Единство химического состава объектов вселенной

§ 41. Материальное единство мира

Ничто во всей Вселенной не существует,
Только их полет. Полет Земли, и звезд полет,
и камня. И он мои печали прочь несет.
Поль Элюар

Что такое материя? В чем проявляется материальное единство мира? Можно ли, изучая состав и движение космических тел, восстановить картину эволюции системы? В чем отличие живого от неживого?

Урок-конференция

ЦЕЛЬ КОНФЕРЕНЦИИ. Привести и систематизироват факты, свидетельствующие о материальном единстве мира в контексте его эволюции.

1. Общие закономерности в движении и химическом составе тел Солнечной системы. 2. Единство химического состава объектов Вселенной. Результаты наблюдений. 3. Единство проявления физических законов во Вселенной. 4. Отличие живого вещества от неживого.

Материальное единство мира, в котором мы живем, проявляется прежде всего в единстве химического состава объектов Вселенной. Практически вое элементы таблицы Менделеева обнаружены в объектах далекого космоса. Например, гелий был открыт в результате спектральных наблюдений Солнца, а затем уже найден и на Земле. Вселенная в раннюю эпоху своей эволюции была водородно-гелиевой. Формирование более тяжелых химических элементов (вплоть до железа) происходит лишь в недрах звезд. Элементы тяжелее железа синтезируются по современным представлениям только при вспышках сверхновых звезд, которые происходят в результате эволюции сверхмассивных звезд. Планетные системы, по-видимому, рождаются вместе с одиночными звездами второго поколения. Возраст нашего Солнца и тел Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Солнце — звезда второго поколения. В состав газопылевого облака, из которого образовались звезды и планеты, уже вошли тяжелые элементы.

Другим свидетельством материального единства мира является подтвержденное наблюдениями единство законов природы, проявляющееся во Вселенной. В частности, единые свойства пространства-времени в наблюдаемом мире сопряжены, согласно современным представлениям, с непреложным выполнением законов сохранения энергии, импульса, момента импульса. Наконец, о материальном единстве мира свидетельствует наблюдаемое диалектическое единство и взаимодействие основных видов материи — вещества, поля. Единство мира проявляется также в том, что свойства нашего мира описываются мировыми константами: постоянными Больцмана, Планка, гравитационной, скорости света, которые входят в основные физические законы.

Живое и неживое имеет сходный химический состав. Как уже говорилось в § 39, характерной особенностью молекул, связанных с жизнью, является асимметрия по отношению к зеркальному отражению.

СООБЩЕНИЕ 1. Основные закономерности в Солнечной системе. Движение, строение и химический состав небесных тел. Анализ данных приведенной таблицы. Расстояния в Солнечной системе измеряют особой мерой — астрономической единицей. 1 а. е. = 149,6 млн км. Это среднее расстояние от Земли до Солнца. Радиус Земли 6378 км, масса Земли 5,97 • 10 24 кг.

Источники информации

1. Гурштейн А. А. Извечные тайны неба / А. А. Гурштейн. — М.: Просвещение, 1991.
2. Дагаев М. М. Книга для чтения по астрономии / М. М. Дагаев. — М.: Просвещение, 1980.

СООБЩЕНИЕ 2. Единство химического состава обьектов Вселенной.

Источники информации

1. Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр / С. Хокинг. — М., 1990.
2. Долгов А. Д., Вселенная, жизнь, разум / А. Д. Долгов, Я. Б. Зельдович, И. С Шкловский. — М., 1987.
3. Вещество и антивещество во Вселенной // Природа. — 1982. — № 8,

СООБЩЕНИЕ 3. Единство физических законов.

Источники информации

1. Чернин А. Д. Физика времени / А. Д. Чернин. — М.. 1987.
2. Новиков И. Д. Гравитация черных дыр / И. Д. Новиков. — М., 1986.

СООБЩЕНИЕ 4. Живое и неживое вещества. Хиральность биомолекул.

Источники информации

1. Инас М. О. природе живого: механизмы и М. Инас. — М.. 1994.
2. Докина Р. Эгоистичный ген / Р. Докинз. — М смысл / ., 1993

Материальный мир един. Единство химического состава обьектов Вселенной свидетельствует об общем происхождении и общих закономерностях эволюции. Во всей наблюдаемой Вселенной выполняются одни и те же законы, важнейшие из которых — законы сохранения. Живое и неживое вещества имеют общее и различное в химическом составе и молекулярном строении.

