Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

Классический пример неполярной ковалентной связи (разность электроотрицательностей равна нулю) наблюдается у гомоядерных молекул: H–H, F–F. Энергия двухэлектронной двухцентровой связи лежит в пределах 200–2000 кДж∙моль–1.

 

При образовании гетероатомной  ковалентной связи электронная  пара смещена к более электроотрицательному  атому, что делает такую связь  полярной. Ионность полярной связи в процентах вычисляется по эмпирическому соотношению 16(χA – χB) + 3,5(χA – χB)2, где χA и χB – электроотрицательности атомов А и В молекулы АВ. Кроме поляризуемости ковалентная связь обладает свойством насыщаемости – способностью атома образовывать столько ковалентных связей, сколько у него имеется энергетически доступных атомных орбиталей. О третьем свойстве ковалентной связи – направленности – речь пойдет ниже (см. метод валентных связей).

 

Ионная связь – частный  случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит  более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой  для выделения этой связи в  отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной  притяжением положительных и  отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские  силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул. В газообразном состоянии NaCl имеет дипольный момент ~3∙10–29 Кл∙м, что соответствует смещению 0,8 заряда электрона на длину связи 0,236 нм от Na к Cl, т. е. Na0,8+Cl0,8–.

 

Металлическая связь возникает  в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

дородная связь. Ее образование  обусловленно тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20–100 кДж∙моль–1. Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла (рис. 3.3).

 

Молекулы карбоновых кислот в неполярных растворителях димеризуются за счет двух межмолекулярных водородных связей

Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических  макромолекулах, таких неорганических соединениях как H2O, H2F2, NH3. За счет водородных связей вода характеризуется столь  высокими по сравнению с H2Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при –100 °С, а кипела при –80 °С.

 

Ван-дер-ваальсова (межмолекулярная) связь – наиболее универсальный вид межмолекулярной связи, обусловлен дисперсионными силами (индуцированный диполь – индуцированный диполь), индукционным взаимодействием (постоянный диполь – индуцированный диполь) и ориентационным взаимодействием (постоянный диполь – постоянный диполь). Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2–20 кДж∙моль–1.

 

Химическая связь в  твердых телах. Свойства твердых  веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки  и типом взаимодействия между  ними.

 

Твердые аргон и метан  образуют атомные и молекулярные кристаллы соответственно. Поскольку  силы между атомами и молекулами в этих решетках относятся к типу слабых ван-дер-ваальсовых, такие вещества плавятся при довольно низких температурах. Большая часть веществ, которые  при комнатной температуре находятся  в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы.

 

Температуры плавления  ионных кристаллов выше, чем атомных  и молекулярных, поскольку электростатические силы, действующие между ионами, намного превышают слабые ван-дер-ваальсовы силы. Ионные соединения более твердые и хрупкие. Такие кристаллы образуются элементами с сильно различающимися электроотрицательностями (например, галогениды щелочных металлов). Ионные кристаллы, содержащие многоатомные ионы, имеют более низкие температуры плавления; так для NaCl tпл. = 801 °C, а для NaNO3 tпл = 306,5 °C.

В ковалентных кристаллах решетка построена из атомов, соединенных  ковалентной связью, поэтому эти  кристаллы обладают высокими твердостью, температурой плавления и низкими тепло- и электропроводностью.

 

Кристаллические решетки, образуемые металлами, называются металлическими. В узлах таких решеток находятся  положительные ионы металлов, в межузлиях – валентные электроны (электронный газ).

 

Наибольшую температуру  плавления из металлов имеют d-элементы, что объясняется наличием в кристаллах этих элементов ковалентной связи, образованной неспаренными d-электронами, помимо металлической, образованнной s-электронами.

54) Точка Пастера

 

Биологические базы данных

 

    

Согласно гипотезе "кислородного контроля" Беркнера и Маршалла, содержание кислорода в земной атмосфере вплоть до начала фанерозоя (540 млн лет назад) было ниже точки Пастера (имеется в виду I % от его современного количества) и не допускало существования более высокоорганизованных форм жизни, чем водоросли. Поскольку позже было установлено, что точка Пастера в действительности была пройдена гораздо раньше (более чем за миллиард лет до времени появления первых многоклеточных), причинная связь между этими явлениями была отвергнута, и о гипотезе "кислородного контроля" забыли. Как выяснилось позднее, напрасно.

