KSE_Zhulanov_A_L

(производство сложных веществ методами химического синтеза). Структурная химия дает методы конструирования формул новых веществ, а на их основе синтезировать эти вещества. К настоящему времени синтезированы миллионы таких веществ, используемых в хозяйственной жизни, что позволяет экономить дорогостоящее сырье растительного и животного происхождения.

Кинетические теории. Следующей ступенью в химическом познании вещества стало изучение химических процессов, условий их протекания, механизмов и скоростей химических реакций. Этот раздел химии называется химической кинетикой.

Химические реакции зависят от ряда факторов: температуры, давления, концентрации реагентов. Поскольку реакции происходят на молекулярном уровне, то от названных факторов зависит частота соударений молекул и, следовательно, скорость реакций. В середине 19 в. была создана химическая термодинамика (термохимия), предметом которой стали закономерности химических процессов в зависимости от термодинамических условий (энергия, температура, давление, концентрация и др.). Ее основоположниками являются Г.И. Гесс и Я.Х. Вант-Гофф. Например, закон Гесса (1840 г.) гласит, что тепловой эффект химической реакции зависит только от природы исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от промежуточных химических превращений. Вант-Гофф открыл другие законы химической кинетики.

Оказалось, что многие реакции, рассчитанные на основе теории химического строения, либо неосуществимы при обычных условиях, либо требуют специфических исходных продуктов, которые редко встречаются в природе или требуют больших трудовых и экономических затрат для их производства (технические сельскохозяйственные культуры, животные жиры и пр.). Поэтому в химических производствах используются особые химические реакторы, в которых создаются необходимые термодинамические условия, но даже и эти дорогостоящие установки не всегда обеспечивают осуществление желательных процессов, либо оказываются нерентабельными. Выход из этой ситуации был найден

– это химический катализ. Были обнаружены вещества, которые могут делать химические реакции осуществимыми даже при обычных условиях или многократно увеличивать скорости реакций, но сами вещества в результате реакции не изменяются. Например, биологические катализаторы (ферменты) увеличивают скорости

121

биохимических процессов в клетке в миллионы раз, причем это происходит при температуре организма и атмосферном давлении. Характер действия катализаторов еще не вполне изучен, но в принципе его химическая роль состоит в следующем. Молекулы катализатора ослабляют химические связи между атомами молекул реагентов, образуют с ними промежуточные комплексы, которые вступают в связь с молекулами другого реагента, в результате чего образуется молекула нового вещества, а молекула катализатора высвобождается. Благодаря катализу созданы не только отдельные вещества, известные ранее и существующие в природе, но и классы принципиально новых веществ с заранее заданными свойствами (прочность, твердость, тугоплавкость, износоустойчивость и т. д.).

Появление химической кинетики положило начало процессу физикализации химии. Первым идею использования физических понятий в химии стал реализовывать М.В. Ломоносов. Однако плодотворная ее реализация стала возможна, когда физика достигла высокого теоретического уровня развития. Первым большим достижением на этом пути стала химическая термодинамика. Следующим – квантовая химия. Квантовая механика объяснила многие факты, эмпирически установленные химией, но не объясненные ею. Прежде всего – это понятие химического элемента. Современное понятие химического элемента: вид атомов, имеющих данный заряд ядра, соответствующий номеру элемента в таблице Менделеева. Семь периодов в системе элементов обусловлены наличием семи энергетических уровней электронной оболочки тяжелых элементов. Ключевым понятием химии является валентность, природа которой была непонятна на протяжении всей истории химии. Способность атомов образовывать химические соединения вполне определенного состава объяснялась наличием особого «химического сродства» одних элементов к другим. Такое объяснение мало отличается от натурфилософского представления Эмпедокла, согласно которому «любовь» объединяет элементы, а «вражда» их разделяет. Оказалось, что валентность элемента определяется количеством электронов во внешней электронной оболочке (их может быть от одного до восьми). Поэтому наибольшую химическую активность проявляют элементы седьмой группы (фтор, хлор и др.), которым недостает одного электрона до восьми, и металлы первой группы, которые легко отдают единственный электрон, а элементы восьмой группы являются инертными газами.

