Основы концепции современного естествознания

Энергия связи водородной связи Н---О в димере воды (H₂O)₂ составляет 21,5 кДж/моль, а ее длина 2,04 А. Таким образом, эти связи более длинные и примерно в 10-20 раз менее прочные, чем обычные ковалентные, но именно они заставляют воду быть жидкостью или льдом (а не газом) в обычных условиях. Водородные связи разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар.

При температурах выше 0 °С (но ниже температуры кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную  межмолекулярную структуру Поэтому  в жидкой воде молекулы связаны между  собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом, образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность становится все больше и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец, образуется лед, который имеет примерно такую упорядоченную структуру.

Таким образом, водородные связи придают воде еще одно уникальное свойство, без которого вряд ли могла  бы существовать разнообразная жизнь  в тех районах Земли, где температура  зимой понижается ниже 0 °С. Если бы лед тонул в воде, то зимой все водоемы промерзали бы до самого дна. Трудно ожидать, что рыбы согласились бы жить в таких условиях. Человек мог бы растапливать лед, превращая его в воду для своих нужд, но это потребовало бы огромных затрат дополнительной энергии.

14. Какие  вещества называют органическими?  Исходя из положения углерода в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите:

1) сколько протонов  и сколько нейтронов в ядре  атома? 

1. сколько электронов в атоме;
2. сколько электронных уровней;
3. сколько электронов на внешнем электронном уровне;
4. почему атом углерода имеет переменную валентность, какую валентность проявляет углерод в органических соединениях;
5. напишите электронную формулу и распределите электроны по энергетическим ячейкам атома углерода находящегося: а) в нормальном состоянии; б) в возбужденном состоянии.

какими связями  способны соединяться атомы углерода

 

Органическими веществами (соединениями) называются такие вещества или соединения, в  состав которых входит углерод.

1) Атом образован из нуклонов, которые в свою очередь состоят из двух видов

микрочастиц - протонов и нейтронов. Z- число протонов, N- число нейтронов,

A=Z+N- массовое  число. 

Для атома углерода: порядковый номер -6, Z =6, А = 12, N= 12-6=6

Таким образом, в ядре углерода содержится 6 протонов и 6 нейтронов.

2) Число электронов  в атоме равно порядковому номеру элемента в ПСЭ. Например, количество электронов в атоме углерода   -6.

3)  Рассмотрим общепринятую модель атома Бора (рис 1).

Рис. 1 – модель атома по Бору.

 

 

 

Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей к ядру. Такие орбиты называются уровнями. Уровни, в свою очередь, могут состоять из близких по энергии подуровней. Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней (3s, 3p и 3d). Четвертый уровень (он не показан на рис. 2-6) состоит из подуровней 4s, 4p,4d, 4f. Число уровней равно номеру  периода, в котором находится элемент.

Электронная структура  атома углерода содержит 2 электронных уровня, так как  его электронная формула  1s²2s²2p².

4) Электроны могут находиться в атоме только на определенных электронных уровнях (орбиталях).  Орбиталь, которая наиболее удалена от ядра,  называется внешним электронным уровнем.  Для элементов главных подгрупп число внешних электронов равно номеру  группы;  для элементов побочных  подгрупп число внешних электронов не превышает двух.  На внешнем электронном уровне атома углерода  находятся 4 электрона (s²p²).

5,6 ) В основном состоянии 6 электронов углерода образуют электронную конфигурацию 1s²2s²2p². Четыре электрона второго уровня являются валентными, что соответствует положению углерода в IV группе периодической системы. Углерод имеет 2 электронных уровня. На внешнем электронном уровне 4 электрона.

 Электронная  структура невозбужденного атома  углерода может быть выражена  формулой 1s²2s²2p², т. е. во втором (внешнем) электронном слое у него два спареных (с противоположными спинами) s-электрона и только два неспареных р-электрона, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей. Следовательно, углерод должен был бы проявлять валентность, равную двум; однако в большинстве органических  соединений он четырехвалентен — образует четыре ковалентные связи. Это объясняется тем, что при затрате некоторой энергии происходит «распаривание» 2p-электронов: один из них переводится на свободную орбиту подуровня 2р, и атом переходит в возбужденное состояние 2s²p² → 2sp³ или графически

  → 

нормальное  состояние  возбужденное состояние

7) Атомы углерода способны соединятся между собой, образовывая углеродные цепи различного вида. Они могут быть как открытыми, так и замкнутыми (циклическими), как прямыми, так и разветвленными. В зависимости от числа связей, затрачиваемых атомами углерода на соединение друг с другом, цепи могут быть насыщенными (с одинарными связями) или ненасыщенными (с двойными и тройными связями).

 

15. Какие химические элементы являются самыми главными для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента.

            15.2 водород, молибден, железо, фтор, азот, углерод

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, - это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор, т.к. это наиболее  и распространенные во Вселенной элементы  и  организмы используют их для своего строения. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность.