Источник

Химический состав вещества во Вселенной

Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен во­прос о химическом составе вещества во Вселенной.

Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование — от самого твердого ( алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик — представляет собой различные ком­бинации тех же основных элементов.

Простейший элемент — водород. Его атом состоит всего из двух частиц — электрона и протона. Следующий простейший элемент — гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электро­на, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловле­ны разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обраща­ются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэ­тому они не были найдены на Земле в естественном виде.

При спектроскопическом исследовании астрономических объек­тов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90% всех атомов во Вселенной — атомы водорода; остальные — главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ни­чтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распростране­ния элементов во Вселенной, что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов — одна из цент­ральных проблем современного естествознания, лежащая на «стыке» астрономии, химии и физики.

Источник

Химический состав Вселенной постоянно меняется

Состав Вселенной — элементы, которые являются строительными блоками для каждого кусочка материи, постоянно меняется и постоянно развивается благодаря жизни и смерти звезд. Процесс формирования элементов при росте, взрывах, слияниях звезд, был подробно описан в обзорной статье, опубликованной 31 января в журнале Science.

«Во вселенной произошли некоторые очень интересные изменения. То есть ее периодическая таблица (общее количество элементов во Вселенной) сильно изменилась», — отметил Дженнифер Джонсон, профессор астрономии из Университета штата Огайо, автор статьи. «В течение 100 миллионов лет после Большого взрыва не было ничего, кроме водорода, гелия и лития. А потом мы начали получать углерод, кислород и действительно важные элементы».

Периодическая таблица помогает людям понять элементы Вселенной с 1860-х годов, когда русский химик Дмитрий Менделеев признал, что некоторые элементы обладают разными химическими свойствами и сформировал их в диаграмму — периодическую таблицу. Это химический способ организации элементов, помогающий ученым от начальной школы до лучших лабораторий мира понять, как материалы вокруг Вселенной способны собираються вместе.

Но, как давно известно ученым, периодическая таблица просто состоит из звездной пыли: большинство элементов периодической таблицы, от самого легкого водорода до более тяжелых элементов, таких как лоуренсий, возникли в звездах.

Таблица выросла, когда были открыты новые элементы (синтетические элементы), созданные в лабораториях по всему миру, но основы Менделеева в понимании атомного веса и строительных блоков Вселенной остались неизменны.

Нуклеосинтез — процесс создания нового элемента, начался с Большого взрыва, который произошел около 13,7 миллиардов лет назад. Самые легкие элементы Вселенной, водород и гелий, были первыми результатами Большого взрыва. Но более тяжелые элементы — почти все остальные элементы периодической таблицы, в значительной степени являются продуктами жизни и смерти звезд.

По данным Джонсона, звезды с большой массой, в том числе некоторые в созвездии Ориона, на расстоянии около 1300 световых лет от Земли, соединяют элементы гораздо быстрее, чем звезды с низкой массой. Эти грандиозные звезды сливают водород и гелий в углерод и превращают углерод в магний, натрий и неон. Звезды с большой массой умирают, взрываясь в сверхновые, выпуская элементы, от кислорода до кремния в пространство вокруг них.

Меньшие звезды с малой массой (звезды размером с наше Солнце) объединяют в своих ядрах водород и гелий. Этот гелий затем сливается с углеродом. Когда маленькая звезда умирает, она оставляет позади белую карликовую звезду. Белые карлики синтезируют другие элементы, когда они сливаются и взрываются. Взрывающийся белый карлик может отправить кальций или железо в окружающую его пропасть. Слияние нейтронных звезд может создать родий или ксенон. Подобно людям, звезды живут и умирают в разных временных масштабах и в результате этого возникают различные химические элементы, что со временем меняет состав Вселенной.

Источник

Химический состав вселенной.

Химический состав космических тел

Объекты космохимии представлены звездами (95 % массы вещества Вселенной), газовыми и пылевидными туманностями, межзвездным газом, рассеянной космической пылью, планетами, кометами, метеоритами, нейтронами, протонами, электронами, кварками. Они сгруппированы в галактики, которых насчитывается около 1500. По форме преобладают спиральные галактики (61 %), реже встречаются линзовидные (22 %), эллиптические (13 %), неправильные (4 %). В нашей галактике насчитывается около 1011 звезд. Планета Земля находится в одном из рукавов спирали.

Химический состав космических тел отражает сложные пути их эволюции и определяется рядом физических и химических факторов: образованием и преобразованием атомов во времени; распределением атомов под влиянием космических причин (тяготение, световое давление, электромагнитные поля и др.); физико-химическим перераспределением групп атомов, электронов, молекул.