122

Строение электронных оболочек атома прояснило также природу химической связи. Отдавая электроны наружной оболочки, атом становится положительно заряженным ионом (катионом), а присоединивший эти электроны атом – отрицательно заряженным ионом (анионом). Возникающие между противоположно заряженными ионами кулоновские силы электрического притяжения

иобусловливают возникающую химическую связь атомов в молекуле, называемую ионной. Например, в молекуле хлористого натрия атом натрия отдает, а атом хлора присоединяет один электрон,

ивозникающая ионная связь обеспечивает стабильность этой молекулы. В другом виде химической связи – ковалентной – происходит как бы обобществление пар валентных электронов, в результате чего между положительно заряженными ядрами атомов образуется область, заполненная электронами. В результате возникающие силы притяжения между ядрами и парами валентных электронов превосходят силы отталкивания между ядрами, поскольку

расстояние между ядрами больше расстояния между ядром и отрицательным зарядом, а, как известно, кулоновские силы убывают пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Поэтому силы притяжения превосходят силы отталкивания, что и обеспечивает стабильность молекулы на основе ковалентной связи. Ковалентные связи обычно существуют в молекулах, образованных из одинаковых атомов.

Еще одним направление развития химии является биохимия, или химия живого. Химический подход к явлениям жизнедеятельности организмов позволил понять природу таких явлений, как обмен веществ, наследственность, строение белка, высшая нервная деятельность, объяснить происхождение самой жизни на основе физико-химических процессов ранней истории Земли. Учение о катализе стало ключом к познанию функционирования клетки как структурной единицы живого. Успехи биохимии привели к постановке новых проблем в самой химии, например, проблеме химической эволюции в природе. Химия стоит на пороге нового этапа своего развития – эволюционной химии как учения о самоорганизации каталитических систем.

Итак, обобщая сказанное, можно дать краткую характеристику химической картины мира: природа, с точки зрения химии, представляет собой гигантское многообразие химических соединений (около 8 млн, из них около 7,7 млн, т.е. 96 %,

123

органические). Причем это многообразие есть результат длительных эволюционных процессов, в ходе которых происходил естественный отбор, приведший к возникновению органических соединений на основе атома углерода. Он обладает уникальным химическим свойством: образовывать в соединении с другими элементами специфические структуры – кольца или цепи, из которых образуются макромолекулы, а это уже мост для перехода от неживого к живому.

3.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

В истории Земли выделяют отрезки времени, характеризующиеся процессами накопления определенных толщ горных пород, формирования физико-географических комплексов (материков и океанов), а также развития растительного и животного мира. Для описания хронологической последовательности этих процессов было создано геологическое летоисчисление (геохронологическая шкала). Для определения абсолютного возраста горных пород используются радиогеологические методы, основанные на изучении конечных продуктов естественного распада радиоактивных элементов. Существуют свинцовый, гелиевый, ксеноновый, радиоуглеродный и другие методы, различающиеся характером конечных продуктов распада.

Геохронологическая шкала. Историю Земли подразделяют на эры, эры – на периоды, периоды – на века.

Катархей – самая древняя эра продолжительностью свыше одного млрд лет (4,8 млрд лет – 3,6 млрд лет). Это догеологический период истории Земли, период ее формирования как планеты.

Архей – древняя эра (3,6 млрд лет – 2,6 млрд лет) продолжительностью около 1 млрд лет, время формирования ядер будущих континентов, период биохимической эволюции органического вещества и зарождения жизни.

Протерозой (2,6 млрд – 570 млн лет) – эра древнейшей жизни продолжительностью около 2 млрд. лет.

Палеозой (570 – 230 млн лет) – эра древней жизни, подразделяемая на 6 периодов: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь.

Мезозой (230 – 67 млн лет) – эра «средней» жизни, включающая 3 периода: триас, юра, мел.

124

Кайнозой (67 млн лет – наше время) – эра «новой» жизни, состоящая из трех периодов: палеогеновый, неогеновый, четвертичный.

Архейскую и протерозойскую эры объединяют в криптозойский эон (греч. kryptos – тайный, скрытый) – интервал времени продолжительностью около 3 млрд лет, когда сформировались толщи пород, лишенные явных остатков скелетной фауны (время скрытой жизни). Три последние эры (палеозой, мезозой и кайнозой) объединяют в фанерозойский эон (греч. phaneros

– явный) – этап геологической истории, когда сформировались породы, богатые остатками разнообразных организмов (время распространения разнообразных форм жизни).

