läsa Mendeleev."

I kemi, förutom termer "atom" Och "molekyl" begreppet används ofta "element". Vad har dessa begrepp gemensamt och hur skiljer de sig åt?

Kemiskt element – dessa är atomer av samma typ . Så till exempel är alla väteatomer grundämnet väte; alla syre- och kvicksilveratomer är grundämnena syre respektive kvicksilver.

För närvarande är mer än 107 typer av atomer kända, det vill säga mer än 107 kemiska element. Det är nödvändigt att skilja mellan begreppen "kemiskt element", "atom" och "enkel substans"

Enkla och komplexa ämnen

Enligt deras elementära sammansättning särskiljs de enkla ämnen, bestående av atomer av ett element (H 2, O 2, Cl 2, P 4, Na, Cu, Au), och komplexa ämnen, bestående av atomer av olika grundämnen (H 2 O, NH 3, OF 2, H 2 SO 4, MgCl 2, K 2 SO 4).

För närvarande är 115 kemiska grundämnen kända, vilka bildar cirka 500 enkla ämnen.

Inhemskt guld är ett enkelt ämne.

Förmågan hos ett element att existera i form av olika enkla ämnen med olika egenskaper kallas allotropi Till exempel har grundämnet oxygen O två allotropa former - dioxygen O 2 och ozon O 3 med olika antal atomer i molekylerna.

Allotropa former av grundämnet kol C - diamant och grafit - skiljer sig i strukturen på sina kristaller.Det finns andra orsaker till allotropi.

kemiska föreningar t.ex. kvicksilver(II)oxid HgO (erhållen genom att kombinera atomer av enkla ämnen - kvicksilver Hg och syre O 2), natriumbromid (erhållen genom att kombinera atomer av enkla ämnen - natrium Na och brom Br 2).

Så låt oss sammanfatta ovanstående. Det finns två typer av materiamolekyler:

1. Enkel– molekylerna av sådana ämnen består av atomer av samma typ. I kemiska reaktioner kan de inte sönderfalla och bilda flera enklare ämnen.

2. Komplex– molekylerna av sådana ämnen består av atomer av olika typer. I kemiska reaktioner kan de sönderdelas och bilda enklare ämnen.

Skillnaden mellan begreppen "kemiskt element" och "enkelt ämne"

Skilj mellan begrepp "kemiskt element" Och "enkel substans" möjligt genom att jämföra egenskaperna hos enkla och komplexa ämnen. Till exempel, en enkel substans - syre– en färglös gas som behövs för att andas och stödja förbränning. Den minsta partikeln av det enkla ämnet syre är en molekyl som består av två atomer. Syre ingår också i kolmonoxid (kolmonoxid) och vatten. Vatten och kolmonoxid innehåller dock kemiskt bundet syre, som inte har egenskaperna hos ett enkelt ämne, i synnerhet kan det inte användas för andning. Fiskar, till exempel, andas inte kemiskt bundet syre, som är en del av vattenmolekylen, utan fritt syre löst i den. Därför, när vi talar om sammansättningen av några kemiska föreningar, bör det förstås att dessa föreningar inte innehåller enkla ämnen, utan atomer av en viss typ, det vill säga motsvarande element.

När komplexa ämnen bryts ned kan atomer frigöras i ett fritt tillstånd och kombineras för att bilda enkla ämnen. Enkla ämnen består av atomer av ett grundämne. Skillnaden mellan begreppen "kemiskt grundämne" och "enkelt ämne" bekräftas också av det faktum att samma grundämne kan bilda flera enkla substanser. Till exempel kan atomer av grundämnet syre bilda diatomiska syremolekyler och triatomära ozonmolekyler. Syre och ozon är helt olika enkla ämnen. Detta förklarar det faktum att mycket mer enkla ämnen är kända än kemiska grundämnen.

Med begreppet "kemiskt element" kan vi ge enkla och komplexa ämnen följande definition:

Enkla ämnen är de som består av atomer av ett kemiskt element.

Komplexa ämnen är de som består av atomer av olika kemiska grundämnen.

Skillnaden mellan begreppen "blandning" och "kemisk förening"

Komplexa ämnen kallas ofta kemiska föreningar.

Försök att svara på frågorna:

1. Hur skiljer sig blandningar i sammansättning från kemiska föreningar?

2. Jämför egenskaperna hos blandningar och kemiska föreningar?

3. På vilka sätt kan man separera komponenterna i en blandning och en kemisk förening?

4. Är det möjligt att bedöma bildandet av en blandning och en kemisk förening utifrån yttre tecken?

Jämförande egenskaper hos blandningar och kemikalier

Uppgifter för konsolidering

I. Arbeta med simulatorer

II. Lösa problemet

№1

Hur många enkla ämnen skrivs i en serie formler:
H2O, N2, O3, HNO3, P2O5, S, Fe, CO2, KOH.

№2

Båda ämnena är komplexa:

A) C (kol) och S (svavel);
B) CO2 (koldioxid) och H2O (vatten);
B) Fe (järn) och CH4 (metan);
D) H2SO4 (svavelsyra) och H2 (väte).

№3

Välj rätt påstående:
Enkla ämnen består av atomer av samma typ.

