Химический уровень организации материи кратко
Обновлено: 04.07.2024
Химический элемент -совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Атом - наименьшая частица вещества (химического элемента), являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемых символом элемента (например, атом водорода Н; атом углерода С; атом железа Fe и т.д.). Атомы могут существовать как в свободном состоянии (в газе), так и в виде химических соединений — молекул. Связываясь непосредственно или в составе молекул, атомы образуют жидкости и твердые тела.
Эволюция представлений о строении атома –эволюция развивалась по следующей схеме: мельчайшая неделимая частичка вещества – мельчайшая частичка сложного строения (модель Томпсона) – квантово – механическая модель – квантовые представления.
Квантовомеханическая модель строения атома –теория Бора: электроны в атоме движутся по круговым орбитам вокруг ядра и при этом не излучают энергии, при переходе электрона с одной орбиты на другую атом излучает или поглощает энергию в виде кванта hν = Em 1 – Em 2, где Em – энергия электрона на соответствующем уровне.
Молекула как квантово-химическая система молекула - система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находиться в различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служить для идентификации молекул.
Вещество -вид материи, которая обладает массой покоя.
Катализаторы– вещества, ускоряющие скорость химических реакций.
Биокатализаторы (ферменты) – сложное органическое вещество белковой природы, содержащееся в животных и растительных организмах и в миллионы раз ускоряющее химические процессы в них.
Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев.
Мономеры –повторяющиеся звенья полимеров.
Периодическая система -классификация химических элементов, позволяющая выявить зависимость их различных свойств от числа протонов в атомном ядре.
Периодический закон Д. И. Менделеева – физико - химические свойства элементов являются периодической функцией их атомных весов.
Тема 3.06. Процессы на химическом уровне организации материи
Химический процесс –процесс взаимодействия атомов и молекул, сопровождающийся изменением состава и(или) строения.
Тепловые эффекты процессов (экзо-, эндотермические):
Химический процесс, сопровождающийся выделением энергии называется экзотермическим, если энергия поглощается, то процесс называется эндотермическим.
Понятие о химической кинетике –наука, изучающая скорости и механизмы химических реакций.
Факторы, влияющие на реакционную способность веществ: влияние концентрации - закон действующих масс -при установившемся хим. равновесии между реагентами и продуктами реакции выполняется равенство , где μi - хим. потенциал i-го компонента системы, νi - eгo стехиометрический коэффициент (для реагентов он отрицательный, для продуктов реакции - положительный).
Факторы, влияющие на реакционную способность веществ: влияние температуры -правило Вант-Гоффа -при увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции удваивается.
Энергия активации (энергетический барьер реакции) -минимальное количество энергии, которую требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция.
Факторы, влияющие на реакционную способность веществ: катализ –возбуждение химических реакций или скорости их протекания посредством добавления особых веществ катализаторов, не участвующих непосредственно в реакции, но изменяющих ход ее протекания.
Понятие об автокатализе –ускорение реакции, обусловленное накоплением промежуточного или конечного продукта, обладающего каталитическим действием для данной реакции ( т. е. из – за образующегося в процессе реакции катализатора).
Катализ ферментативный –ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками – ферментами.
Эволюционная химия- под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых сложных, высокоорганизованных соединений без участия человека.
Динамическое равновесие (химическое и фазовое) -является одним из основных случаев термодинамического равновесия и включает в себя условия равенства температуры всех частей системы (термического равновесие), равенства давления во всем объеме системы (механическое равновесие) и равенство химических потенциалов каждого компонента во всех фазах системы, что обеспечивает равновесное распределение компонентов между фазами.
Принцип Ле Шателье –если к равновесной системе, находящейся при постоянном давлении, подводить теплоту, то равновесие сместится в сторону поглощения теплоты; и наоборот, если отводить теплоту из равновесной системы, то равновесие сместится в сторону выделения теплоты.
Химия – одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д.И. Менделеева (1871), "химию в современном ее состоянии можно назвать учением об элементах". Происхождение слова "химия" выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта – Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от "хем" или "хаме" – черный и означает "наука черной земли" (Египта), "египетская наука".