Кларки солнечной атмосферы принято относить к кларкам космоса, которые рассчитывают на 106 атомов Si или Н. В спектре солнечной атмосферы открыто более 70 элементов с преобладанием Н (70 % по массе), Не (28), на долю остальных приходится 2 %. Очень мало тяжелых элементов после железа. Согласно Л. Аллерому и Дж. Россу (1976), для 13 элементов получены следующие данные: H – 106 % , He – 6,3 ·104, O – 6,9 ·102, C – 4,2 ·102, N – 87, Si – 45, Mg – 40, Ne – 37, Fe – 32, S – 16, Ca – 2,2, Ni – 1,9, Ar – 1,0 %. При давлении в центре звезды 1016 Па и температуре 107 К вещество состоит из свободных ядер и электронов (ионизированная водородно-гелиевая плазма).

Солнце представляет собой водородно-гелиевый раскаленный шар с плотностью 1,41 г/см3, который каждую минуту теряет 240 млн т массы путем излучения. Каждый квадратный сантиметр его поверхности излучает 375 859,48 Дж/мин. Отличие по химическому составу поверхности и глубинных частей незначительное. Состав Солнца по углероду и инертным газам близок к составу Земли, что указывает на генетическое единство всех тел солнечной системы.

Газовые туманности состоят из сильно разреженных газов, пред- ставляющих собой извержения из звездной материи. Космические лучи – это поток частиц и атомных ядер очень высокой энергии, состоящих в основном из протонов p (90 %). Многие космические частицы обладают электрическим зарядом, поэтому отклоняются магнитном полем планеты. С ростом магнитной жесткости частицы будут глубже проникать в магнитное поле. В земной атмосфере они образуют вторичное излучение, в котором встречаются все элементарные частицы с высокой проникающей способностью.

Космические частицы – по сравнению с Солнечной системой беднее Н, Не, Li, Be, B, но богаче тяжелыми металлами. За сутки на поверхность Земли поступает до 100 т космической пыли, метеоритов. Метеориты – обломки космической материи. Изотопный состав по C, O, Si, Cl, Fe, Ni, Co, K, Cu, Ga, U такой же, как изотопный состав этих элементов земного происхождения. Различие в изотопах по некоторым редким элементам и инертным газам (He, Ne, Kr, Xe) образуется из-за облучения метеоритов космическими лучами. По составу метеориты бывают металлические (Fe, Ni), силикатные (Si, Al), сульфидные (FeS и др.). Самые распространенные каменные (аэролиты) метеориты (90 %). Среди каменных преобладают хондриты, для силикатной части которых характерны «хондры» – шарики диаметром около одного миллиметра из стекла или нераскристализованного материала. Средний состав хондритов следующий: O (33,24 %), Fe (27,24), Si (17,19), Mg (14,29), S (1,93), Ni (1,64), Ca (1,27), Al (1,22), Na (0,64), Cr (0,29), Mn (0,25), P (0,11), K (0,08 %).

Планеты солнечной системы

Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX в. наблюдения за планетами с Земли дополняются информацией со спутников и межпланетных станций.

Планеты отличаются по размеру, плотности, массе, расстоянию от Солнца и другим параметрам. Они делятся на две группы: внут ренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет кольцо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты, вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3–3,5 г/см3), а внеш- ние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71–2,00 г/см3).

Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, последняя выражена у Меркурия (62 %). Чем ближе к Солнцу планета, тем больше она содержит металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (Н, Не, СН4, NH3 и др.).

Меркурий. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом вращения вокруг Солнца. Меркурий повернут од ной стороной к нему. Поверхность покрыта кратерами. Имеются узкие и длинные хреб ты. Кора андезитовая, как на Луне, возраст 3,9–4,4 млрд лет. Ядро массивное металлическое с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содержит О, Na, He, K. В нее заходят газовые струи от Солнца, состоящие из Н и Не. Из-за высокой температуры на освещенной стороне горные породы выделяют в атмосферу натрий.

