Интересные концепции современного естествознания (стр. 2 из 5)

Форма Земли близка к шарообразной, но при детальном исследовании оказывается более сложной, даже если ее обрисовать поверхностью океана и мысленно продолжать эту поверхность под континентами. Неровности поверхности поддерживаются неравномерным распределением массы внутри земного тела. Эту форму назвали геоидом.

Средний радиус Земли – 6371 км, полярный (короткий) - 6356,8 км, экваториальный (длинный) – 6378,2 км, длина экватора – 40075,7 км.

Внутренняя структура Земли еще окончательно не установлена. Объясняется это тем, что опытному исследованию доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Как следует из рис.1, Земля имеет слоистое внутреннее строение. По химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам выделяются оболочки земли – геосферы: литосфера (твердая оболочка), гидросфера (жидкая), атмосфера (газообразная), биосфера (табл. 1).

Таблица 1. Состояние и состав оболочек Земли

*Оболочка*	*Важнейшие черты химического состава*	*Физическое состояние*
Атмосфера	N 2, O2, CO2, (H2O). Инертные газы	Газ
Гидросфера	Соленые и пресные воды, снег и лед. Растворенные Na, Mg, Ca, Cl, SO 4, HCO 3	Жидкое, частично твердое
Биосфера	Органические вещества: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, скелетный материал. N,H,C,O.	Твердое и жидкое, частично коллоидальное
Литосфера:кора	Нормальные магматические, осадочные и метаморфические породы. O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.	Твердое, локальное появление очагов магмы
мантия	Силикатные минералы оливин – пироксенового состава и их фазовые эквиваленты высоких давлений. O, Si, Mg, (Fe).	Твердое
ядро	Железо – никелевый сплав Fe – FeS – Ni/	Верхняя часть жидкая, нижняя вероятно твердая

В составе атмосферы сейчас преобладают азот и кислород (98,6 % массы всей атмосферы), это соотношение практически неизменно до высот 150 км. Водорода почти в миллион раз меньше, чем кислорода. На высоте 160 км и выше состав атмосферы меняется и, как показали данные, полученные со спутников, водород становится преобладающим на высотах 1500 км. В морской воде на долю кислорода, водорода, хлора и натрия приходится 99,5 %.

В литосфере наибольшее распространение сейчас получил кислород — 50 % массы всей литосферы; 26 % составляет кремний, 7 —8% — алюминий, 4% — железо; суммарное содержание магния, калия, кальция и натрия — порядка 10 %, а на долю оставшихся (более 80) элементов приходится несколько процентов. Все земные геосферы связаны между собой кругооборотами вещества, глобальными потоками энергии и момента импульса. В результате образуется сложная система, состояние которой, во многом похожее на состояние динамического равновесия, создает условия для динамической эволюции планеты.

4.К каким явлениям в Природе приводит существование межмолекулярных взаимодействий?Какими силами оно обусловлено?

В веществах с молекулярной структурой имеет место межмолекулярное взаимодействие.

Силы межмолекулярного взаимодействия, называемые также силами Ван – дер – Ваальса, слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей, но в различных веществах механизм возникновение диполей различен. Если вещество состоит из полярных молекул, например, молекул HО2 или HCl, то в конденсированном состоянии соседние молекулярные диполи ориентируются друг по отношению другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение. Такой вид межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным взаимодействием. Тепловое движение молекул препятствует взаимной ориентации молекул, поэтому с ростом температуры, ориентационный эффект ослабевает. В случае веществ, состоящих из неполярных, но способных к поляризации молекул, например, СО2, наблюдается возникновение наведенных или индуцированных диполей. Причина их появления обычно состоит в том, что каждый атом создает вблизи себя электрическое поле, оказывающее поляризующее действие на ближайший атом соседней молекулы. Молекула поляризуется, и образовавшийся индуцированный диполь в свою очередь поляризует соседние молекулы. В результате происходит взаимное притяжение молекул друг к другу. Это индукционное взаимодействие наблюдается так же и у веществ с полярными молекулами, но при этом оно обычно значительно слабее ориентационного.

