Концепции современного естествознания

1. Выявление механизма реакции - установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);

2. Количественное описание химической реакции - установление строгих соотношений, которые бы удовлетворительно предсказывали изменение количества исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Для понимания основных закономерностей осуществления химического процесса необходимо изучение механизма его протекания. Исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число промежуточных стадий может быть очень велико - в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время существования промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии несколько секунд.

Накопление информации о механизме отдельных химических реакций позволит проводить их классификацию, и будет способствовать в дальнейшем созданию общей теории осуществления того или иного типа химической реакции. С другой стороны, выявление механизма конкретной химической реакции позволяет решать важную практическую задачу - выделение наиболее медленной элементарной стадии, которую принято называть лимитирующей, т.е. определяющей скорость всего химического процесса в целом.

Рассматривая механизм химических реакций, следует, прежде всего, иметь в виду, что характер взаимодействия существенно зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов. Реагенты и продукты, вместе взятые, образуют так называемую физико-химическую систему.

Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Системы, состоящие из одной фазы, называют гомогенными, а системы, содержащие несколько фаз - гетерогенными.

Определение механизма химической реакции является специальной задачей химической кинетики, которую решают, используя современные физико-химические методы исследования.

4. Реакционная способность веществ

Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции. В природе и в промышленности протекает огромное количество химических процессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов и включает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру, наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов и продуктов, если такие имеются в системе.

Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов. Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частиц реагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики - законом действующих масс. Этот закон распространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциям твердых веществ.

Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия очень чувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллической решетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционной способности твердых тел.

Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает в геометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокая температурная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числа молекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее число столкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастает только на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 - 400 %.

Чтобы объяснить наблюдаемые расхождения, С. Аррениус предположил, что влияние температуры сводится главным образом к увеличению числа активных молекул, т.е. молекул, столкновение которых приводит к образованию продукта (эффективного столкновения). Согласно С. Аррениусу, доля эффективных столкновений, равная отношению их числа к общему числу столкновений (n), изменяется с температурой.

Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протекания химических процессов - использование катализаторов. Напомним, что катализаторы - это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие - реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление - ингибирования.

Существуют два вида катализа - гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами.

Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы (обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты и индукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, которая всегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, не участвующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют с этими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхности катализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекул настолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются в активные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чем лучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакции удерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекул реагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.

Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого тела обусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ее активными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химики стремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью. Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Более важно - состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.

В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работы дезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественный химик А.П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную с процессами самосовершенствования катализаторов.

Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюции может показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» - задача не простая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными остановками развития.

Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами в области изучения механизма химических превращений, развитием химической кинетики. В 1951 году Б.П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию - окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия в сернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества, вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось. Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. До сих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородных растворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет появления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем в указанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений является базисная реакция.

В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями как химия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. В результате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаются на основании теоретических расчетов.

5. Проблемы самоорганизации в современной химии

Понятие самоорганизации имеет в эволюционной химии большое значение. Сложились два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Субстратный подход позволил получить информацию об отборе химических элементов и структур, который происходил в процессе самоорганизации предбиологических систем. На Земле из органогенов наиболее распространены только кислород и водород, распространенность других очень мала. В космосе господствуют два элемента - водород и гелий. Существенную роль в отборе химических элементов, способных к образованию прочных энергоемких связей, в первую очередь, сыграл углерод, который вмещает и удерживает внутри себя самые редкие химические противоположности, а также обладающие лабильностью органогены - азот, фосфор и сера, и элементы, которые являются центрами ферментов - железо и магний.

В ходе эволюции наряду с отбором химических элементов для биосистем осуществлялся также отбор химических соединений. Из небольшого числа органических веществ природа создала огромный мир растений и животных. Химики считают, что когда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция остановилась. Им очень важно понять, как происходила эта химическая подготовка, чтобы научиться у природы из менее организованных материалов создавать более организованные.

Функциональный подход к проблеме предбиологической эволюции характеризуется исследованием самоорганизации материальных систем, выявлением механизмов этих процессов. Такой подход преимущественно используется физиками и математиками, они рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики. Многие из них утверждают, что для функционирования механизмов самоорганизации природа систем никакой особой роли не играет: живые системы, даже интеллект, можно смоделировать и из металла.

Тот факт, что катализ сыграл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, в настоящее время подтверждается многими данными. Наиболее убедительные результаты, как мы уже видели, связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые проводили Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Эти реакции сопровождаются образованием новых структур, причем важное значение в них приобретают каталитические процессы, роль которых усиливается по мере усложнения структуры химических систем.

Основные понятия темы:

Атом - система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов.

Молекула - нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, обладающая определенной структурой и способностью к самостоятельному существованию.

Валентность - количественная характеристика, показывающая число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле.

Катализатор - вещество, влияющее на скорость химической реакции.

Катализ - ускорение химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.

Ингибирование - замедление химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.

