Концепции современного естествознания

     Молекула — наименьшая устойчивая частица вещества, сохраняющая его свойства. Понятие молекулы появилось в кинетической теории газов (см. гл. 4), и на основании развитой физической теории удалось путем исследования макроскопического поведения газов оценить размеры молекул. В жидкостях или твердых телах, где молекулы расположены достаточно плотно, их размеры можно оценить по плотности веществ. Прямое доказательство существования молекул было получено при изучении броуновского движения Ж. Перреном. Установление связи между структурой и свойствами на молекулярном уровне строения веществ — одна из основных задач исследования. Молекула состоит из ядер атомов и электронной оболочки, образованной их внешними электронами. В зависимости от строения и состава молекулы обладают разной степенью устойчивости по отношению к внешним воздействиям, что определяет многие их свойства. Исследование устойчивости молекул раскрывает их природу и реакционную способность. Такими физическими методами, как спектроскопия, ядерный или парамагнитный резонанс и др., изучают разнообразные и сложные химические процессы. Относительное расположение атомных ядер в молекулах может быть измерено методами рентгеноструктурного анализа, электронографии или нейтронографии и др. В основном свойства и строение молекул определяются при исследовании макроскопических образцов веществ.

     Четкое  разграничение понятий атома  и молекулы было закреплено в 1860 г. на Международном съезде химиков в  Карлсруэ. На основе достижений химии  в учении о веществе утвердилось, таким образом, представление о  существовании двух видов микрочастиц - атомов и молекул. Соответственно сложилось и представление о  «трехступенчатой» организации  вещества: атом - молекула - макротело. Все вещества (жидкие, твердые, газообразные тела) стали представлять состоящими из молекул, которые, в свою очередь, образованы путем химического соединения из неделимых, неизменных атомов. Общие  представления о веществе поднялись  на качественно новую ступень. Учение о дискретном строении вещества стало  благодаря успехам химии уже  не атомным, а атомно-молекулярным. Это был большой шаг, скачок в  развитии химического и вообще естественнонаучного  мышления, в выработке и конкретизации  научной картины мира. Химические превращения вещества стали трактоваться как процессы образования молекул  из атомов, как процессы перестройки  молекул.

     Коренная  ломка сложившихся в XIX в. воззрений  на вещество была вызвана открытием  электронов, открытием сложности  атомов, их делимости, их превращений (радиоактивность). Атом в XX в. предстал как сложная  целостная система из более мелких частиц. Было раскрыто и участие  электронов в химических процессах, в образовании химических связей между атомами в молекулах.

  Но открытием более мелких, чем атомы, частиц вещества (атомных ядер, «элементарных частиц»), открытием сложности и делимости атомов, их изменчивости не исчерпываются последние десятилетия изменения в химической атомистике и в общих представлениях о дискретном строении вещества. История химии за столетие со времени оформления атомно-молекулярной теории свидетельствует о том, что молекулы - это была лишь первая ступенька на пути выявления химией качественного многообразия дискретных форм вещества и раскрытия внутреннего механизма его превращений. В ходе развития химических исследований, вооруженных идеями атомно-молекулярного учения, еще в прошлом веке были открыты и другие виды химических частиц.  
 