Эта шкала позволяет в едином временном масштабе описывать историю различных сторон нашей планеты: геологическую, географическую, биологическую и антропологическую.

Происхождение планеты Земля. Чем была Земля в течение первого периода своего существования? Согласно одной из гипотез (гипотезе «горячего» происхождения), она представляла собой раскаленный сгусток вещества (планетезималь), в котором по мере его охлаждения и конденсации начались сложные физикохимические процессы, вызывавшие бурную тектоническую и вулканическую деятельность. В ее результате образовалась первичная атмосфера, состоявшая из водяного пара, углекислого газа, метана, аммиака, сероводорода и других газов (молекулярного водорода, аргона). В результате охлаждения наружных слоев планеты до температуры порядка 1000 0 С возникла земная кора, при понижении температуры атмосферы менее 100 0 С началась конденсация водяного пара, и образовался первичный океан.

Согласно гипотезе «холодного» происхождения, Земля первоначально образовалась как сгусток газопылевой туманности, который впоследствии разогрелся за счет энергии гравитационного сжатия до температуры плавления вещества. В результате создались условия для протекания разнообразных химических реакций, и как следствие, образования горных пород, что вызвало тектонические процессы, т.е. вертикальные и горизонтальные перемещения больших масс вещества, конвективные процессы переноса тепла из внутренних слоев к поверхности. Это привело к бурной вулканической деятельности, следствием чего стало образование атмосферы и гидросферы Земли. Другим источником тепла стала энергия,

125

выделяемая в ходе радиоактивного распада элементов, и энергия химических реакций, протекающих в недрах Земли.

Физико-химические процессы, происходящие в ее недрах, а также довольно быстрое суточное вращение обусловили дифференциацию земного вещества, вследствие чего более тяжелые вещества опустились вниз и вытеснили легкие вещества в верхние слои планеты. Так в теле Земли образовались внутренние геосферные оболочки (кора, мантия, ядро). Этот, догеологический, этап истории Земли, то есть период ее формирования как планеты, продолжался около 1 млрд. лет и теперь называется катархеем. Тектонические процессы продолжаются и ныне, что проявляется в изменениях рельефа земной коры, землетрясениях и извержениях вулканов. Современный облик Земли сложился, по геологическим меркам, совсем недавно, в мезозойскую эру, т.е. около 150 млн лет назад.

Форма Земли. Натурфилософские представления о форме Земли были представлены двумя моделями. Первая, выдвинутая Милетской школой, изображала Землю в виде цилиндра, или диска, плавающего в Мировом океане. Однако если бы она была плоской, высота небесных тел в любой точке ее поверхности должна была бы быть одинаковой. Другая модель – пифагорейская – утверждала сферичность Земли, но эта модель основывалась на чисто умозрительных соображениях. Для пифагорейцев сфера и круг – это идеальные (самые совершенные) геометрические фигуры, поэтому космос, Земля и другие небесные тела должны быть сферичными, а траектории их движения – круговыми.

Как говорилось ранее, научное познание в этом вопросе началось с Аристотеля, доказавшего сферичность Земли. Вновь этот вопрос стал предметом изучения в 17 в. Декарт предложил такую гипотезу: Земля – это эллипсоид вращения, у которого большая ось совпадает с осью вращения планеты (то есть Земля вытянута вдоль полярной оси). Ньютон, опираясь на законы механики, обосновал другую идею: Земля – эллипсоид вращения, в результате действия центробежных сил инерции вытянутый в экваториальной области и приплюснутый у полюсов, то есть полярная ось у него меньше экваториальной. Геодезические исследования, проведенные по инициативе Парижской Академии наук на рубеже 18-19 вв. в различных географических регионах (от Северной Скандинавии до Испании), подтвердили правоту Ньютона.

126

По современным представлениям, Земля имеет форму геоида, средний радиус которого равен 6371 км. (Геоид – это идеальная, то есть воображаемая, геометрическая фигура, близкая к эллипсоиду. Если бы поверхность Земли выровнялась и покрылась сплошным слоем воды, то поверхность образовавшегося океана стала бы физической моделью геоида). Полярный радиус Земли меньше экваториального на 21 км. Площадь поверхности Земли составляет 510 млн км2 , из которых около 71% занимает Мировой океан. Площадь суши - 149 млн. км2 , из них под сельскохозяйственными угодьями занято всего около 10%.