Венера вращается в противоположную сторону, по сравнению с Землей. Сила тяжести почти такая же, как на Земле. Отсутствует смена времен года. По размерам, плотности, а также давлению и температуре на высоте 50 км она сходна с Землей, а солнечной энергии получает в два раза больше. Атмосфера состоит из СО2 (96,5 %), N2 (3,4) вулканического происхождения, около 0,1 % приходится на H 2, O2, H2O, CO, COS, SO2, S2, H2S, SF6, HCl, HF, Ne, Ar, Kr, Xe. Предположительно облака состоят из паров и капелек серной кислоты. В наэлектризованной атмосфере зарегистрировано 50 молний в секунду в одном месте. Атмосферное давление в 100 раз выше земного. На высоте облаков атмосфера планеты вращается со скоростью 100 км/с, ниже 10 км – 1 м/с, на поверхности – не более 1 м/с, но эта скорость валит с ног из-за высокой плотности. Господствует западное направ ление ветра. Дневное освещение аналогично пасмурному дню. Поверхностный грунт состоит на 50 % из SiO2. В нем отождествлены элементы Al, Mg, Ca, Fe, K, Mn, Ti, S, Cl, U. Породы близкие к гранитоидам. Горы занимают 8 % всей поверхности, максимальная высота до 11 км (г. Максвелла). Преобладает низменная и волнистая равнина с множеством кратеров диаметром до 280 км, плоскогорья на высотах примерно 3500 м.

Луна – спутник Земли. Поворот вокруг оси совпадает с поворотом вокруг Земли (27,3 суток). Атмосфера отсутствует. На поверхности реголит (пыль) мощностью до нескольких метров. Реголит состоит из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы, спекшихся друг с другом и образовавших губчатую массу. «Материки» занимают 85 %, «моря» (пониженные места) 15 % и представлены базальтовой породой. Химический состав отражает высокотемпературные условия его образования. Исследованные породы изверженные, они кристаллизовались при температуре 1210–1060 °С с силикатного расплава, обогащенного железом. Ведущие минералы: пироксен, плагиоклаз, ильменит, оливин. В породах среди O, Si, Fe, Ca, Mg, Al, Ti повышенное количество Fe, Ti, Zr и редких земель. Выделяются элементы группы железа (V, Cr, Mn, Co, Ni), молибдена (Y, Zr, Nb, Ta).

Марс обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки и каждые 780 дней находится на минимальном расстоянии (противостояние) с Землей – 55 млн км, на максимальном 102 млн км. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 65 °. Атмосфера разреженная, давление в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли. У полюсов облака голубые и состоят из СО2, небо тускло- розового цвета. Атмосфера состоит из СО2 на 95 %, по другим источникам – на 75 и 50 %, N2 (2,5), Ar (1,6), O2 (0,1–0,4), CO (0,06), Н2О (0,03 %), очень мало Ne, Kr, Xe. Имеются пары воды, аэрозоли образуются за счет пылевых бурь. Лед состоит из СО2 и частично Н2О. Ядро малое (5–9 % массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю кратерированную кору и базальтовые «моря» в депрессиях. В грунте Марса содержится Fe – 12–14 %, Si – до 20, Ca – 4, Al – 2–4, Mg – 5, S – 3 %, а также другие элементы.

Юпитер – самая большая планета Солнечной системы и близкая по размерам (в 10 раз меньше диаметра Солнца) и массе к небольшой звезде, имеет низкую плотность. В атмосфере образуются неподвижные вихревые образования и оглушительные раскаты грома и молнии. Атмосфера на 90 % состоит из Н2 и на 10 % из Не с незначительной примесью метана, аммиака, воды. Вокруг планеты имеются мощные пояса заряженных частиц. Характерны полярные сияния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена металлическим водородом (80 %) в твердой фазе и гелием (20 %). На глубине 0,02 радиуса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера железосиликатное.

Сатурн уступает Юпитеру по массе и размерам с самой низкой плотностью (0,71 г/см3) среди планет. Имеет 17 спутников. Толщина всех колец вокруг планеты 2 км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10 м, ширина всех колец 400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97 %) и гелия (3 %), аммиака, метана, этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800 км/ч, что в 20 раз больше штормового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000 км. Поверхность представлена океаном из Н2 и Не. Ядро расплавленное силикатно-металлическое.

Уран и Нептун по химическому составу сходны с Юпитером и Сатурном. Уран движется в Солнечной системе лежа на боку, и ось вращения лежит почти в плоскости его орбиты. Атмосферы планет состоят из водорода (80–83 %), гелия (15–18), метана (3), аммиака, этана, ацетилена, воды. Отмечены перистые облака из метана, которые придают голубой цвет планетам. Недра этих планет на 20 % состоят из Не и Н2, на 80 % из более тяжелого вещества железо-силикатного состава.

Источник