Современная химия тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и ее переходов в другие формы движения обусловливает разносторонность химической науки и ее связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке и теоретическая химия также не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает ее влияние. Исторически сложились два основных раздела химии: неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с другими элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины "неорганическая химия" и "органическая химия" указывали лишь на то, из какого "царства" природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая химия соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией и геологией, т.е. с науками о неорганической природе. Органическая химия представляет отрасль химии, которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию Химия граничит с биохимией и далее с биологией, т.е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений. В химии постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределенных нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: химия комплексных соединений, полимеров, кристаллохимия, учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях, сплавах и др.
Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области химии относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: термодинамика химическая, кинетика химическая, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, радиационная химия, фотохимия, учения о катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях химии и химической промышленности. В областях практического приложения химии возникли такие науки и научные дисциплины, как химическая технология с множеством ее отраслей, металлургия, агрохимия, медицинская химия, судебная химия и др.
Химический процесс – последовательная смена состояний вещества; изменения, при которых в результате взаимодействия не менее двух исходных веществ (химической реакции) появляются одно или несколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами. Учение о химическом процессе представляет собой исследование термодинамических и кинетических закономерностей протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций, строение и состав молекул исходных реагентов и некоторые другие
Реакционная способность вещества – химическая активность отдельных фрагментов молекулы – атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей; реакционная способность веществ зависит от их состава, структуры реагирующих молекул и внешних воздействий.
Химическая реакция – процесс превращения одних веществ в другие в результате столкновения молекул с большой энергией, что приводит к приводит к "молекулярной аварии". К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. Скорость реакции зависит от а) природы реагирующих веществ, б) концентрации реагирующих веществ, что связано с частотой столкновений реагирующих молекул (закон действующих масс для веществ в растворенном состоянии и газов); в) температуры (правило Вант-Гоффа); увеличение температуры приводит к значительному увеличению скорости химической реакции, поскольку увеличивается величина энергетического барьера, соответствующего энергии активации; г) площади поверхности реагирования; д) катализаторов.
Химическая термодинамика – направлении в химии, в которой обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции.
Химическая кинетика – отрасль химической науки, в которой изучаются скорость химических реакций, их механизм и условия протекания.
Теплосодержание (химическая энергия) – мера энергии, накапливаемой веществом при его образовании; теплосодержание иногда назьгеают химической энергией, так как его величина тесно связана с химическим составом вещества.
Тепловой эффект химической реакции равен разности между теплосодержанием ее продуктов ; измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции можно судить об изменении внутренней энергии системы, что измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль).
Закон Гесса – основной закон термохимии, который гласит, что тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных стадий процесса; этот закон позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.
Экзотермические реакции – химические реакции, протекающие с выделением энергии (обычно в виде тепла и света), поскольку теплосодержание реагирующих веществ больше, чем у продуктов реакции.
Эндотермические реакции – химические реакции, протекающие с поглощением энергии, поскольку теплосодержание продуктов реакции больше, чем у реагирующих веществ; в этих реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла.
Закон действующих масс – закон в химической кинетике, выражающий зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ (реагентов), согласно которому при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ.
Принцип Ле Шателье – принцип (правило) подвижного химического равновесия (Ле Шателье, 1884), выражающее влияние изменений внешних воздействий на направление смещения равновесия, согласно которому если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация компонентов системы), то положение равновесия химической реакции смещается в ту сторону, которая ослабляет данное воздействие.
Правило Вант-Гоффа – правило в химической кинетике (Я.Вант-Гофф, 1884), выражающее влияние температуры на скорость химической реакции, согласно которому при повышении температуры на каждые 10 С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.
Катализ – ускорение химической реакции в присутствии особых веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов.
Катализатор – вещество, увеличивающее скорость химической реакции; в реакции не расходуется и в конечный состав продукта не входит. Присутствие катализатора увеличивает сворость реакции, поскольку происходит снижение энергии активации и большее число молекул может преодолеть более низкий энергетический барьер.