A) Rätt

B) Felaktigt

№4

Det som är typiskt för blandningar är det
A) De har en konstant sammansättning;
B) Ämnen i "blandningen" behåller inte sina individuella egenskaper;
C) Ämnen i "blandningar" kan separeras genom fysikaliska egenskaper;
D) Ämnen i "blandningar" kan separeras med hjälp av en kemisk reaktion.

№5

Följande är typiska för "kemiska föreningar":
A) Variabel sammansättning;
B) Ämnen som ingår i en "kemisk förening" kan separeras på fysikalisk väg;
C) Bildandet av en kemisk förening kan bedömas utifrån tecken på kemiska reaktioner;
D) Permanent sammansättning.

№6

I vilket fall pratar vi om körtel vad sägs om kemiskt element?
A) Järn är en metall som attraheras av en magnet;
B) Järn är en del av rost;
C) Järn kännetecknas av en metallisk lyster;
D) Järnsulfid innehåller en järnatom.

№7

I vilket fall talar vi om syre som ett enkelt ämne?
A) Syre är en gas som stöder andning och förbränning;
B) Fisk andas syre löst i vatten;
C) Syreatomen är en del av vattenmolekylen;
D) Syre är en del av luft.

Under kemiska reaktioner förvandlas ett ämne till ett annat (inte att förväxla med kärnreaktioner, där ett kemiskt element omvandlas till ett annat).

Varje kemisk reaktion beskrivs med en kemisk ekvation:

Reaktanter → Reaktionsprodukter

Pilen indikerar reaktionens riktning.

Till exempel:

I denna reaktion reagerar metan (CH 4) med syre (O 2), vilket resulterar i bildning av koldioxid (CO 2) och vatten (H 2 O), eller mer exakt, vattenånga. Det är precis den reaktionen som sker i ditt kök när du tänder en gasolbrännare. Ekvationen ska läsas så här: En molekyl metangas reagerar med två molekyler syrgas för att producera en molekyl koldioxid och två molekyler vatten (vattenånga).

Siffrorna placerade före komponenterna i en kemisk reaktion kallas reaktionskoefficienter.

Kemiska reaktioner inträffar endotermisk(med energiupptagning) och exotermisk(med energifrisättning). Metanförbränning är ett typiskt exempel på en exoterm reaktion.

Det finns flera typer av kemiska reaktioner. Den vanligaste:

• anslutningsreaktioner;
• sönderdelningsreaktioner;
• enstaka ersättningsreaktioner;
• dubbla förskjutningsreaktioner;
• oxidationsreaktioner;
• redoxreaktioner.

Sammansatta reaktioner

I sammansatta reaktioner bildar minst två element en produkt:

2Na (t) + Cl2 (g) → 2NaCl (t)- bildning av bordssalt.

Uppmärksamhet bör ägnas åt en väsentlig nyans av sammansatta reaktioner: beroende på reaktionsförhållandena eller proportionerna av reagenserna som kommer in i reaktionen, kan resultatet bli olika produkter. Till exempel, under normala förbränningsförhållanden av kol, produceras koldioxid:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)

Om mängden syre är otillräcklig, bildas dödlig kolmonoxid:
2C (t) + O2 (g) → 2CO (g)

Nedbrytningsreaktioner

Dessa reaktioner är, så att säga, väsentligen motsatta till föreningens reaktioner. Som ett resultat av nedbrytningsreaktionen bryts ämnet ner i två (3, 4...) enklare grundämnen (föreningar):

• 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)- vattensönderdelning
• 2H2O2 (l) → 2H2 (g) O + O2 (g)- nedbrytning av väteperoxid

Enstaka förskjutningsreaktioner

Som ett resultat av enstaka substitutionsreaktioner ersätter ett mer aktivt element ett mindre aktivt i en förening:

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

Zink i en kopparsulfatlösning tränger undan den mindre aktiva kopparn, vilket resulterar i bildandet av en zinksulfatlösning.

Graden av aktivitet av metaller i ökande aktivitetsordning:

• De mest aktiva är alkali- och jordalkalimetaller

Den joniska ekvationen för ovanstående reaktion kommer att vara:

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

Jonbindningen CuSO 4, när den löses i vatten, bryts ner till en kopparkatjon (laddning 2+) och en sulfatanjon (laddning 2-). Som ett resultat av substitutionsreaktionen bildas en zinkkatjon (som har samma laddning som kopparkatjonen: 2-). Observera att sulfatanjonen finns på båda sidor av ekvationen, d.v.s. enligt alla matematikens regler kan den reduceras. Resultatet är en jon-molekylekvation:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Dubbla förskjutningsreaktioner

I dubbla substitutionsreaktioner är två elektroner redan ersatta. Sådana reaktioner kallas också utbytesreaktioner. Sådana reaktioner äger rum i lösning med bildandet av:

• olösligt fast ämne (utfällningsreaktion);
• vatten (neutraliseringsreaktion).

Nederbördsreaktioner

När en lösning av silvernitrat (salt) blandas med en lösning av natriumklorid, bildas silverklorid:

Molekylära ekvation: KCl (lösning) + AgNO3 (p-p) → AgCl (s) + KNO3 (p-p)

Jonisk ekvation: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Molekylär jonisk ekvation: Cl - + Ag + → AgCl (s)

Om en förening är löslig kommer den att vara närvarande i lösning i jonform. Om föreningen är olöslig kommer den att fällas ut och bilda ett fast ämne.

