Физическая картина мира

 Важнейшими свойствами  элементов являются металличность  (металлические свойства) и неметалличность  (неметаллические свойства).

Металличность – это  способность атомов элемента отдавать электроны. Количественной характеристикой  металличности элемента является энергия ионизации (I).

Энергия ионизации атома (I) – это количество энергии, которое  необходимо для отрыва электрона  от атома элемента (Э), т.е. для превращения  атома в положительно заряженный ион:

 

 

Э0 + I = Э+ + e-

 

 

 Чем меньше энергия  ионизации, тем легче атом отдает электрон, тем сильнее металлические свойства элемента.

 

 

Неметалличность – это  способность атомов элемента присоединять электроны.

 Количественной характеристикой  неметалличности элемента является  сродство к электрону (Еср.).

Сродство к электрону  – это энергия, которая выделяется при присоединении электрона  к нейтральному атому, т.е. при превращении  атома в отрицательно заряженный ион:

 

 

 Э0 + e- = Э- + Еср.

 

 

 Чем больше сродство  к электрону, тем легче атом  присоединяет электрон, тем сильнее неметаллические свойства элемента.

 Универсальной характеристикой  металличности и неметалличности  элементов является электроотрицательность  элемента (ЭО). ЭО предложил Л.Полинг (США), Нобелевские премии он получил  за это открытие в 1954 и 1962 гг.

 

 

 Электроотрицательность  элемента характеризует способность  его атомов притягивать к себе  электроны, которые участвуют  в образовании химических связей  с другими атомами в молекуле.

 

 

 Чем больше металличность,  тем меньше ЭО. У Fr самая маленькая ЭО.

 Чем больше неметалличность,  тем больше ЭО. У F самая большая  ЭО.

 При определении ЭО можно  воспользоваться как периодической  системой химических элементов  Д.И.Менделеева, так и рядом ЭО.

 

Изменение некоторых характеристик  элементов в малых периодах

 

Заряд ядер атомов увеличивается

 

Число электронных слоев атомов не изменяется

 

Число электронов на внешнем слое атомов увеличивается от 1 до 8

 

Радиус атомов немного уменьшается

 

Прочность связи электронов внешнего слоя с ядром увеличивается

 

Энергия ионизации увеличивается

 

Сродство к электрону  увеличивается 

 

Электроотрицательность  увеличивается

 

Металличность элементов  уменьшается

 

Неметалличность элементов  увеличивается.

 

 

 В больших периодах  с увеличением заряда ядер  электронное строение атомов изменяется сложнее, чем в малых периодах. Поэтому и изменение свойств элементов в больших периодах более сложное. Например, рассмотрим как изменяются свойства элементов четвертого периода. Он начинается, как и малые периоды, двумя s-элементами – K и Ca, в атомах которых на внешнем слое находится соответственно 1 и 2 электрона. Эти элементы имеют наибольшие радиусы атомов среди всех элементов данного периода, поэтому электроны внешнего слоя слабо связаны с атомами, и эти элементы являются типичными металлами, у них самые низкие в IV периоде значения ЭО.

 

 

 В атомах следующих  десяти элементов (Sc – Zn) происходит  заполнение d-подуровня предвнешнего  слоя; на внешнем слое число  электронов в атомах всех этих  элементов равно 2 или 1 (Cr, Cu). Радиусы  атомов d-элементов мало различаются между собой, поэтому они схожи по свойствам – все они являются металлами (менее активными, чем К и Сa, которые имею меньшие заряды и большие радиусы атомов). ЭО всех d-элементов изменяется мало.

 

 

 В атомах последних  шести элементов IV периода (Ga – Kr) заполняется р-подуровень внешнего слоя, поэтому количество электронов на внешнем слое увеличивается от 3 до 8. Радиусы атомов этих элементов уменьшаются слева направо, Уменьшение радиуса атомов и увеличение числа электронов на внешнем слое являются причиной уменьшения металличности и увеличения неметалличности элементов слева направо. ЭО этих элементов увеличивается.

 

 

 Изменение некоторых  характеристик в главных подгруппах Число электронных слоев атомов увеличивается

Число электронов на внешнем слое атомов одинаково

 Радиус атомов увеличивается

 Прочность связи  электронов внешнего слоя с  ядром уменьшается

 Энергия ионизации  уменьшается

 Сродство к электрону  уменьшается

 Электроотрицательность  уменьшается

 Металличность элементов  увеличивается

Неметалличность элементов  уменьшается

 

 

В малых периодах закономерно  изменяется высшая валентность элементов: во втором периоде от I у Li до V у N; в  третьем периоде от I у Na до VII у Cl. В большом четвертом периоде  высшая валентность увеличивается от I у К до VII у Mn; у следующих элементов она понижается до II у Zn, а потом снова увеличивается от III у Ga до VII у Br.

 

Периодическое изменение  высшей валентности объясняется  периодическим изменением числа  валентных электронов в атомах.

 

Валентные электроны – это электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей.

 

В атомах s- и p-элементов  валентными являются, как правило, все  электроны внешнего слоя.

 В атомах d-элементов  валентными являются электроны  внешнего слоя (2 или 1), а также все или некоторые d-электроны предвнешнего слоя.