Ферменты (от лат. fermentum – закваска) – биологические катализаторы, присутствующие во всех клетках, имеющие белковую природу и ускоряющие биохимические реакции; известно более 1000 ферментов, и каждый из них действует сугубо избирательно только на определенную реакцию, не затрагивая иные; ферменты играют исключительную роль в биологических процессах и технологии веществ растительного и животного происхождения, а также в медицине.
Равновесие – состояние, в котором свойства системы, определенные экспериментально, не претерпевают дальнейшего изменения даже по истечении определенного промежутка времени; равновесие характеризуется постоянством макроскопических свойств и может осуществляться только в замкнутой системе, содержащей постоянное количество вещества при постоянной температуре. Кинетическим условием состояния равновесия выступает равенство скоростей прямого и обратного микроскопических процессов в системе. Факторами, влияющими на состояние равновесия, являются концентрация (реагирующих веществ или продуктов реакции) и температура; катализаторы, повышающие скорости реакции, однако, не изменяют состояния равновесия, т.к. оказывают одинаковое влияние на скорости прямой и обратной реакций.
Биология совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
Предмет биологии, её структура и этапы развития
Первые попытки познания живой природы сделаны в древней Греции врачами Гиппократом и Галеном.
На начальном этапе развития биология носила описательный характер, и позднее она была названа традиционной биологией.
1. По объектам исследования:
1. По свойствам проявления живого:
1. морфология – наука о строении живых организмов;
2. физиология – наука о функционировании организмов;
3. молекулярная биология – изучает микроструктуру живых тканей и клеток;
4. экология – рассматривает жизнь во взаимодействии с окружающей средой;
5. генетика – исследует законы наследственности и изменчивости.
1. По уровню организации исследуемых живых объектов:
1. анатомия – изучает макроскопическое строение животных;
2. гистология – изучает строение тканей;
3. цитология — исследует строение живых клеток.
В настоящее время биологией изучено:
1. 1 миллион животных;
2. 500 тысяч растений;
3. несколько сот тысяч грибов;
4. 3 тысячи видов бактерий.
Этапы развития биологии:
1. систематизации (К. Линней);
2. эволюции (Ч. Дарвин);
3. биологии микромира (Грегор Мендель).
Каждый этап связан с изменением представлений о мире живого.
Сущность живого, его основные признаки
В настоящее время биологи описывают живое путём перечисления его основных характерных свойств:
1. сложная структура;
2. получает энергии из окружающего мира;
3. реагирует на внешние раздражители;
4. меняется и усложняется;
5. всё живое размножается;
6. передаёт заложенную в нём информацию для жизни потомству;
7. приспосабливается к среде обитания.
Живым считается только та материя, которая обладает всей совокупностью перечисленных свойств.
Все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются. Однако, отличительной чертой живых организмов от неживой природы является их наследственность и изменчивость
Жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.
Главный критерий жизни – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.
Структурные уровни организации материи
Все объекты живой и не живой природы можно представить в виде определённых систем, обладающих конкретными свойствами, характеризующими их уровень организации.
Концепция структурных уровней организации материи впервые была предложена в двадцатых годах нашего столетия.
Структурные уровни различаются не только по классам сложности, но и по закономерностям функционирования. Концепция включает иерархию структурных уровней, в которой каждый последующий уровень входит в предыдущий, образуя единое целое.
Структурные уровни живой материи:
1. Биосфера – вся совокупность живых организмов Земли;
2. Биогеоценозы – участки Земли с определённым составом живых и неживых компонентов.
3. Единый природный комплекс – экосистема;
4. Виды – популяции. Это свободно скрещивающиеся особи одного вида;
5. Органы – ткани. Признаки особей, их строение, строение органов и тканей;
6. Клетки. Специализация клеток и внутриклеточные включения;
7. Молекулы. Предмет молекулярной биологии.
Данной структуре соответствуют следующие уровни:
4. Семейно-стадные группы;
5. Многоклеточные организмы;
6. Клетки как организмы;
7. Комплексы полимеров;
Разделение живой материи на уровни является условным.