 

Дело в том, что однопроцентный уровень содержания кислорода (имеется  в виду I % от его современного количества) это тот критический минимум, ниже которого аэробный метаболизм принципиально  невозможен; однако для жизнедеятельности  макроскопических животных кислорода  необходимо существенно больше.

55) Как известно, земная атмосфера, по своему составу, не всегда была такой, какой мы ее знаем сегодня. На протяжении истории Земли эволюционировало все живое на планете, также, происходила и эволюция земной атмосферы. Каковы же были причины, приведшие к кислородной революции, которая, в древние времена погубила большинство организмов, существовавших, на тот момент, на планете.

 

Новорожденная планета, представлявшая собой огненный шар была укутана совсем иной по составу атмосферой.

 

Граница между атмосферой Земли и космоса находится  на расстоянии 100 км от уровня моря. Но некоторые ученые утверждают, что  она распространялась до 2000 км от уровня моря.

 

Разберемся в понятиях. Что же такое атмосфера. Атмосферой называется газовая среда, вращающаяся  вместе с планетой. В течение миллиардов лет свойства и состав атмосферы менялся и стабилизировался лишь 50 миллионов лет назад, что по космическим меркам, совсем недавно)).

 

Изначально, планета была окружена атмосферой состоящей из гелия  и водорода. Такой состав атмосферы  сохранялся около миллиарда лет. Но во время извержений вулканов в  нее выбрасывался аммиак, метан и  диоксид углерода. А после дождей вода, в виде пара поднималась в  атмосферу. Ультрафиолетовые лучи разлагали  водяной пар на кислород и водород.

 

Эволюция земной атмосферы  продолжалась довольно долго. Аммиак начал  разлагаться в атмосфере на водород  и азот. При этом водород улетучивался в космос. А вот азот оставался  в атмосфере и со временем стал ее главным компонентом. Первыми  обитателями планеты стали одноклеточные  организмы, которым не нужен был  кислород.

 

С появлением водорослей содержащих хлорофилл началась кислородная  революция в атмосфере Земли. Произошло это около 2,4 миллиарда  лет назад. Водоросли в процессе фотосинтеза стали поглощать  углекислый газ и выделять кислород. В течение сотен миллионов  лет кислород концентрировался в  океане. Покинув воду, кислород стал насыщать собой атмосферу. Благодаря  этому стал формироваться озоновый слой планеты. Концентрация кислорода  в воде и воздухе достигла современного уровня приблизительно 540 миллионов лет назад

 

Появившийся в атмосфере  кислород стал ядом для большинства  прежних обитателей планеты. Остальные  смогли приспособиться к произошедшим изменениям в атмосфере и стали  аэробами – существами, которым  жизненно необходим кислород. После  этого жизнь на планете начала стремительно развиваться в совершенно ином направлении. И теперь, всем нам  знаком и так любим вид нашей  родной планеты, с ее зелеными полями и лесами, обширными морями, реками, богатым животным миром, судьба и  будущее которых, сегодня, в наших  руках

51) Геологические процессы и строение Земли  

 Чтобы понять характер геологических процессов, происходивших на нашей планете, необходимо вкратце рассмотреть наиболее популярные гипотезы о происхождении Солнечной системы. Очевидно, что первоначальный способ образования планет во многом повлиял на их дальнейшую эволюцию и строение.

Множество гипотез о  возникновении Солнечной системы, которые выдвигались в прошлом, оказались в противоречии с известными эмпирическими данными и теоретическими представлениями. Не составляет исключения и небулярная гипотеза Канта—Лапласа, пользовавшаяся большой популярностью  в XIX в. Все эти гипотезы представляют сейчас лишь исторический интерес.