Neutraliseringsreaktioner

Dessa är reaktioner mellan syror och baser som resulterar i bildandet av vattenmolekyler.

Till exempel, reaktionen att blanda en lösning av svavelsyra och en lösning av natriumhydroxid (lut):

Molekylära ekvation: H2SO4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na2SO4 (p-p) + 2H2O (l)

Jonisk ekvation: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)

Molekylär jonisk ekvation: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) eller H + + OH - → H 2 O (l)

Oxidationsreaktioner

Dessa är reaktioner av interaktion av ämnen med gasformigt syre i luften, under vilka som regel en stor mängd energi frigörs i form av värme och ljus. En typisk oxidationsreaktion är förbränning. Allra i början av denna sida är reaktionen mellan metan och syre:

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

Metan tillhör kolväten (föreningar av kol och väte). När ett kolväte reagerar med syre frigörs mycket värmeenergi.

Redoxreaktioner

Dessa är reaktioner där elektroner utbyts mellan reaktantatomer. Reaktionerna som diskuteras ovan är också redoxreaktioner:

• 2Na + Cl2 → 2NaCl-föreningsreaktion
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - oxidationsreaktion
• Zn + CuS04 → ZnSO4 + Cu - enkel substitutionsreaktion

Redoxreaktioner med ett stort antal exempel på att lösa ekvationer med elektronbalansmetoden och halvreaktionsmetoden beskrivs så utförligt som möjligt i avsnittet

Aktuell sida: 3 (boken har totalt 18 sidor) [tillgänglig läsning: 12 sidor]

2.2.2. Bildning av planetsystem

Forskare tror att nebulosor är ett stadium i bildandet av galaxer eller stora stjärnsystem. I modeller av dessa typer av teorier är planeter en biprodukt av stjärnbildning. Denna synpunkt, först uttryckt på 1700-talet. I. Kant och senare utvecklad av P. Laplace, D. Kuiper, D. Alfven och R. Cameron, bekräftas av ett antal bevis.

Unga stjärnor finns inuti nebulosor, områden med relativt koncentrerad interstellär gas och stoft som är ljusår i diameter. Nebulosor finns i hela vår galax; Stjärnor och tillhörande planetsystem tros bildas inom dessa enorma materiamoln.

Med hjälp av spektroskopi visades det att interstellär materia består av gaser - väte, helium och neon - och dammpartiklar, som mäter i storleksordningen flera mikrometer och består av metaller och andra grundämnen. Eftersom temperaturen är mycket låg (10–20 K) fryses allt material, förutom de nämnda gaserna, på dammpartiklar. Tyngre grundämnen och en del väte kommer från stjärnor från tidigare generationer; Några av dessa stjärnor exploderade som supernovor och återförde det kvarvarande vätet till det interstellära mediet och berikade det med tyngre grundämnen som bildades i deras djup.

Den genomsnittliga gaskoncentrationen i det interstellära rymden är endast 0,1 atom N/cm 3, medan gaskoncentrationen i nebulosor är ungefär 1000 atomer N/cm 3, dvs 10 000 gånger mer. (1 cm 3 luft innehåller ungefär 2,7 × 10 19 molekyler.)

När ett moln av gas och damm blir tillräckligt stort som ett resultat av den långsamma sedimenteringen och vidhäftningen (accretion) av interstellär gas och stoft under påverkan av gravitationen, blir det instabilt - förhållandet nära jämvikt mellan tryck och gravitationskrafter är störd. Gravitationskrafter råder och därför drar molnet ihop sig. Under de tidiga kompressionsfaserna lämnar den värme som frigörs när gravitationsenergin omvandlas till strålningsenergi lätt molnet eftersom materialets relativa densitet är låg. När materiens densitet ökar börjar nya viktiga förändringar. På grund av gravitations- och andra fluktuationer fragmenteras ett stort moln till mindre moln, som i sin tur bildar fragment som i slutändan har en massa och storlek flera gånger större än vårt solsystem (Fig. 2.2; 1–5). Sådana moln kallas protostjärnor. Naturligtvis är vissa protostjärnor mer massiva än vårt solsystem och bildar större, hetare stjärnor, medan mindre massiva protostjärnor bildar mindre, kallare stjärnor som utvecklas långsammare än de förra. Storleken på protostjärnor begränsas av en övre gräns, över vilken ytterligare fragmentering skulle inträffa, och en nedre gräns, bestäms av den minimimassa som krävs för att stödja kärnreaktioner.

Ris. 2.2. Utvecklingen av en gas-dammnebulosa och bildandet av en protoplanetär skiva

Först utstrålas den potentiella gravitationsenergin, omvandlad till värme (strålningsenergi), helt enkelt utåt under gravitationskompression. Men när ett ämnes densitet ökar absorberas mer och mer strålningsenergi och som ett resultat ökar temperaturen. Flyktiga föreningar som ursprungligen frysts fast på dammpartiklarna börjar avdunsta. Nu blandas gaser som NH 3, CH 4, H 2 O (ånga) och HCN med H 2, He och Ne. Dessa gaser absorberar efterföljande delar av strålningsenergin, dissocierar och genomgår jonisering.