Наконец, движение электронов в атомах, а также колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение взаимного положения электронов и ядер вызывают появление мгновенных диполей. Как показывает квантовая механика, мгновенные диполи возникают в твердых телах и жидкостях согласованно, причем в ближайшие друг к другу участки соседних молекул оказываются заряженными электричеством противоположного знака, что приводит к их притяжению. Это явление, называемое дисперсионным взаимодействием, имеет место во всех веществах, находящихся в конденсированном состоянии. В частности оно обуславливает переход благородных газов при низких температурах в жидкое состояние.

Относительная величина рассмотренных видов межмолекулярных сил зависит от полярности и от поляризуемости молекул вещества. Чем больше полярность молекул, тем больше ориентационные силы. Чем больше деформируемость, тем слабее связаны электроны атома, т.е. чем эти атомы крупнее, тем значительнее дисперсионные силы.

Таким образом, межмолекулярные химические связи обычно заметно слабее внутримолекулярных, и группы молекул сравнительно неустойчивы и быстро распадаются. Типов межмолекулярных сил достаточно много; перечислим наиболее часто встречающиеся:

а) водородная связь – между атомами водорода и некоторыми другими атомами, входящими в группы молекул: кислорода, серы и т.д.; примеры - образование льда из молекул воды, связь азотистых оснований в ДНК;

б) силы Ван – дер – Ваальса – между полярными молекулами (диполями) или между ионами и дипольными молекулами; пример – растворение в воде окиси углерода;

в) гидрофобные взаимодействия – между неполярными группами молекул; пример – неполярные участки белковых молекул в воде.

5. В чем сущность установления химического равновесия? Графики изменения скорости прямой и обратной реакции

На рисунке 2 показано изменение скоростей прямой и обратной реакции с течением времени. В начале, при смещении исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной реакции равно нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции, и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое равновесие.

Рис. 2. Изменение скорости прямой (v1) и обратной (v2) реакций с течением времени (t).

v1=v2

Химическое равновесие называют динамическим равновесием. Этим подчеркивается, что при равновесии протекают и прямая, и обратная реакции, но их скорости одинаковы, вследствие чего изменений в системе не заметно.

Количественной характеристикой химического равновесия служит величина, называемая, константой химического равновесия.

Отношение констант скорости прямой и обратной реакций, тоже представляет собой константу. Она называется константой равновесия данной реакции (K): k1/k2=K . Отсюда окончательно: [HI]²/ [H2] [I2]=K.

В левой части этого уравнения стоят те концентрации взаимодействующих веществ, которые устанавливаются при равновесии – равновесные концентрации. Правая же часть уравнения представляет собой постоянную (при постоянной температуре) величину.

6. Какие неорганические вещества принимают участие в функционировании живых организмов. Их роль. Вода, ее роль в биофункциях

Такие вещества как песок, глина, различные минералы, вода, оксиды углерода, угольная кислота, ее соли и другие, встречающиеся в «неживой природе», получили название неорганических или минеральных веществ.

Примерно из ста химических элементов, встречающихся в земной коре, для жизни необходимы только шестнадцать, причем четыре из них — водород (Н), углерод (С), кислород (О) и азот (N) наиболее распространены в живых организмах и составляют 99 % массы живого. Биологическое значение этих элементов связано с их валентностью (1, 2, 3, 4) и способностью образовывать прочные ковалентные связи, которые оказываются прочнее связей, образуемых другими элементами той же валентности. Следующими по важности являются фосфор (Р), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na, Mg, Cl, К, Са). В качестве микроэлементов в живых организмах присутствуют также железо (Fe), кобальт (Со), медь (Си), цинк (Zn), бор (В), алюминий (Аl), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Мо), иод (I), марганец (Мn).

Все химические элементы в виде ионов либо в составе тех или иных соединений участвуют в построении организма. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В составе белков к ним добавляются азот и сера, в составе нуклеиновых кислот - азот, фосфор, железо, участвующие в построении молекулы гемоглобина; магний находится в составе хлорофилла; медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах; йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы); натрий и калий обеспечивают электрический заряд на мембранах нервных клеток и нервных волокон; цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы - инсулина; кобальт находится в составе витамина В12.