5. Концепции процессов и возможности управления ими

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и  условиями протекания химических реакций. В практике химического эксперимента эти условия интуитивно осознавались и эмпирически 
учитывались, но теоретически по-настоящему не исследовались. Между тем от них в значительной степени зависит выход получаемого продукта реакции. 
         К этим условиям относятся прежде всего термодинамические условия, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других факторов. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. 
        Термодинамическими факторами, которые оказывают существенное влияние на скорость химических реакций, являются температура и давление в реакторе. Хотя для завершения любой реакции требуется определенное время, но одни реакции могут протекать очень быстро, другие — чрезвычайно медленно. Так, реакция образования осадка хлорида серебра при смешивании растворов, содержащих ионы серебра и хлора, занимает несколько секунд. А смесь водорода и кислорода в условиях комнатной температуры и нормального давления можно хранить годами, и никакой реакции при этом не произойдет. Но стоит пропустить через смесь электрическую искру, как произойдет взрыв. Этот пример свидетельствует о том, что на скорость протекания химических реакций влияет множество разнообразных условий: воздействие электричества, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, концентрации реагентов, их помешивание и даже присутствие других веществ, не участвующих в реакции. 
          При этом реакции в гомогенной системе, состоящей из одной фазы, протекают, как правило, быстрее, чем в гетерогенной системе, состоящей из нескольких фаз. Типичным примером гомогенной реакции является реакция естественного распада радиоактивного вещества, скорость которого пропорциональна концентрации вещества R. Эта скорость может быть выражена дифференциальным уравнением: -dR/dt = kR, где к — константа скорости реакции, а R- концентрация вещества. Такую реакцию называют реакцией первого порядка, а время, необходимое для того, чтобы исходное количество вещества уменьшилось наполовину, называют периодом полураспада. 
              Если реакция происходит в результате взаимодействия двух молекул, А и В, тогда ее скорость будет пропорциональна числу их столкновений. Установлено, что это число пропорционально концентрации молекул А и В. Тогда можно определить скорость реакции второго порядка в дифференциальной форме: —dA/dt = dB/dt = k[A][B]. 
Скорость в существенной степени зависит от температуры. Эмпирическими исследованиями установлено, что почти для всех химических реакций скорость большинства из них при повышении температуры на 10 градусов возрастает приблизительно в два раза. Наблюдаются, однако, и отклонения от этого эмпирического правила, когда скорость может увеличиться только в 1,5 раза, и, наоборот, в отдельных случаях скорость реакции, например при денатурации яичного альбумина (при варке яиц), возрастает в 50 раз. Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений.

       Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось осуществить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, как был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре — 18°С — и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но и в будущем для такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), при котором они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе.

     Не  приводя больше примеров о чрезвычайно  высокой эффективности катализаторов  в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами.

     Несмотря  на то что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее они не тождественны последним, поскольку функционируют  в рамках живых систем. Поэтому  все попытки использовать опыт живой  природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании  некоторых функций ферментов  и использовании этих моделей  для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично — практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых  химических реакций. 
 

6. Концепция эволюции звезд

     Звезды  обладают светимостью. Они различаются  по размеру, температуре (чем горячее  – тем светлее, напр.: белые, голубые), могут образовывать структуры (двойные, тройные – вращаются вокруг на небольшом расстоянии друг от друга). Звездные скопления называются плеядами (стожарами).

Игорь Шкловский. Концепция эволюции звезд.

     Сырьем  для звезд является межзвездный  газ водород, который уплотняется  и разогревается, из-за этого, температура  в центре достигает 10-12 млн. градусов. Под воздействием подобной температуры  осуществляется реакция термоядерного  синтеза (одни ядра превращаются в другие). Все скопления вращаются.

     Термоядерная  реакция: водород под воздействием температуры превращается в гелий; выделяется колоссальная энергия; звезда вспыхивает и начинает светить; температура звезды повышается и водород выгорает, температура внутри составляет 150 млн. градусов; происходит гелиевая вспышка; начинается увеличение вещества звезды; внешние слои звезды остывают и звезда становится красной (стадия "красного гиганта"), далее гелий превращается в углерод; температура растет – звезда становится плотнее; если энергии синтеза не хватает, то звезда постепенно умирает .После того, как звезда становится плотнее, она начинает сжиматься и остывать (стадия "белого карлика"), затем гаснет (стадия "черного карлика"), труп погасшей звезды состоит из железа.

     Если  масса звезды больше, чем полторы  массы Солнца, то наступает коллапс: все вещество звезды обрушивается вовнутрь, происходит взрыв сверхновой звезды и возникает жесткое излучение ("черная дыра").

Если  масса звезды меньше, чем полторы  массы Солнца, то такая звезда умирает (гаснет).