Водород  (лат. Hydrogenium), H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,0079. При обычных условиях Водород - газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.

Водород широко распространен  в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других). Водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Молибден. Содержание в земной коре 3×10⁻⁴% по массе. В свободном виде молибден не встречается. В земной коре молибден распространён относительно равномерно. Молибден находится также в морской и речной воде, в золе растений, в углях и нефти. Содержание молибдена в морской воде колеблется от 8,9 до 12,2 мкг/л^[2] для разных океанов и акваторий. Общим является то, что воды вблизи берега и верхние слои меньше обогащены молибденом, чем воды на глубине и вдали от берега. Наиболее высокие концентрации молибдена в породах связаны с акцессорными минералами (магнетит, ильменит, сфен), однако основная масса его заключена в полевых шпатах и меньше в кварце.

Молибден - активатор важных ферментов. В небольших количествах (доза 5 мкг) он оказывает положительное влияние на гемоглобинообразование и повышает фагоцитарную активность лейкоцитов крови, Суточная потребность в молибдене 200-300 мкг. В пищевых продуктах содержание молибдена колеблется в пределах 0,004 - 3,0 мг/кг, в овощах — 0,04-0,2 мг/кг, мясо и молоко содержат молибдена меньше, чем другие продукты животного происхождения. Более всего молибдена находится в горохе, фасоли и хлебопродуктах.

Молибден по отношению  к меди является антагонистом, они  уменьшают активность друг друга. Кроме  того, ученые констатировали, что при  добавлении молибдена возникала  подагра и повышалось количество мочевой кислоты в крови.

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002 – 0,02 мг/л. В речной воде несколько выше – 2 мг/л.

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа — был потерян «лишний» ноль после запятой).

Суточная потребность человека в железе следующая: дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, Содержание железа в воде больше 1—2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени.

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Фтор - химический элемент с атомным номером 9, атомная масса 18,998403. Конфигурация внешнего электронного слоя 2s²p⁵. В соединениях проявляет только степень окисления –1 (валентность I). Фтор расположен во втором периоде в группе VIIА периодической системы элементов Менделеева, относится к галогенам. Фтор — самый активный неметалл. В свободном виде фтор — бесцветный газ с резким удушливым запахом.

При обычных условиях фтор — газ (плотность 1,693 кг/м³) с резким запахом. Температура кипения –188,14°C, температура плавления –219,62°C.  Химическая активность фтора чрезвычайно велика. Из всех элементов со фтором не образуют фторидов только три легких инертных газа — гелий, неон и аргон. Во всех соединениях фтор проявляет только одну степень окисления –1.Со многими простыми и сложными веществами фтор реагирует напрямую.                                                                                                                                    Содержание фтора в земной коре довольно велико и составляет 0,095% по массе. Из-за высокой химической активности фтор в свободном виде, разумеется, не встречается. Важнейшие минералы фтора — это флюорит (плавиковый шпат), а также фторапатит 3Са₃(РО₄)₂·СaF₂ и криолит Na₃AlF₆. Фтор как примесь входит в состав многих минералов, содержится в подземных водах; в морской воде 1,3·10^–4% фтора.

 В организме среднего  человека (масса тела 70 кг) содержится 2,6 г фтора; суточная потребность  составляет 2-3 мг и удовлетворяется,  главным образом, с питьевой  водой. Недостаток фтора приводит к кариесу зубов. Поэтому соединения фтора добавляют в зубные пасты, иногда вводят в состав питьевой воды. Избыток фтора в воде, однако, тоже вреден для здоровья. Он приводит к флюорозу — изменению структуры эмали и костной ткани, деформации костей. ПДК для содержания в воде фторид-ионов составляет 0,7 мг/л. ПДК газообразного фтора в воздухе 0,03 мг/м³.

Азот -  вследствие исключительной прочности молекулы N₂, почти полностью сосредоточен в атмосфере. Часть газообразного азота растворена в природных водах, которые содержат и растворенные азотсодержащие органические вещества и неорганические ионы: катион аммония, нитрит-ион и нитрат-ион. Поскольку азот не образует нерастворимых солей, он только в редких случаях накапливается в литосфере.

Слово «азот» буквально  означает «безжизненный», поскольку  он не поддерживает дыхание. Однако этот элемент является обязательной составной  частью белков. Поэтому азот в значительном количестве содержится в живых организмах и «мертвом» органическом веществе. Азот непрерывно перемещается между атмосферой, океаном, живыми организмами и почвой.

В атмосфере под действием  электрических разрядов азот переходит  сначала в монооксид азота, а  затем в диоксид азота. Влага  воздуха и кислород превращают диоксид азота в азотную кислоту:

4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO₃

Соединения азота легко  растворяются в атмосферных осадках  и попадают на поверхность Земли. Большое значение в связывании атмосферного азота имеет жизнедеятельность  клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений. Ферменты этих бактерий превращают молекулярный азот в соединения, которые затем усваиваются растениями. Соединения азота попадают в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, а в природные воды – с бытовыми и промышленными отходами.