Gravitationskompressionen fortsätter tills den frigjorda strålningsenergin försvinner under avdunstning och jonisering av molekyler i dammpartiklar. När molekylerna är helt joniserade stiger temperaturen snabbt tills kompressionen nästan upphör när gasens tryck börjar balansera gravitationskrafterna. Således slutar fasen av snabb gravitationskompression (kollaps).

Vid denna tidpunkt i sin utveckling är protostjärnan som motsvarar vårt system en skiva med en förtjockning i mitten och en temperatur på cirka 1000 K i nivå med Jupiters omloppsbana. En sådan protostellär skiva fortsätter att utvecklas: omstrukturering sker i den, och den drar sig långsamt ihop. Själva protostjärnan blir gradvis mer kompakt, mer massiv och varmare, eftersom värme nu bara kan stråla ut från dess yta. Värme överförs från protostjärnans djup till dess yta med hjälp av konvektionsströmmar. Området från protostjärnans yta till ett avstånd som motsvarar Plutos omloppsbana är fyllt med gas och dammdimma.

Under denna komplexa serie av sammandragningar, som tros ha krävt cirka 10 miljoner år, bör systemets vinkelmoment bevaras. Hela galaxen roterar och gör 1 varv var 100:e miljon år. När dammmoln komprimeras kan deras rörelsemängd inte ändras - ju mer de komprimeras, desto snabbare roterar de. På grund av bevarandet av rörelsemängd ändras formen på det kollapsande dammmolnet från sfärisk till skivformad.

När den återstående delen av protostjärnan drog ihop sig, blev dess temperatur tillräckligt hög för att fusionsreaktionen av väteatomer skulle börja. Med inflödet av mer energi från denna reaktion blev temperaturen tillräckligt hög för att balansera krafterna från ytterligare gravitationskompression.

Planeter som bildades av de återstående gaserna och stoftet på protostellarskivans periferi (Fig. 2.3). Agglomerering av interstellärt stoft under påverkan av gravitationell attraktion leder till bildandet av stjärnor och planeter om cirka 10 miljoner år (1–4). Stjärnan går in i huvudsekvensen (4) och förblir i ett stationärt (stabilt) tillstånd i cirka 8000 miljoner år, och bearbetar gradvis väte. Stjärnan lämnar sedan huvudsekvensen, expanderar till en röd jätte (5 och 6) och "förbrukar" sina planeter under de kommande 100 miljoner åren. Efter att ha pulserat som en variabel stjärna i flera tusen år (7), exploderar den som en supernova (8) och kollapsar slutligen till en vit dvärg (9). Även om planeter vanligtvis anses vara massiva objekt, är den totala massan av alla planeter bara 0,135% av solsystemets massa.

Ris. 2.3. Bildandet av ett planetsystem

Våra planeter, och förmodligen planeterna som bildas i vilken protostellär skiva som helst, är belägna i två huvudzoner. Den inre zonen, som i solsystemet sträcker sig från Merkurius till asteroidbältet, är en zon av små terrestra planeter. Här, i fasen av långsam sammandragning av protostjärnan, är temperaturerna så höga att metaller avdunstar. Den yttre kalla zonen innehåller gaser som H 2 O, He och Ne och partiklar belagda med frusna flyktiga ämnen som H 2 O, NH 3 och CH 4. Denna yttre zon med planeter av Jupiter-typ innehåller mycket mer materia än den inre eftersom den är stor och eftersom mycket av det flyktiga materialet som ursprungligen fanns i den inre zonen trycks utåt av protostjärnans aktivitet.

Ett sätt att bygga en bild av en stjärnas utveckling och beräkna dess ålder är att analysera ett stort slumpmässigt urval av stjärnor. Samtidigt mäts avstånden till stjärnorna, deras skenbara ljusstyrka och färgen på varje stjärna.

Om den skenbara ljusstyrkan och avståndet till en stjärna är kända, kan dess absoluta magnitud beräknas, eftersom den synliga ljusstyrkan för en stjärna är omvänt proportionell mot dess avstånd. Stjärnans absoluta magnitud är en funktion av hastigheten för energiutsläpp, oavsett dess avstånd från observatören.

Färgen på en stjärna bestäms av dess temperatur: blått representerar mycket heta stjärnor, vitt representerar heta stjärnor och rött representerar relativt kalla stjärnor.

Figur 2.4 visar Hertzsprung-Russell-diagrammet, bekant för dig från din astronomikurs, som återspeglar förhållandet mellan absolut magnitud och färg för ett stort antal stjärnor. Eftersom detta klassiska diagram inkluderar stjärnor av alla storlekar och åldrar, motsvarar det den "genomsnittliga" stjärnan i olika stadier av dess utveckling.

Ris. 2.4. Hertzsprung-Russell diagram

De flesta stjärnor är placerade på den raka delen av diagrammet; de upplever bara gradvisa förändringar i jämvikt när vätet de innehåller brinner ut. I denna del av diagrammet, som kallas huvudsekvensen, har stjärnor med mer massa högre temperaturer; I dem fortsätter reaktionen av fusion av väteatomer snabbare, och deras förväntade livslängd är kortare. Stjärnor med en massa mindre än solen har en lägre temperatur, fusionen av väteatomer i dem sker långsammare och deras förväntade livslängd är längre. När en huvudsekvensstjärna har förbrukat cirka 10 % av sin initiala tillgång på väte, kommer dess temperatur att sjunka och expansion kommer att ske. Röda jättar tros vara "åldrade" stjärnor av alla storlekar som tidigare tillhörde huvudsekvensen. Vid exakt bestämning av en stjärnas ålder måste dessa faktorer beaktas. Beräkningar som tar hänsyn till dem visar att inte en enda stjärna i vår galax är äldre än 11 ​​000 miljoner år. Några små stjärnor är av denna ålder; många av de större stjärnorna är mycket yngre. De mest massiva stjärnorna kan vara kvar på huvudsekvensen i högst 1 miljon år. Solen och stjärnor av liknande storlek spenderar cirka 10 000 miljoner år på huvudsekvensen innan de når det röda jättestadiet.