 

Число валентных электронов для большинства элементов равно  номеру группы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биологическая картина мира Вопрос №12

 

Зеленые растения — биологи  называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах (см. Биологические молекулы), из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

 

Кроме того, воздух, которым  мы дышим, благодаря фотосинтезу  насыщается кислородом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

 

    вода + углекислый  газ + свет → углеводы + кислород

 

Растения поглощают  углекислый газ, образовавшийся при  дыхании, и выделяют кислород — продукт  жизнедеятельности растений (см. Гликолиз и дыхание). К тому же, фотосинтез играет важнейшую роль в круговороте углерода в природе.

 

Кажется удивительным, что  при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его  изучению. После эксперимента Ван  Гельмонта, поставленного в XVII веке, наступило затишье, и лишь в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866–1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением светового потока, но, начиная с определенного уровня, дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и освещения скорость фотосинтеза возрастает значительно больше, чем при одном лишь усилении освещения.

 

На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.

 

Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем  фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I.

 

Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия  скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и расщепляется молекула воды. Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.

 

После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке (см. Биологические молекулы). Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.

 

В результате процесса улавливания  света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода. (Отмечу, что в результате еще одного, значительно менее эффективного процесса с участием одной лишь Фотосистемы I, также образуются молекулы АТФ.) После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Калвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Калвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.

 

Цикл превращения солнечной  энергии в углеводы — так называемый цикл Калвина — сходен с циклом Кребса (см. Гликолиз и дыхание): он тоже состоит из серии химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с молекулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного продукта и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Калвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина начинается с того, что молекулы углекислого газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-H, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем — реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам.

 

В большинстве растений осуществляется описанный выше цикл Калвина, в котором углекислый газ, непосредственно участвуя в реакциях, связывается с рибулозодифосфатом. Эти растения называются C3-растениями, поскольку комплекс «углекислый газ—рибулозодифосфат» расщепляется на две молекулы меньшего размера, каждая из которых состоит из трех атомов углерода. У некоторых растений (например, у кукурузы и сахарного тростника, а также у многих тропических трав, включая ползучий сорняк) цикл осуществляется по-другому. Дело в том, что углекислый газ в норме проникает через отверстия в поверхности листа, называемые устьицами. При высоких температурах устьица закрываются, защищая растение от чрезмерной потери влаги. В C3-растения при закрытых устьицах прекращается и поступление углекислого газа, что приводит к замедлению фотосинтеза и изменению фотосинтетических реакций. В случае же кукурузы углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности листа, затем переносится во внутренние участки листа, где углекислый газ высвобождается и начинается цикл Калвина. Благодаря этому довольно сложному процессу фотосинтез у кукурузы осуществляется даже в очень жаркую, сухую погоду. Растения, в которых происходит такой процесс, мы называем C4-растениями, поскольку углекислый газ в начале цикла транспортируется в составе четырехуглеродной молекулы. C3-растения — это в основном растения умеренного климата , а C4-растения в основном произрастают в тропиках. Процесс фотосинтеза описывается следующей химической реакцией:

 

    СО2 + Н2О + свет → углевод + О2

 

В начале XX века считалось, что кислород, выделяющийся в процессе фотосинтеза, образуется в результате расщепления углекислого газа. Эту  точку зрения опроверг в 1930-е годы Корнелис Бернардус Ван Ниль (Van Niel, 1897–1986), в то время аспирант Стэнфордского университета в штате Калифорния. Он занимался изучением пурпурной серобактерии (на фото), которая нуждается для осуществления фотосинтеза в сероводороде (H2S) и выделяет в качестве побочного продукта жизнедеятельности атомарную серу. Для таких бактерий уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:

 

    СО2 + Н2S + свет  → углевод + 2S.

 

Исходя из сходства этих двух процессов, Ван Ниль предположил, что при обычном фотосинтезе  источником кислорода является не углекислый газ, а вода, поскольку у серобактерий, в метаболизме которых вместо кислорода участвует сера, фотосинтез возвращает эту серу, являющуюся побочным продуктом реакций фотосинтеза. Современное подробное объяснение фотосинтеза подтверждает эту догадку: первой стадией процесса фотосинтеза (осуществляемой в Фотосистеме II) является расщепление молекулы воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Космологическая картина мира Вопрос №12

Планета Венера.

 

Вене́ра — вторая внутренняя планета  Солнечной системы с периодом обращения в 224,7 земных суток. Планета  получила своё название в честь Венеры, богини любви из римского пантеона.

 

Венера — третий по яркости объект на небе Земли после Солнца и Луны и достигает видимой звёздной величины в −4,6. Поскольку Венера ближе к Солнцу, чем Земля, она никогда не удаляется от Солнца более чем на 47,8° (для земного наблюдателя). Своей максимальной яркости Венера достигает незадолго до восхода или через некоторое время после захода Солнца, что дало повод называть её также Вечерняя звезда или Утренняя звезда.

 

Венера классифицируется как землеподобная  планета, и иногда её называют «сестрой Земли», потому что обе планеты похожи размерами, силой тяжести и составом. Однако условия на двух планетах очень разнятся. Поверхность Венеры скрывает чрезвычайно густая облачность из облаков серной кислоты с высокими отражательными характеристиками, что не даёт возможности увидеть поверхность в видимом свете (но её атмосфера прозрачна для радиоволн, с помощью которых впоследствии и был исследован рельеф планеты). Споры о том, что находится под густой облачностью Венеры, продолжались до двадцатого столетия, пока многие из тайн Венеры не были приоткрыты планетологией. У Венеры самая плотная среди прочих землеподобных планет атмосфера, состоящая главным образом из углекислого газа. Это объясняется тем, что на Венере нет круговорота углерода и жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.