Строение Земли. В процессе формирования Земли, картина которого, как отмечалось ранее, еще однозначно не установлена, образовались три внутренние оболочки (геосферы): земная кора, мантия, ядро, и две внешние: гидросфера и атмосфера.

Изучение внутренних геосфер затруднено из-за технической невозможности проникновения в глубины Земли. Например, бурение самой глубокой в мире скважины – Кольской, имевшей проектную глубину 15 км (а это составляет всего 0,002 земного радиуса), было рассчитано на 15 лет, но проект не был реализован полностью (достигнута глубина 12 261 м). Но и на достигнутых глубинах при температуре выше 2000 С и давлении свыше 3 000 атм. перегретая вода с растворенными в ней минеральными солями подобна сильным кислотам. Так что этот путь изучения внутренних областей Земли лишен перспектив. Поэтому наукой используются косвенные, геофизические, методы, основанные на знании физических свойств вещества. Наиболее важными являются сейсмические методы (греч. seismos – колебание), основанные на изучении скоростей распространения упругих колебаний (волн) в теле Земли при землетрясениях или искусственных взрывах. Волны бывают продольные и поперечные. Чем выше упругость, твердость, плотность вещества, тем выше скорость распространения колебаний. При сильных землетрясениях продольные волны проходят через всю толщу Земли. Поперечные волны имеют меньшую скорость, а в жидких средах не распространяются вообще. Эти свойства упругих колебаний и используют геофизики.

Сейсмические исследования обнаружили в теле Земли зоны, где происходит скачкообразное изменение скорости распространения волн. Эти скачки скоростей волн и послужили основанием для выделения как основных внутренних геосфер, так и их зон. Перепады

127

скоростей между зонами менее резкие, чем между геосферами. Первый скачок скорости от 6,5 км/с до 7,8 км/с связан с переходом от земной коры к мантии, второй – от 13,6 км/с до 8,5 км/с – от мантии к земному ядру. Первый сейсмический раздел назван в честь открывшего его югославского геофизика А. Мохоровичича границей Мохо.

Земная кора составляет 1,2% объема планеты и 0,4% ее массы. Мощность земной коры меняется от 5-6 км в Тихом океане до 10-15 км в Атлантическом и Индийском океанах, от 30-40 км в равнинной части материков до 70-80 км – в горной части. Возраст и структура коры в материковой и океанической частях также значительно отличаются. Древнейшими, по современным данным, являются горные породы Земли Эндерби в Антарктиде возрастом 4,2 млрд лет (катархей), в то время как возраст коры океанов не превышает 250 млн лет (мезозойская эра). В материковой части кора состоит из трех слоев: осадочного (верхнего мягкого слоя различных веществ: глин, песчаников и известняков), гранитного и базальтового. В океанической части гранитный слой отсутствует. Химический состав коры следующий (в %): O – 47; Si – 29,5; Al – 8,05; Fe – 4,65; Ca – 2,96; Na – 2,5; K – 2,5; Mg – 1,87; все остальные элементы – 0,97.

Таким образом, восемь химических элементов определяют химическую природу земной коры. Если процентное содержание химических элементов перевести в абсолютные величины, то получается следующее. В 1 км3 горных пород содержится 230 млн т алюминия, 130 млн т железа, 260 тыс. т меди, 100 тыс. т свинца. В слое земной коры до глубины 16 км вода составляет 12-15% ее массы. Таким образом, земная кора содержит практически неисчерпаемый запас минеральных ресурсов для хозяйственной деятельности человека. Проблемой является способ их использования.

Мантия, состоящая преимущественно из силикатов (соединений кремния с кислородом), составляет 83% объема и 68% массы Земли и имеет температуру 2000-25000 С. В ней выделяются верхняя мантия (до глубин 900 км) и нижняя (до глубины 2900 км), различающиеся скоростью прохождения волн (от 7,8 до 13,6 км/с) и плотностью вещества (от 3,3 до 5,7 г/см3 ). Вещество мантии находится в твердом состоянии.