Ankarpunkter

1. Materia är i kontinuerlig rörelse och utveckling.

2. Biologisk evolution är ett visst kvalitativt stadium i materiens evolution som helhet.

3. Transformationer av grundämnen och molekyler i yttre rymden sker konstant med mycket låg hastighet.

1. Vad är kärnfusionsreaktioner? Ge exempel.

2. Hur, i enlighet med Kant-Laplace-hypotesen, bildas stjärnsystem av gas-stoftmateria?

3. Finns det skillnader i den kemiska sammansättningen av planeter i samma stjärnsystem?

Genom att hålla fast vid ovanstående synpunkt på planetsystemens ursprung är det möjligt att göra ganska rimliga uppskattningar av grundämnessammansättningen av jordens primära atmosfär. En del av den moderna synen bygger naturligtvis på den enorma övervikten av väte i rymden; den finns också i solen. Tabell 2.2 visar elementarsammansättningen av stjärn- och solmateria.

Tabell 2.2. Elementär sammansättning av stjärn- och solmateria

Det antas att atmosfären på urjorden, som hade en hög medeltemperatur, var ungefär så här: före gravitationsförlusten utgjorde väte det mesta, och de huvudsakliga molekylära beståndsdelarna var metan, vatten och ammoniak. Det är intressant att jämföra den elementära sammansättningen av stjärnmateria med sammansättningen av modern jord och levande materia på jorden.

De vanligaste grundämnena i den livlösa naturen är väte och helium; följt av kol, kväve, kisel och magnesium. Låt oss notera att biosfärens levande materia på jordens yta till övervägande del består av väte, syre, kol och kväve, vilket naturligtvis var att vänta, att döma av dessa grundämnens natur.

Jordens ursprungliga atmosfär kan förändras som ett resultat av en mängd olika processer, främst som ett resultat av diffusionsflykten av väte och helium, som utgjorde en betydande del av det. Dessa grundämnen är de lättaste, och de borde ha gått förlorade från atmosfären, eftersom gravitationsfältet på vår planet är litet i jämförelse med fältet för jätteplaneterna. Mycket av jordens ursprungliga atmosfär måste ha gått förlorad på mycket kort tid; Därför antas det att många av de primära gaserna i jordens atmosfär är gaser som begravdes i jordens tarmar och släpptes ut igen som ett resultat av den gradvisa uppvärmningen av jordens stenar. Jordens primära atmosfär bestod troligen av organiska ämnen av samma slag som observeras i kometer: molekyler med kol-väte, kol-kväve, kväve-väte och syre-väte-bindningar. Utöver dem uppträdde sannolikt också under gravitationsuppvärmningen av jordens inre väte, metan, kolmonoxid, ammoniak, vatten etc. Det är de ämnen som de flesta experiment utfördes med för att simulera den primära atmosfären.

Vad kan egentligen hända under urjordens förhållanden? För att bestämma detta är det nödvändigt att veta vilka typer av energi som troligen påverkade dess atmosfär.

Materiens utveckling och omvandling utan tillströmning av energi är omöjlig. Låt oss överväga de energikällor som bestämmer den fortsatta utvecklingen av ämnen, inte längre i rymden, utan på vår planet - på jorden.

Att bedöma energikällornas roll är inte lätt; I detta fall är det nödvändigt att ta hänsyn till icke-jämviktsförhållandena, kylning av reaktionsprodukterna och graden av deras avskärmning från energikällor.

Uppenbarligen hade alla energikällor (tabell 2.3) en betydande inverkan på omvandlingen av ämnen på vår planet. Hur hände det här? Naturligtvis finns det helt enkelt inte objektiva bevis. De processer som ägde rum på vår jord i forna tider kan dock simuleras. För det första är det nödvändigt att bestämma tidsgränserna, och för det andra att så exakt som möjligt reproducera förhållandena i var och en av de diskuterade epokerna av planetens existens.

För att diskutera frågor om livets ursprung på jorden, förutom kunskap om de energikällor som är nödvändiga för omvandlingen av materia, måste man också ha en ganska klar uppfattning om tiden för dessa omvandlingar.

Tabell 2.3. Möjliga energikällor för primär kemisk utveckling

Tabell 2.4. Halveringstider och andra data för vissa element som används för att bestämma jordens ålder

Utvecklingen av fysikaliska vetenskaper har nu försett biologer med flera effektiva metoder för att bestämma åldern på vissa bergarter i jordskorpan. Kärnan i dessa metoder är att analysera förhållandet mellan olika isotoper och slutprodukter av kärnsönderfall i prover och korrelera forskningsresultaten med tidpunkten för klyvning av de ursprungliga grundämnena (tabell 2.4).