Органогены - химические элементы, участвующие в создании и жизнедеятельности организмов.

Химическая связь - это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы.

Химическая кинетика - описание и объяснение химических процессов.

Тема 12. Проблемы и перспективы современной геологии

1. Основные этапы развития наук о Земле

Физические, космологические и химические концепции подвели нас вплотную к представлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразных свойствах. Исследователи и путешественники, наблюдатели и философы создали единую географическую картину мира, рисующую Землю как сложную систему, состоящую из различных, но взаимосвязанных элементов: горных пород и почвы, климата и воды, флоры и фауны.

Различные науки о Земле, имея один объект исследования - Землю, развиваются вместе, взаимно обогащая друг друга. Они тесно взаимодействуют с физикой, химией, биологией, на стыках, с которыми возникают новые научные направления, решающие задачу объяснения единства вещества Земли, баланса ее энергии, глобальных процессов, объединяющих различные сферы Земли, а также отдельные участки ее поверхности.

В становлении и развитии наук о Земле выделяют три этапа:

1.Доклассический (от античности до XVII века)

2.Классический (XVIII - первая половина XX века)

3.Неклассический (60-е годы XX века по настоящее время)

В первый период были выдвинуты идеи о шарообразности Земли и климатической зональности. Древние греки и римляне знали о поднятии и опускании суши, землетрясениях, вулканах и вулканической деятельности; о том, что полезные ископаемые зарождаются и находятся в недрах Земли. Они имели представление о многих горных породах и минералах, парагенезе, геологическом строении некоторых участков земной коры, об осадконакоплении и осадкообразовании, могли оценить последствия деятельности человека в «геологическом отношении».

Во второй период разрабатываются концепции активности Земли: нептунизм, плутонизм, катастрофизм, униформизм, актуализм, мобилизм и т.д. Согласно концепции нептунизма (А.Г. Вернер), все горные породы отложились в виде осадков из Всемирного океана. Плутонизм видел динамический исток всех явлений во внутреннем тепле Земли, вызывающем землетрясения и извержения вулканов. В этих концепциях активность Земли связывается с одной из геооболочек. Униформизм настаивал на том, что геологические явления в прошлом были такими же, как и в настоящее время. Сторонники актуализма считали, что, используя сравнительно-исторический метод, можно судить о прошлых геологических процессах.

В третий, неклассический, период фактуальный потенциал настолько возрос, что оказалась возможной концепция глобальной эволюции Земли. Согласно этой концепции, несколько миллиардов лет назад вокруг Солнца обращалось гигантское холодное газопылевое облако. Частицы, составлявшие первоначальную туманность, сталкивались друг с другом и образовывали холодные твердые сгустки, впоследствии ставшие планетами. Разогревание их произошло позже благодаря сжатию и поступлению солнечной энергии.

Теории эволюции Земли, то есть полного и непротиворечивого описания развития ядра и мантии Земли, океанической и континентальной коры, атмосферы, гидросферы и биосферы пока не существует. Имеется несколько направлений и школ, возглавляемых ведущими специалистами в области геофизики, геохимии и геологии. Сложность возникающих проблем, неоднозначность трактовки уже добытых фактов пока не позволяют соединить в единой картине данные, полученные при различных подходах.

2. История геологического развития Земли

Ученые разделяют историю Земли на длительные промежутки времени - эоны. Эоны - на эры, эры - на периоды, периоды - на эпохи, эпохи - на века. Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другой знаменовалось существенными преобразованиями лика Земли, изменением соотношения суши и моря, интенсивными горообразовательными процессами.

Геологическая история Земли делится на два эона: криптозойский и фанерозойский. Криптозойский (от греч. крипто - тайный, скрытый и греч. zoе - жизнь) эон - интервал времени (свыше 3000 млн. лет), в течение которого сформировались докембрийские толщи пород, лишенные явных остатков скелетной фауны. Он составляет 5/6 всего геологического летоисчисления. Фанерозой(от греч. фанеро - явный и zoе - жизнь), охватывает последние 570 млн. лет. Выделен в 1930 году американским геологом Дж. Чедвиком наряду с криптозойским эоном.

Самый древний этап в геологической истории Земли - катархей (ниже древнейшего) и архей (древнейший). Это время активной вулканической деятельности на планете. В отложениях этих эр остатки организмов практически не обнаружены. Горные породы архея представлены гнейсами (метаморфическая горная порода, состоящая из кварца, полевого шпата и слюды), кристаллическими сланцами, кварцитами.

На грани архейской и следующей за ней протерозойской (от греч. proteros - более ранний, первый; zoe - жизнь) эры в результате горообразовательных процессов произошло значительное перераспределение суши и моря на Земле.

Протерозой - огромный по продолжительности (около 2 млрд. лет) этап исторического развития Земли. Это эра возникновения жизни на Земле. Жизнь становится важным геологическим фактором. Живые организмы изменяют форму и состав земной коры. В результате фотосинтетической деятельности неузнаваемо изменился состав атмосферы. К этой эре относится образование крупнейших залежей железных руд (курские, криворожские) органогенного происхождения.

