Образование земных и внеземных веществ

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение…………………………………………………………………………3

1. Управление химическими процессами…………………………………….. 5

2. ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМНЫХ И ВНЕЗЕМНЫХ ВЕЩЕСТВ……………….. 8

Заключение……………………………………………………………………..11

Используемая  литература……………………………………………………..13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     На  рубеже тысячелетий в каждой из главных  областей естествознания – биологии, физике, химии - произошли и происходят одинаково важные, капитальные, но притом различные метаморфозы.

     Бурно развиваются новые представления (супрамолекулярная химия, нанотехнологии, фемтохимия). Фантастическими следует назвать достижения биохимии. Все шире внедряются представления о химическом веществе как о микрогетерогенной среде, и это играет огромную роль в химии материалов. Огромное значение имеют успехи квантовой химии, однако и классическая механика широко используется при описании и интерпретации химических процессов. И по-прежнему незыблемой основой очень многих разделов химии остаются структурные формулы и стереохимические представления, сложившиеся в конце 19-го века.

     Основная  метаморфоза, которую претерпела химия  в 20-м столетии, заключается в  том, что из "экспериментальной  науки о веществах и их превращениях" она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических  концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС). При этом основным средством  описания, интерпретации, прогноза и  использования АМС стала структура. Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной.

     В результате химия встала перед капитальной  проблемой: возникла необходимость  на новом уровне согласовать классическую физикохимию (термодинамику и кинетику) с быстро прогрессирующими структурными представлениями, со стремительно увеличивающейся  в объеме структурной информацией.

     Структура - это сложное многоуровневое понятие, существующее в форме ряда различных  приближений, и нужно пользоваться им так, чтобы в каждом конкретном случае была ясна сущность и степень  достоверности подразумевающейся модели.

     Внедрение структурных представлений преобразило  многие аспекты деятельности химиков  и используемые ими фундаментальные  понятия. Радикально видоизменилось, например, содержание таких центральных понятий  классической химии, как "химическое вещество" и "химическое соединение". Изменились смысл и форма двух первооснов, на которых зиждется химия, - эксперимента и теории (речь идет о  тех экспериментах и теоретических  концепциях, которые доминируют в  современной химии). В частности  это связано с быстрым развитием  компьютерного моделирования, что  привело к появлению нового типа научной гипотезы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. УПРАВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 

     Современная наука о химических процессах  включает фундаментальные знания многих отраслей естествознания и, прежде всего, физики, химии, биологии и др. Стремление ученых - создать лаборатории живого организма для воспроизведения  химических процессов в биологических  системах свидетельствует о необходимости  применения взаимосвязанных знаний разных естественно - научных отраслей.

     Лауреат Нобелевской премии по химии 1956г., выдающийся химик Н.Н. Семенов (1896-1986), создавший  общую теорию цепных реакций и  основавший химическую физику, считал себя физиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без  восхождения от таких простых  объектов, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической  системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В этой связи химический процесс - это мост между физическим и биохимическим  объектами.

     Одно  из важнейших направлений учения о свойствах вещества - создание методов управления химическими  процессами. Успехи в развитии современной  химии во многом определяются эффективностью управления химическими превращениями, повышению которой способствует внедрение новых экспериментальных  методов с применением современных  технических средств контроля и  анализа сложных молекулярных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается  образованием конечных продуктов. В  большинстве случаев оно включает ряд промежуточных стадий, и для  полного понимания механизма  реакции нужны сведения о свойствах  промежуточных веществ, образующихся на каждой стадии, протекающей, как  правило, очень быстро. Если 20-30 лет  назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10-6 до 10-15 с.

     При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции  определяется статистической вероятностью, зависящей от исходного энергетического  состояния, возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновениях. Современная вакуумная техника  открывает новые возможности  для взаимодействия реагирующих  соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность для изучения тонких процессов и управления химическими превращениями.

     Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в  аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания - количественным анализом. Новые методы качественного и  количественного анализа основываются на последних достижениях различных  отраслей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической  химии широко применяются в разных отраслях химии, в медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т.п.

     Для количественного анализа исследуемые  сложные, смеси и соединения делятся  на компоненты. Для этого применяется  универсальный метод - хроматография. Этот метод впервые предложил  российский ученый М.С. Цвет (1872-1919). Его  сущность заключается в том, что  различные вещества в жидкой или  газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси - около 10-12г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонентные газообразные смеси, содержащие вещества разного изотопного состава.

     Для анализа и идентификации структуры  сложных молекул, объединяющих большое  количество атомов с различными взаимными  связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные  методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п.

     В управлении химическими процессами важную роль играют предварительные  расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых молекул. Еще в  первой половине XX века с развитием  квантовой теории появилась возможность  рассчитывать взаимодействие электронов и атомных ядер при химических реакциях. Однако на практике такие  расчеты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения квантовой  механики для комплексных объектов - молекул и даже атомов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи стало возможным при учете  электронной плотности, а не движения отдельных электронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет  рассчитывать свойство и структуру  даже весьма сложных молекул, например белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский  физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба ученых работают в США) удостоены в 1998г. Нобелевской премии по химии. 
 