Användningen av sådana metoder gjorde det möjligt för forskare att konstruera en tidsskala över jordens historia från det ögonblick då den svalnade, för 4500 miljoner år sedan, till nutid (tabell 2.5). Vår uppgift nu är att inom denna tidsskala fastställa hur förhållandena var på den primitiva jorden, vilken typ av atmosfär jorden hade, hur temperaturen och trycket var, när haven bildades och hur jorden själv bildades.

Tabell 2.5. Geokronologisk skala

Idag är det av grundläggande betydelse för vetenskapen att återskapa de förhållanden under vilka de första "livets embryon" uppstod. Stor är förtjänsten av A.I. Oparin, som 1924 föreslog det första konceptet för kemisk evolution, enligt vilket en syrefri atmosfär föreslogs som utgångspunkt i laboratorieexperiment för att reproducera den ursprungliga jordens förhållanden.

1953 exponerade de amerikanska forskarna G. Urey och S. Miller en blandning av metan, ammoniak och vatten för elektriska urladdningar (Fig. 2.5). För första gången, med hjälp av ett sådant experiment, identifierades aminosyror (glycin, alanin, asparaginsyra och glutaminsyror) bland de resulterande produkterna.

Millers och Ureys experiment stimulerade forskning om molekylär evolution och livets ursprung i många laboratorier och ledde till systematiska studier av problemet, under vilka biologiskt viktiga föreningar syntetiserades. De huvudsakliga förhållandena på den primitiva jorden som forskare tagit i beaktande visas i tabell 2.6.

Trycket är, liksom atmosfärens kvantitativa sammansättning, svårt att beräkna. Uppskattningar som görs med hänsyn till "växthuseffekten" är mycket godtyckliga.

Beräkningar som tar hänsyn till växthuseffekten, liksom den ungefärliga intensiteten av solstrålning i den abiotiska eran, ledde till värden flera tiotals grader över frystemperaturen. Nästan alla experiment för att återskapa förutsättningarna för den ursprungliga jorden utfördes vid temperaturer på 20–200 °C. Dessa gränser fastställdes inte genom beräkning eller extrapolering av vissa geologiska data, utan troligen genom att ta hänsyn till temperaturgränserna för stabilitet hos organiska föreningar.

Användningen av blandningar av gaser som liknar gaserna i den primära atmosfären, olika typer av energi som var karakteristiska för vår planet för 4–4,5 × 10 9 år sedan, och med hänsyn till de klimatiska, geologiska och hydrografiska förhållandena under den perioden gjorde det möjligt i många laboratorier som studerar livets ursprung, hitta bevis för vägar för abiotisk förekomst av organiska molekyler som aldehyder, nitriter, aminosyror, monosackarider, puriner, porfyriner, nukleotider, etc.

Ris. 2.5. Miller apparat

Tabell 2.6. Förhållanden på den primitiva jorden

Uppkomsten av protobiopolymerer utgör ett mer komplext problem. Behovet av deras existens i alla levande system är uppenbart. De är ansvariga för protoenzymatiska processer(Till exempel, hydrolys, dekarboxylering, aminering, deaminering, peroxidation etc.), för några mycket enkla processer, som t.ex jäsning, och för andra, mer komplexa, till exempel fotokemiska reaktioner, fotofosforylering, fotosyntes och etc.

Närvaron av vatten på vår planet (primärt hav) gjorde det möjligt för protobiopolymerer att uppstå i processen med en kemisk reaktion - kondensation. Således, för bildandet av en peptidbindning i vattenlösningar enligt reaktionen:

energiförbrukning krävs. Dessa energikostnader ökar många gånger när man producerar proteinmolekyler i vattenlösningar. Syntesen av makromolekyler från "biomonomerer" kräver användning av specifika (enzymatiska) metoder för att avlägsna vatten.

Allmän process för evolution av materia och energi i universum inkluderar flera på varandra följande stadier. Bland dem är bildandet av rymdnebulosor, deras utveckling och strukturering av planetsystem kan erkännas. Omvandlingar av ämnen som äger rum på planeterna bestäms av några allmänna naturlagar och beror på planetens position inom stjärnsystemet. Vissa av dessa planeter, som jorden, kännetecknas av de egenskaper som möjliggör utvecklingen av oorganiskt material mot uppkomsten av olika komplicerade organiska molekyler.

Ankarpunkter

1. Jordens primära atmosfär bestod huvudsakligen av väte och dess föreningar.

2. Jorden är på optimalt avstånd från solen och får tillräckligt med energi för att upprätthålla flytande vatten.

3. I vattenlösningar uppstår på grund av olika energikällor de enklaste organiska föreningarna icke-biologiskt.

Granska frågor och uppgifter

1. Lista de kosmiska och planetariska förutsättningarna för uppkomsten av liv abiogeniskt på vår planet.

2. Vilken betydelse hade den primära atmosfärens reducerande natur för uppkomsten av organiska molekyler från oorganiska ämnen på jorden?

3. Beskriv apparatur och metoder för att utföra experiment av S. Miller och P. Urey.

Använd vokabulären för rubrikerna "Terminologi" och "Sammanfattning", översätt avsnitten i "Ankarpunkter" till engelska.

Terminologi

För varje term som anges i den vänstra kolumnen, välj motsvarande definition i den högra kolumnen på ryska och engelska.