Между протерозойской и палеозойской эрами (около 600 млн. лет назад) происходил очередной период интенсивного горообразования. Вновь перераспределяются площади суши и моря на Земле. Накопленные в течение протерозоя мощные слои осадков в результате сжатий, поднятий дна моря превратились в горные породы.

Палеозойская эра (от греч. palaios - древний, zoe - жизнь) - первая эра фанерозойского эона. Продолжительность - около 240-350 млн. лет. Это эра активного горообразования. Животный мир развился от примитивных морских животных до наземных пресмыкающихся, а растительный - до хвойных растений. Из полезных ископаемых появляются каменный уголь, нефть, горючие сланцы, фосфориты.

Следующая эра - мезозойская (от греч. mesoa - средний, zoe - жизнь). Ее продолжительность - около 173 млн. лет. Это время интенсивного горообразования на периферии Тихого, Атлантического и Индийского океанов, эра господства гигантских пресмыкающихся на суше, в морях и в воздухе (динозавров, ихтиозавров и др.). Появляются многочисленные насекомые, костистые рыбы, птицы, млекопитающие, а из растений - лиственные деревья.

Около 60-70 млн. лет назад началась кайнозойская (от греч. kainos - новый, zoe - жизнь) и продолжается в настоящее время. Она характеризуется интенсивными горообразовательными процессами, неоднократными наступлениями моря на сушу и его отступлениями. Около 0,7 - 1,8 млн. лет назад произошло резкое изменение климата, сопровождавшееся мощным материковым оледенением, охватившим огромные площади в Евразии и Северной Америке. Накопление гигантских запасов льда на суше привело к существенному понижению уровня Мирового океана (на 60-70 м). В конце кайнозойской эры появился человек.

3. Внутреннее строение Земли

Современные концепции геосферных оболочек

Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твердого, жидкого и газообразного вещества, а также многие ее физико-химические свойства позволили для удобства ее исследования выделить внутри Земли и вокруг нее ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава. Впервые такой подход к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс. В своем трехтомном труде «Лик Земли» он обобщил представления предшественников о строении и развитии земной коры и назвал выделяемые по различным признакам концентрические оболочки Земли геосферами.

В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Земли и ее ядро. Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы недостаточно. Для их изучения применяются методы, основанные главным образом на способности световых, звуковых и ударных волн по-разному распространяться в различных сферах.

Центральная область Земли - ядро. Оно ограничено сферической поверхностью на глубине 2900 км. Вещество ядра обладает повышенной плотностью и электропроводностью. Радиус ядра 3470 км. Предполагают, что ядро состоит из двух частей: внутренней (радиусом 1300 км) твердой и очень плотной от огромного сжатия оболочки, состоящей из металлического железа, и внешней оболочки из расплавленных минералов с температурой 5000-6000о С.

83% объема Земли и 67 % ее массы составляет ее мантия. Верхняя граница мантии проходит на глубине от 5-10 до 70 км. Нижняя - на глубине 2900 км. Предполагается, что мантия Земли сложена в основном оливином - минералом, содержащим кремний, железо и магний. Благодаря высокому давлению вещество мантии, по - видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением атмосферы. Температура в мантии не превышает 2000-2500о С. С процессами в мантии Земли связаны тектонические движения земной коры, извержения вулканов и другие процессы.

Земная кора - твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км. Различают два вида земной коры - материковую или континентальную и океаническую.

Материковая земная кора состоит из трех слоев: верхнего осадочного, среднего «гранитного» и нижнего «базальтового», названных по их преимущественному составу. Мощность материковой коры - 35-40 км под равнинами и 70 км в области гор.

Океаническая земная кора не имеет «гранитного» слоя, а ее осадочный слой обладает меньшей мощностью по сравнению с материковой корой. Океаническая кора имеет мощность от 5 до 10 км.

Земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям. Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называется теорией неомобилизма. Ее появление относится к концу 60-х годов XX в. и вызвано сенсационным открытием на дне океана цепи горных хребтов, оплетающих земной шар. Ее длина превышает 72 тыс.км. Компьютерные программы, построенные на основе теории неомобилизма, позволили смоделировать динамические процессы, происходившие внутри Земли и на ее поверхности в относительно близкие эпохи прошлого.

Ученые считают, что геосферные оболочки возникли в результате дифференциации вещественного состава первичной Земли. Они отличаются по плотности и химическому составу.

Земную кору и верхний слой верхней мантии объединяют в общую твердую оболочку - литосферу. Общая ее мощность составляет, вероятно, 50-200 км. Она имеет важное значение, так как создает твердый слой на поверхности Земли, на котором возникает жизнь. Она содержит в себе полезные ископаемые, необходимые для жизни человека, имеет особый органический слой - почву, создающую условия для жизни растительных организмов, которые, в свою очередь, являются пищей для человека и животных.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21