Курс по концепции современного естествознания

Периодическая система химических элементов —

естественная классификация химическихэлементов, являющаяся табличным выражением периодического закона Д. И. Менделеева.

Д. И. Менделеев 1 марта 1869 г. составил таблицу Периодической системы химических элементов.

Сначала таблица носила название естественной, а в 1871 г. была переименована в периодическую.

Структура таблицы постоянно менялась. Сначала

вней насчитывалось всего 62 элемента, затем вдвое больше. В 1930-е гг. система заканчивалась ураном. Дальнейшееразвитиепериодическойсистемысвязано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались все новые и новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоактивныеэлементы. ЗавсюисториюПериодическойсистемыбылоопубликованоболее50 различных вариантов ее изображения.

Периодическая система представляет собой таб-

лицу, которая состоит из периодов (горизонтальных рядов) и групп (вертикальных столбцов) элементов. Номер группы в периодической системе определяетчисло валентныхэлектронов атомахэлементов.

При этом в группах, обозначенных буквой А, со-

держатся элементы, в которых идет заселение s- и р-подуровней — s-элементы (IA- и IIA-группы) и р-элементы (IIIA–VIIIA-группы), а в группах, обозна-

ченных буквой Б, находятся элементы, в которых заселяются d-подуровни — d-элементы. Поскольку

вкаждом большом периоде должно находиться по 10 d-элементов (у которых заполняются пять d-орбиталей), то Периодическая система должна содержать 10 соответствующих групп.

Однако традиционно используется нумерация групплишьдовосьми, поэтомучислогруппd-элемен- тов расширяется за счет введения дополнительных цифр— это IБ–VIIБ, VIIIБ0, VIIIБ1 и VIIIБ2-группы. Для f-элементов номеров групп не предусмотрено. ОбычноихусловнопомещаютвячейкиПериодическойсистемы, отвечающие лантану(лантаноиды) и актинию (актиноиды). Символылантаноидов и актиноидов выносятся за пределы Периодической системы в виде отдельных рядов.

Каждый элемент в Периодической системе имеет свои определенные координаты: номер периода и номер группы. По этим координатам можно не только найти элемент в таблице Д. И. Менделеева, но и

построитьегоэлектроннуюконфигурацию, учитывая физический смысл значения чисел, соответствующих номерам периода и группы, а также наличие буквы в номере группы, определяющей принадлежностьэлемента к секциям s- и p-элементов или d-элементов.

53 Химические процессы

Химический процесс всегда был в центре внимания химиков. Однако понимание его сущности стало возможным лишь в конце XIX в., а современное представление отом, чтотакое химический процесс, сложилось в 1950-х гг.

Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, напри-

мер, как температура поверхности Солнца, то многие молекулыникогдабынеобразовалисьиз-заслишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга), а если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, об-

разовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили.

Температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чемубольшинствосоединенийможетсуществоватьв течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщаютпостоянные изменения окружающей среде и создаюттем самым возможностьжизни. Химический процесс — горение угля — является простейшейформойвыделенияхимическойэнергии. Углерод угля и кислород воздуха образуют углекислый газ— диоксид углерода.

Кусок угля — это совокупность атомов углерода, расположенныхв правильном порядке, т.е. кристалл углерода. Кислород воздуха состоитиз молекул кис-

лорода. Поэтому химическая реакция горения угля

имеет вид:

C + O2 = CO2.

Эта реакция происходит в два этапа: сначала раз-

рывается связьв молекуле О2, а затемдва атома кислорода присоединяются к углероду.

Первый этаптребуетзатратэнергии. При обычных температурах тепловой энергии недостаточно для расщепления молекулы кислорода на два атома, как

втех случаях, когда уголь соприкасается с воздухом без горения. Но если подвеститеплотуотзажженной спички или горящей щепки, то реакция начнется.

На втором этапе при образовании СО2 выделяется больше энергии, чем требуется для расщепления О2. Поэтомуэнергия, необходимаядлядальнейшегорас-

щепления О2, поставляется самим процессом горения.

Таким образом, при горении угля большая часть энергии выделяется в видетеплоты, а частьэнергии, высвобождаемойнавторомэтапе, идетнаинициирование дальнейших реакций. Полезная теплота равна избыткуэнергии, выделяющейсянавторомэтапе, над энергией, потребной для первого этапа.

Химические реакции, производящие энергию, всег-

да начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергияхсильной и сла-

бой связи. Молекулы СO2 и воды имеют прочные связи; то же можно сказать о большинстве молекул,

вкоторых атомы связаны с кислородом.

54 Химия наследственности

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это чрезвычайнодлинные полимерные цепи, состоящие из многих тысяч соединенных друг с другом мономерныхединиц— дезоксирибонуклеотидов четырех разныхтипов, образующих характерные для каждого организма специфические последовательности.

Молекулы ДНК обычно состоят из двух частей.

Функции ДНК состоят в том, что она хранит запас генетическойинформации, необходимойдлякодирования структуры всех белков и всех РНК (рибонуклеиновых кислот) каждого вида организма, регулирует во времени – пространстве биосинтез компонентов клеток итканей, определяетдеятельностьорганизма в течение его жизненного цикла и обеспечивает индивидуальностьданного организма.

ВклеткахсодержитсяРНКтрехосновныхклассов:

матричная, рибосомная и транспортная. Они пред-

ставляют собой одноцепочечные полирибонуклео-

тиды, для которых характерна строго определенная молекулярная масса, специфическая нуклеотидная последовательностьи определенная биологическая функция.

Строительным блоком нуклеиновыхкислотявляют-

ся нуклеотиды. Нуклеотиды состоят из трех компо-

нентов: азотистого основания, пектозы и фосфорной кислоты.