Välj rätt definition för varje term i den vänstra kolumnen från engelska och ryska varianter i den högra kolumnen.

Frågor för diskussion

Vilka tror du var de dominerande energikällorna på den antika jorden? Hur kan vi förklara den ospecifika påverkan av olika energikällor på processerna för bildning av organiska molekyler?

Olika bedömningar av naturen hos miljön på den primitiva jorden ledde till skapandet av olika experimentella förhållanden som hade i grunden enhetliga, men inte alltid identiska resultat i synnerhet.

Låt oss överväga några av de viktigaste teorierna om uppkomsten av polymerstrukturer på vår planet, som ligger vid ursprunget till bildandet av biopolymerer - grunden för livet.

Termisk teori. Kondensationsreaktioner som skulle leda till bildning av polymerer från prekursorer med låg molekylvikt kan utföras genom upphettning. Jämfört med andra komponenter i levande materia är syntesen av polypeptider den mest väl studerade.

Författaren till hypotesen om syntesen av polypeptider med termiska medel är den amerikanske vetenskapsmannen S. Fox, som under lång tid studerade möjligheterna för bildandet av peptider under de förhållanden som fanns på den primitiva jorden. Om en blandning av aminosyror värms upp till 180–200 °C under normala atmosfäriska förhållanden eller i en inert miljö, bildas polymerisationsprodukter, små oligomerer i vilka monomerer är förbundna med peptidbindningar, samt små mängder polypeptider. I fall där försöksledare berikade de initiala blandningarna av aminosyror med sura eller basiska aminosyror, till exempel asparaginsyra och glutaminsyror, ökade andelen polypeptider avsevärt. Molekylvikten för polymerer som erhålls på detta sätt kan nå flera tusen D. (D är Dalton, en enhet för massmått numeriskt lika med massan av 1/16 av en syreatom.)

Polymerer erhållna termiskt från aminosyror - proteinoider - uppvisar många av de specifika egenskaperna hos biopolymerer av proteintyp. Men i fallet med termisk kondensation av nukleotider och monosackarider med en komplex struktur verkar bildningen av för närvarande kända nukleinsyror och polysackarider osannolik.

Adsorptionsteori. Det främsta motargumentet i debatten om polymerstrukturers abiogena ursprung är den låga koncentrationen av molekyler och bristen på energi för kondensering av monomerer i utspädda lösningar. Enligt vissa uppskattningar var koncentrationen av organiska molekyler i "primärbuljongen" faktiskt cirka 1%. En sådan koncentration, på grund av sällsyntheten och slumpmässigheten av kontakter mellan olika molekyler som är nödvändiga för kondensering av ämnen, kunde inte säkerställa en sådan "snabb" bildning av protobiopolymerer, som var fallet på jorden, enligt vissa forskare. En av lösningarna på denna fråga, relaterad till att övervinna en sådan koncentrationsbarriär, föreslogs av den engelske fysikern D. Bernal, som trodde att koncentrationen av utspädda lösningar av organiska ämnen sker genom "deras adsorption i vattenhaltiga leravlagringar."

Som ett resultat av växelverkan mellan ämnen under adsorptionsprocessen försvagas vissa bindningar, vilket leder till att vissa förstörs och andra kemiska föreningar bildas.

Lågtemperaturteori. Författarna till denna teori, de rumänska forskarna C. Simonescu och F. Denes, utgick från lite olika idéer om förutsättningarna för den abiogena uppkomsten av de enklaste organiska föreningarna och deras kondensation till polymerstrukturer. Författarna fäster stor vikt vid kall plasmas energi som energikälla. Denna åsikt är inte ogrundad.

Kall plasma är utbredd i naturen. Forskare tror att 99% av universum är i ett plasmatillstånd. Detta tillstånd av materia förekommer också på den moderna jorden i form av kulblixtar, norrsken, och även en speciell typ av plasma - jonosfären.

Oavsett vilken typ av energi på den abiotiska jorden, omvandlar alla typer av energi kemiska föreningar, särskilt organiska molekyler, till aktiva arter, såsom mono- och polyfunktionella fria radikaler. Men deras vidare utveckling beror till stor del på energiflödestätheten, som är mest uttalad vid användning av kall plasma.

Som ett resultat av mödosamma och komplexa experiment med kall plasma som energikälla för abiogenisk syntes av protobiopolymerer, kunde forskare erhålla både individuella monomerer och polymerstrukturer och lipider av peptidtyp.

Oparin menade att övergången från kemisk evolution till biologisk krävde den obligatoriska uppkomsten av individuella fasseparerade system som kan interagera med den omgivande yttre miljön, använda dess ämnen och energi och på grundval av detta kan växa, föröka sig och vara föremål för naturligt urval .