Среди современных гипотез  следует выделить гипотезу шведского

астрофизика Ф. Альвена, которой предполагает, что в далеком прошлом Солнце обладало сильным электромагнитным полем. Поэтому оно могло оказывать сильное воздействие на находящееся рядом с ним протопланетное облако. Нейтральные его атомы под влиянием электромагнитного поля подвергались ионизации и вовлекались в совместное движение с Солнцем. Со временем оно могло передать свой вращательный момент протопланетному газовому облаку, из которого и возникли известные сейчас планеты. Недостаток этой гипотезы заключается в том, что из нее вытекает следствие, согласно которому планеты, находящиеся ближе к Солнцу, должны состоять из легких элементов, а далекие — из тяжелых. Однако ничего подобного не наблюдается в действительности. Чтобы исправить этот недостаток гипотезы, английский астроном Ф. Хойл предположил, что Солнце возникло в недрах газовой туманности. Благодаря своему быстрому вращению оно вовлекало в движение и газовую туманность, которая постепенно начала двигаться быстрее, чем Солнце, и становилась все более плоской, пока не превратилась в диск. Из этого вращающегося диска и возникли первые планеты.

Если в гипотезе Альвена и исправленном ее варианте Хойла возникшие планеты в ходе вращения достигали высокой температуры, то известный русский ученый О.Ю. Шмидт исходил из противоположного допущения. Он предполагал, что протопланетная газовая туман ность, окружавшая Солнце, первоначально находилась в холодном состоянии. Повышение температуры внутри планет происходило исключительно за счет расщепления радиоактивных веществ.

Дальнейшее формирование планет и геологические процессы в них происходили по-разному  в планетах, расположенных ближе  к Солнцу, которые относят к  земной группе (Меркурий, Венера, Земля  и Марс), и отдаленных (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон).

Сравнивая размеры, расстояния, рельеф, состав атмосферы и другие характеристики планет, можно выявить  некоторое сходство и различие между  ними. Прежде всего, существует явное  различие между планетами земной группы и группы Юпитера, которые  представляют собой планеты-гиганты. Первые из них расположены ближе  к Солнцу, размеры и массы их хотя и отличаются, но не на очень  большую величину, внутренний состав элементов и горных пород во многом тоже совпадает. Они не имеют более  двух спутников. В отличие от них планеты-гиганты находятся на больших расстояниях от Солнца, размеры и масса их значительно превосходят соответствующие величины планет земной группы, они имеют множество спутников, например у] Юпитера их 16, Сатурна — 17. О рельефе, атмосфере и внутреннем строении этих планет астрономия располагает весьма скудными сведениями. В силу большой удаленности от Земли планеты этой группы еще плохо изучены, а наиболее удаленные из них — Нептун и Плутон — открыты довольно поздно. Поэтому если можно сделать какие-либо выводы о происхождении и эволюции нашей планеты, то следует в первую очередь искать аналогии и сходство с планетами земной группы.

По размерам, массе, рельефу  поверхности и атмосфере Земля  обнаруживает заметное сходство с Марсом и отчасти с Венерой. Размеры  Земли почти совпадают с размерами  Марса, на нем имеется разреженная  атмосфера, в которой отсутствуют, однако, водяные пары и поэтому  нет облаков, хотя ветер иногда поднимает  в его атмосферу массу песка  и образует песчаные бури. Недавние исследования американских ученых свидетельствуют, что в далеком прошлом на Марсе  имелась вода, и, следовательно, там  могли существовать примитивные  формы жизни.

Другая наша соседка, Венера, расположена ближе к Солнцу, по рельефу и составу горных пород  она похожа на Землю, но ее атмосфера  давно потеряла легкие газы, условия  для возникновения на ней жизни  крайне неблагоприятные, поскольку  температура у поверхности планеты  превышает 400 градусов по Цельсию, а  давление достигает 100 атмосфер. Что  касается Меркурия, то он и по размерам, и по рельефу сходен с Луной. На нем давно прекратилась всякая тектоническая  деятельность, и, по существу, он представляет собой мертвую планету.

Несмотря на такие различия, изучение планет земной группы дает нам  возможность анализировать характер геологических процессов, которые  могли происходить на нашей планете, и даже прогнозировать их дальнейшее развитие. Действительно, отсутствие вулканической  и тектонической деятельности на Меркурии и Венере свидетельствует  о том, что к настоящему времени  они завершили цикл своей геологической  истории и перешли в стадию своего разрушения, дезорганизации и  упадка.