Известно пять азотистых оснований: аденин, гуа-

нин, цитозин, тимин, урацил, при этомтимин встречается часто в ДНК, а урацил— в РНК.

История ДНК начинается с Ф. Мишера, который провел систематическое исследование клеточного ядра. Однако первое прямое доказательство того,

чтоДНК— носительгенетическойинформации, было получено только в 1940-е гг. Было обнаружено, что четыре основания встречаются в ДНК разных организмов в разных соотношениях и что между осно-

ваниями существуетопределенная количественная связь:

1)препараты ДНК, выделенные из разных тканей одногоорганизма, имеютодинаковыйнуклеотидный состав;

2)нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен;

3)нуклеотидный состав ДНК у данного вида не меняется с возрастом;

4)было обнаружено соотношение: Г + Ц = Т + А.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили трех-

мерную модель ДНК. Модель состоит из двух цепей ДНК, закрученных в спираль вправо вокруг одной и той же оси с образованием двойной спирали.

Дуплекс образуется за счет водородных связей междукомплементарными образованиями, а гидро-

фильный сахарофосфатный остов располагается с наружной стороны макромолекулы.

Комплементарностьцепей в двойной спирали по-

зволяет понять механизм ихточной репликации. Структурные гены— это участки ДНК, с помощью специальных методов были определены нуклеотидныепоследовательностирядагеновивирусныхДНК.

Многообразие живыхорганизмов—

55основа организации иустойчивости биосферы

ВХХ в. Л. Пастер произвел настоящую революцию

вструктурном строении живого, он обнаружил дис-

симметрию, выразившуюся:

1) в оптической активности веществ биологического происхождения; 2) в факторах, вызывающих диссимметрию моле-

кул. Структурой, обеспечивающей целостность биологического объекта, является структура на уровне пространственной организации вещества живых систем, т.е. асимметрия его молекул, стольхарактерная для всех проявлений жизни.

Клетка располагает всеми признаками живого (са-

мовоспроизведением, саморегуляцией, информативностью), в ней осуществляются процессы обмена веществ и превращение энергии.

Основнымсоставляющимклеткивыступаютбелки,

нуклеиновые кислоты, аминокислоты, липиды, углеводы и т.д.

У всех живых организмов имеются свои особые молекулы белков, сильно различающиеся по массе, содержанию остатков аминокислоти порядкуихрасположения.

Нуклеиновые кислоты выступаютхранителями наследственной информации и, кроме того, регулируют образование белков-ферментов, отвечающихза процессыобменавеществ(ДНКявляетсяхранителемнаследственной информации, РНК помогает передаче генетической информации в процессе биосинтеза). Носуществуютинестандартныетеории, например

теория Э. Шредингера, которая определяет структурное основание живого в виде атома. Наиболее

существенную часть живой клетки — хромосомную нить— можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом, он выступает материальным носителем жизни. Э. Шредингер отмечает, что сам принцип дискретности, прерывистости наследственности, лежащий в основе теории гена, очень созвучен атомарной теории строения вещества. Он отмечает удивительную регулярность и упорядоченность событий в жизненном цикле организма; строгость, закономерную устойчивость активной структуры жи-

вого, т.е. факторы, которыеещененаходятдолжного

объяснения.

Закономерностиновыхуровнейнесводимыкзакономерностямуровней, набазекоторыхонивозникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней материи на низшие.

Каждый уровень материи обладает своей каче-

ственной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы представлены не в «чистом», а в синтезированном («снятом») виде. Например, нельзя перенести законы животного мира на общество, даже если на первый взгляд кажется, что в нем господствует «закон джунглей». Хотя жестокость человека может быть несравненно больше жестокости хищников, тем не менее хищникам незнакомытакие человеческие чувства, как любовь, сострадание.

Целостность — полная характеристика объектов, которые обладают сложной внутренней структурой (например, индивид, общество, биологическая популяция, клетка и т.д.).

Полная характеристика представляет собой вну-

треннюю активностьобъектов: ихинтегрированность, самодостаточность, а также противопоставленность окружению. Целостность характеризует их каче-

ственноесвоеобразие, обусловленноеприсущимиим специфическими закономерностями функционирования и развития.

Объект, который включаетв себя все свойства, также можетназываться целостностью, либо емубольше приписывают понятие и синоним целостности.

Указанные характеристики следует понимать в относительном, а не в абсолютном смысле, поскольку сам объект обладает множеством связей со средой, существует на самом деле лишь в единстве с ней; крометого, представленияоцелостностикакого-либо объекта исторически преходящи, обусловлены предшествующим развитием научного познания данного объекта.

Если рассматривать целостность отдельного орга-

низма в биологии, то такое рассмотрение считается недостаточным, поэтому происходит рассмотрение такой целостности, как биоценоз.

Методологическое значение представления о це-

лостностисостоитвуказаниинанеобходимостьвыявления внутренней детерминации свойств целостного объекта и на недостаточность объяснения специфики объекта извне (исходя, например, из условий окружающей среды).

В современной науке понятие целостности высту-

пает как один из основных компонентов системного подхода.

Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие частиицелогосостоитвтом, чтооднопредполагаетдругое, ониединыидругбездругасуществоватьнемогут.

Не бывает целого без части и нет частей вне целого.

Частьприобретаетсвойсмыслтолькоблагодаряцеломутак же, как и целое есть взаимодействие частей.

Вовзаимодействиичастиицелогоопределяющая роль принадлежит целому. Однако это не означает,

что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого.

Подчиняясь в общем системе целого, части со-

храняют свою относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой — они сами являются своеобразными целостными структурами, системами. Например, факторами, обеспечивающими целостность систем в неживой природе, являются ядерные, электромагнитные идругие силы, в обществе— производственные отношения, политические, национальные и т.д.