Den abiotiska isoleringen av multimolekylära system från en homogen lösning av organiska ämnen måste tydligen utföras upprepade gånger. Den är fortfarande mycket utbredd i naturen. Men under förhållandena i den moderna biosfären kan endast de inledande stadierna av bildandet av sådana system direkt observeras. Deras utveckling är vanligtvis mycket kortlivad i närvaro av mikrober som förstör allt levande. För att förstå detta skede av livets ursprung är det därför nödvändigt att på konstgjord väg erhålla fasseparerade organiska system under strikt kontrollerade laboratorieförhållanden och, med hjälp av de sålunda bildade modellerna, att fastställa både vägarna för deras möjliga utveckling i det förflutna och mönster av denna process. När vi arbetar med högmolekylära organiska föreningar i laboratorieförhållanden möter vi ständigt bildandet av denna typ av fasseparerade system. Därför kan vi föreställa oss hur de uppstår och experimentellt erhålla olika system i laboratorieförhållanden, av vilka många skulle kunna tjäna oss som modeller av formationer som en gång dök upp på jordens yta. Vi kan till exempel namnge några av dem: "bubblor" Goldacre, "mikrosfärer" Räv, "jayvan" Bahadur, "probionter" Egami och många andra.

Ofta, när man arbetar med sådana artificiella system som isolerar sig från lösning, ägnas särskild uppmärksamhet åt deras yttre morfologiska likhet med levande föremål. Men detta är inte lösningen på problemet, utan att systemet kan interagera med den yttre miljön, använda dess ämnen och energi som öppna system, och på grundval av detta växa och föröka sig, vilket är typiskt för alla levande varelser.

De mest lovande modellerna i detta avseende är koacervata droppar.

Varje molekyl har en viss strukturell organisation, det vill säga atomerna som utgör dess sammansättning är regelbundet belägna i rymden. Som ett resultat bildas poler med olika laddningar i molekylen. Till exempel bildar en vattenmolekyl H 2 O en dipol där en del av molekylen har en positiv laddning (+) och den andra en negativ laddning (-). Dessutom dissocierar vissa molekyler (till exempel salter) till joner i en vattenhaltig miljö. På grund av dessa egenskaper hos den kemiska organisationen av molekyler runt dem i vatten, bildas vatten "skjortor" av vattenmolekyler orienterade på ett visst sätt. Om du använder exemplet med NaCl-molekylen kan du lägga märke till att vattendipolerna som omger Na+-jonen har negativa poler vända mot den (Fig. 2.6), och positiva poler är vända mot Cl −-jonen.

Ris. 2.6. Hydraterad natriumkatjon

Ris. 2.7. Montering av koacervat

Organiska molekyler har en stor molekylvikt och en komplex rumslig konfiguration, så de är också omgivna av ett vattenskal, vars tjocklek beror på molekylens laddning, koncentrationen av salter i lösningen, temperatur, etc.

Under vissa förhållanden får det vattenhaltiga skalet tydliga gränser och separerar molekylen från den omgivande lösningen. Molekyler omgivna av ett vattenhaltigt skal kan kombineras för att bilda multimolekylära komplex - koacervater(Fig. 2.7).

Koacervatdroppar uppstår också från enkel blandning av olika polymerer, både naturliga och artificiellt erhållna. I detta fall sker självmontering av polymermolekyler till multimolekylära fasseparerade formationer - droppar synliga under ett optiskt mikroskop (Fig. 2.8). Majoriteten av polymermolekylerna är koncentrerade i dem, medan miljön nästan helt saknar dem.

Droppar separeras från omgivningen med en skarp gränsyta, men de kan absorbera ämnen utifrån som öppna system.

Ris. 2.8. Coacervat droppar erhållna i experimentet

Genom att införliva olika katalysatorer(inklusive enzymer) kan orsaka ett antal reaktioner, i synnerhet polymerisation av monomerer som kommer från den yttre miljön. På grund av detta kan droppar öka i volym och vikt och sedan delas upp i dotterformationer.

Till exempel är processerna som inträffar i en koacervatdroppe avbildade inom hakparenteser, och ämnen som finns i den yttre miljön placeras utanför dem:

glukos-1-fosfat → [glukos-1-fosfat → stärkelse → maltos] → maltos

En koacervatdroppe bildad av protein och gummi arabicum nedsänks i en lösning av glukos-1-fosfat. Glukos-1-fosfat börjar komma in i droppen och polymeriseras till stärkelse i den under inverkan av en katalysator, fosforylas. På grund av den bildade stärkelsen växer droppen, vilket enkelt kan bestämmas både genom kemisk analys och genom direkta mikroskopiska mätningar. Om en annan katalysator, b-amylas, ingår i droppen bryts stärkelse ner till maltos, som släpps ut i den yttre miljön.

Alltså det enklaste ämnesomsättning.Ämnet går in i droppen, polymeriserar, orsakar höjd systemet, och när det sönderfaller kommer produkterna från detta sönderfall ut i den yttre miljön, där de inte tidigare fanns.

Ett annat diagram illustrerar ett experiment där polymeren är en polynukleotid. En droppe bestående av histonprotein och gummi arabicum är omgiven av en ADP-lösning.

När den kommer in i droppen polymeriserar ADP under påverkan av polymeras till polyadenylsyra, på grund av vilken droppen växer och oorganisk fosfor kommer in i den yttre miljön.

ADP → [ADP → Poly-A + F] → F

I detta fall mer än fördubblas fallet i volym inom en kort tidsperiod.

Både vid stärkelsesyntes och vid bildning av polyadenylsyra, energirik (makroergisk) anslutningar. På grund av energin hos dessa föreningar som kommer från den yttre miljön, inträffade syntesen av polymerer och tillväxten av koacervatdroppar. I en annan serie experiment av akademiker A.I. Oparin och hans kollegor visades det att reaktioner associerade med energiavledning också kan inträffa i själva koacervatdropparna.