     Жесткое излучение при взрыве сверхновой звезды вблизи Земли может повлиять на жизнь Земли (по одной из версий, динозавры погибли из-за подобного  взрыва).

     Черные  дыры- это объект колоссальной массы. Она поглощает все. Черная дыра является искривленной областью пространства, из нее не может проникать свет, она нематериальна. Черная дыра втягивает  в свое пространство абсолютно все, но наружу не выпускает. Возможно, она  является туннелем в другие пространства и области. Черная дыра возникает  при взрыве сверхновой звезды.  
 

7. Концепции строения, эволюционных процессов и зарождения структур в планете Земля

     Земля считается круглой, т.к. отбрасывает  круглую тень на Луну. Земля вращается  вокруг своей оси и вокруг Солнца. Ось вращения наклонена к плоскости  эклиптики, этот наклон и годовое  обращение Земли вокруг Солнца обуславливают  исключительно важную для климата  Земли смену времен года, а собственное  ее вращение —смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий  неуклонно, хотя и очень медленно замедляется. Площадь поверхности  Земли распределяется следующим  образом: 70,8% приходится на Мировой  океан, суша составляет 29,2% и образует шесть материков и острова. Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20% поверхности  суши, саванны и редколесья —около 20%, леса —около 30%, ледники —свыше 10%. Свыше 10% суши занято под сельскохозяйственными  угодьями.

     Строение. Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой —кора —имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры —континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, и состоит из базальта и осадочных пород. Толщина материковой коры в десятки раз больше. Она состоит из слоя базальта, гранита и осадочных пород. На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой (кремний+кислород). По составу напоминает метеоритное вещество. Верхняя часть мантии – вязкая, называется астеносферой (слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли, подстилающий литосферу). Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины. В коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете. Внешнее ядро является жидким, по современным представлениям, оно состоит из серы и железа. На глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, предположительно, это железо-никелевый сплав. В твердом ядре также существуют электрические кольцевые токи, которые образуют электрическое поле.

       Географические оболочки (внешние). Гидросфера – совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова.

     Биосфера  – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В  биосфере живые организмы и среда  их обитания органически связаны  и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.Атмосфера - воздушная среда  вокруг Земли, вращающаяся вместе с  нею. Состав ее у поверхности Земли: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в  незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. В нижних 20 км содержится водный пар, количество которого с высотой быстро убывает. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах  преобладают гелий и водород; часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха  в атмосфере Земли с высотой  убывают. В зависимости от распределения  температуры атмосферу Земли  подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Атмосфера  Земли обладает электрическим полем. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая  влияет на погоду и климат Земли. Стратосфера - слой атмосферы, лежащий над тропосферой  от 8-10 км в высоких широтах и  от 16-18 км вблизи экватора до 50-55 км. Стратосфера  характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 °С (-80 °С) до температур, близких к 0 °С , ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона. Здесь формируются полярное сияние, перистые облака. На высоте 20-25 км расположен слой озона, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного ультрафиолетового излучения. УФ-лучи проходят через озоновый слой, под таким воздействием озоновый слой разрушается и смертельные УФ лучи не проникают на Землю. Тропосфера - нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более ¹/₅ всей массы атмосферного воздуха, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, зарождаются и развиваются тайфуны, грозы, формируется климат и погода, циклоны и антициклоны. Мезосфера - слой атмосферы на высоте от 50 до 80-85 км, находящийся над стратосферой. Характеризуется понижением температуры с высотой приблизительно от 0 °С на нижней границе до — 90 °С на верхней. Ионосфера - верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км до 800 км характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Верхняя граница ионосферы — внешняя часть магнитосферы Земли. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере — разложение молекул атмосферы газов под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн. За счет этого, на Земле существуют все виды связи. Экзосфера - (сфера рассеяния), внешний слой атмосферы, начинающийся с высоты в несколько сотен км, из которого быстро движущиеся легкие атомы водорода могут вылетать в космическое пространство.