 

2. ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМНЫХ И ВНЕЗЕМНЫХ  ВЕЩЕСТВ 

     Геохимические процессы в недрах Земли и на ее поверхности, представляют собой превращения  сложных соединений и смесей, состоящих  из кристаллических и аморфных фаз. Многие из них протекают при очень  высоких давлениях и температурах. Современные технические средства эксперимента позволяют воспроизвести  в лаборатории условия, близкие  к условиям внутри Земли и даже земного ядра. Природные процессы: кристаллизация, частичное растворение, изменение структуры минералов (метаморфизм), выветривание и т.п. - приводят к образованию  рудных отложений или к их разрушению и рассеянию.

     Большой интерес представляют метеориты: они  дают необходимую информацию об эволюции небесных тел, находящихся на разных стадиях развития. При этом важную роль играет анализ изотопного состава  многих металлов и газообразных веществ, найденных в метеоритах.

     Химия внесла и вносит существенный вклад  в исследование космического пространства. Без ракетного топлива и современных  материалов, способных выдержать  огромное давление, высокую температуру  и интенсивное космическое излучение, без электрохимических источников энергии, без разнообразных химических средств для обеспечения питания  космонавтов мы сегодня смотрели бы на Луну из нашего прекрасного далека. Космос с давних пор стал объектом химических исследований. На стыке химии и астрофизики зародилась новая отрасль естествознания - космохимия, изучающая состав космических тел, законы распространенности элементов во Вселенной и т.д.

     Первые  данные о химическом составе небесных тел получены с помощью спектрального  анализа. В химических лабораториях, кроме того, исследовался состав метеоритного вещества. Состав метеоритов оказался единообразным, как если бы они происходили из одного и того же рудника. До сих пор ни в одном метеорите не найден химический элемент, который не встречался бы на Земле. С помощью самых точных методов анализа в метеоритах обнаружены почти все известные на нашей планете химические элементы. Характерная особенность большинства метеоритов заключается в том, что они содержат много чистого железа и очень мало наиболее распространенного на Земле кварца. Вещества, которые указывали бы на существование жизни в космосе, пока не найдены, хотя углерод обнаружен в виде крошечных алмазов, графита и аморфного угля. Относительно недавно появилось сообщение об обнаружении бактериоподобной структуры в метеорите с Марса, что является предметом дальнейшей дискуссии о существовании жизни на этой планете в далеком прошлом.

     Наиболее  часто встречающиеся каменные метеориты, как и большинство земных пород, состоят в основном из силиката магния. Железные метеориты содержат до 90% железа. Содержание никеля в них составляет 6-20%. Кроме того, метеориты содержат кобальт, медь, хром, фосфор, серу, платину, палладий, серебро, иридий, золото и другие элементы. Встречаются включения газов: водорода, оксида и диоксида углерода.

     Прямая  геологическая разведка небесных тел  началась 21 июля 1969 г., когда человек  впервые ступил на поверхность Луны и взял пробы лунного грунта. Через  год с небольшим прилунилась первая автоматическая станция «Луна-16», возвратившаяся на Землю с образцами лунной породы. Немного позднее, в ноябре 1970 г., на Луну доставлена советская автоматическая станция «Луноход-1», которая, начав свое движение по Луне с северо-западного Моря дождей, обследовала за 321 сутки около 50 га лунной поверхности. Обследования проводились и днем, и ночью при температурах от -140 до 130 °С. Результаты анализа показали, что за исключением несколько повышенного содержания тугоплавких соединений титана, циркония, хрома и железа, лунные породы по своему составу очень похожи на земные. Некоторые различия выявились в свойствах. Так, лунное железо ржавеет медленнее, чем земное. В верхнем слое лунного грунта обнаружен удивительный минерал, получивший название реголит. Он имеет сравнительно низкую теплопроводность.

     Продолжается  исследование планет Солнечной системы. С помощью космического зонда, отправленного  к Венере, в результате гамма - спектрального  анализа установлено, что грунт  Венеры по химическому составу соответствует  граниту.

     Вещество, находящееся в межзвездном пространстве, состоит из газа и пыли. Наиболее распространенными газами в космическом  пространстве являются водород (70 масс. %) и гелий (28 масс. %). В газовых  межзвездных облаках обнаружено более 20 химических компонентов. Наряду с простыми химическими соединениями (СО, Н2, HCN, H20,1ЧНз) в 200 космических газовых скоплениях найдены и более сложные соединения - метанол, изоциановая кислота, формамид, формальдегид, метилацетилен и ацетальдегид. Относительно недавно обнаружены молекулы этилового спирта, муравьиной кислоты и других соединений.

     Исследования  космохимии носят преимущественно  познавательный характер, но нельзя исключать, что в будущем они обретут  практическую значимость. Были получены некоторые важные для практики результаты. Для химико-фармацевтической промышленности представляет практический интерес  более интенсивное развитие бактериальных  культур в невесомости, чем на Земле. Металлурги могут получить в  невесомости сплавы с уникальными  свойствами. Весьма перспективно выращивание  в космосе бездефектных монокристаллов, особенно оксидов металлов.