В середине 20 в. в геологию введены понятия литосферы и астеносферы. Сейсмическими исследованиями установлено, что на

128

глубинах порядка 150-200 км находится слой вещества мантии, отличающийся пониженной твердостью и вязкостью – астеносфера. Толщина этого слоя может меняться от 150 до 300 км. Предполагается, что веществом астеносферы является расплавленный базальт. Наличие астеносферы создает возможность погружения участков земной коры, что ведет к изменению ее рельефа. При появлении в теле мантии разломов, трещин давление в этих областях уменьшается, и вещество мантии переходит в жидкое состояние. Такое вещество в виде раскаленной магмы изливается на поверхность Земли при извержениях вулканов. Магматические очаги формируются на глубинах около 60 км.

Наружный слой Земли, включающий земную кору и верхний слой мантии, простирающийся до астеносферы, называется литосферой. Литосфера не образует цельной оболочки, а распадается на отдельные блоки – литосферные плиты, которые способны горизонтально перемещаться по поверхности астеносферы со скоростью 5–10 см в год, вызывая дрейф материков. Это явление в 1912 г. открыл А. Вегенер. На его основе была сформулирована геологическая гипотеза мобилизма, ныне превратившаяся в концепцию новой глобальной тектоники (тектоники литосферных плит). Она вытеснила прежде господствовавшую в геологии концепцию фиксизма (Э. Зюсс и др.), согласно которой континенты незыблемо зафиксированы на поверхности Земли. Крупных литосферных плит семь: Евразийская, Тихоокеанская, Североамериканская, Южноамериканская, Африканская, Индийская, Антарктическая.

Ядро находится на расстоянии 2900 км от поверхности Земли, имеет радиус 3471 км и температуру 4000-50000 С. Оно составляет 16% объема Земли и 31% ее массы. В нем выделяют внешний слой толщиной 2100 км, находящийся в жидком состоянии, поскольку через него не проходят поперечные волны, и твердое внутреннее ядро радиусом 1371 км. Плотность вещества ядра увеличивается от 10-11 г/см3 во внешнем слое до 17,9 г/см3 во внутренней части. Основным материалом ядра является никелистое железо. Именно этот материал формируется в космосе в огромных количествах при взрывах звезд. Таким образом, наибольшая часть железа Земли содержится в ее ядре.

Гидросфера – совокупность океанов, морей, рек, озер, водохранилищ и т.д. Мировой океан образовался около 4 млрд лет

129

назад, его средняя глубина составляет 3700 м. Притом, что гидросфера занимает подавляющую часть поверхности Земли, масса вод составляет ничтожную часть массы всей Земли.

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней и удерживаемая ее притяжением. В зависимости от распределения температур в атмосфере выделяют следующие слои. Нижний слой – тропосфера – имеет высоту от 8-10 км (в полярных областях) до 16-18 км (в тропических). Будучи самым тонким слоем атмосферы, она содержит около 80% всего атмосферного воздуха и большую часть водяных паров. Стратосфера простирается до высот порядка 50 - 55 км. Температура воздуха в ней повышается от -400 С до 00 С. Следующий слой – мезосфера – достигает высот 80-85 км, и температура в нем падает до -900 С. Термосфера – слой высотой до 800 км, характерен тем, что при весьма разреженном воздухе температура в нем поднимается до значений порядка 15000 С. Наружный слой атмосферы – экзосфера, простирающаяся до 2000 км. Под действием космических лучей температура газа может возрастать до 15 0000 С, а скорость молекул – до 11,2 км/с. Из этого слоя легкие газы (прежде всего, водород) улетучиваются в космическое пространство.

Газовый состав атмосферы и ее плотность существенно изменяются по мере удаления от земной поверхности. В нижних слоях атмосферы азот составляет примерно 78%, кислород – 21%, аргон – чуть менее 1%, углекислый газ – 0,04%, доля других газов ничтожна. На высоте 20-25 км находится озоновый слой, предохраняющий живые организмы от ультрафиолетового излучения. Доля озона в составе атмосферы - от 0,001 до 0,0001%. Если бы этот слой находился у поверхности Земли, то, учитывая более высокое атмосферное давление и, соответственно, более высокую плотность газа, он имел бы толщину около 3 мм.

Химический состав атмосферы юной Земли коренным образом отличался от современного. Первичная атмосфера была восстановительной, а теперь является окислительной. Молекулярный кислород и азот, отсутствовавшие в первичной атмосфере, возникли в результате жизнедеятельности организмов и теперь составляют 99% ее объема. На долю остальных газов приходится всего 1%, но в эту долю входят такие жизненно необходимые газы, как водяной пар, углекислый газ, озон.

130