Клетка как: первоисточник живого, её строение и функционирование
Клетка является мельчайшей системой обладающей, всем комплексом свойств живого, в том числе и генетической информации.
Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и живые организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это подтверждает единство происхождения и развития всего живого.
Клетки могут существовать как одноклеточные организмы (амёбы), а также в составе многоклеточных организмов.
Размер клетки от одной тысячной сантиметра до 10 сантиметров.
Клетки образуют ткани (нервная, мышечная), а несколько типов тканей образуют органы (сердце, лёгкие). Группа органов, решающих общую задачу, образует системуорганизма.
Клетка имеет ядро и оболочку, через которую она обменивается с внешним миром веществом, энергией и информацией. Это свойство называют метаболизмом клеток.
Существуют клетки, у которых отсутствует ядро — прокариоты,а также бесклеточные организмы – вирусы.
Управление внутриклеточным обменом находится в особых структурах, в ядре клетки, в длинных цепях молекул нуклеиновых кислот ДНК и РНК, исходной структурой которых является ген.
Ген обеспечивает метаболические и наследственные функции клетки и всего организма в целом. Открытие генов позволило вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмом наследственности и практически решать задачи клонирования.
Концепции эволюционной биологии
Для живой природы постоянное развитие является важным и характерным свойством. На этом фундаменте и построенаэволюционная биология.
Эволюционная биология как наука о развитии живой природы начиналась с теории эволюции органического мира Земли, основанной Ч. Дарвином.
Эволюция, по Дарвину, осуществляется в результате, взаимодействия трёх основных факторов:
1. Естественного отбора.
Изменчивость служит для образования новых признаков и особенностей организмов.
Наследственность – закрепляет эти признаки.
Естественный отбор устраняет организмы, не приспособленные к условиям существования.
Эти факторы подтверждаются в следующих наблюдениях:
1. В любой популяции животных наблюдается изменчивость её особей.
2. Некоторые из этих изменений имеют генетическую основу, то есть, получены при рождении от родителей, а другие являются результатом приспособления к окружающей среде и приобретены в течение жизни.
3. Рождается значительно большее число организмов, чем доживает до размножения. Выживают организмы, обладающие сочетанием генов, повышающих вероятность их выживания.
Благодаря наследственной изменчивости и непрерывному действию естественного отбора организмы в процессе эволюции накапливают новые приспособительные функции, что ведёт к образованию новых видов.
Дарвин установил движущие силы эволюции органического мира, объяснил процесс развития и становления биологических видов.
В эволюционной биологии принцип естественного отбора остаётся основополагающим и в настоящее время.
Предмет генетика
Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методов управления ими.
Генетика является научной основой для разработки практических методов селекции, то есть создания новых пород животных, видов растений, культур микроорганизмов с нужными человеку признаками.
Ген – это элементарная единица наследственности.
По своему уровню ген – внутриклеточная молекулярная структура.
По химическому составу ген – это нуклеиновые кислоты, в основе которых азот и фосфор.
Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток.
В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные Грегором Менделем.
Направления исследования генетики:
1. изучение молекул нуклеиновых кислот;
2. исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информацией от поколения к поколению;
3. изучение механизмов реализации генетической информации в
конкретные признаки и свойства организма;
4. выяснение причин и механизмов изменения генетической информации.
Гены способны изменяться мутировать в результате воздействия окружающей среды. В результате может появиться организм нового вида – мутант.
Одним из наиболее опасных видов мутагенов являютсявирусы. Они проникают в живую клетку и используют её органические вещества и энергию. Сами вирусы не могут синтезировать белок.
У человека вирусы вызывают различные заболевания, включая СПИД. В настоящее время задача по очистке клетки от чужеродной вирусной информации не решена.
Биоэтика
Основные принципы биоэтики:
1. принцип единства жизни и этики;
На основе этих принципов в будущем будут созданы нормы биоэтики.
Биохимическая эволюция
Сведениями о распространении жизни во вселенной и о возможных её формах наука не располагает.
Может ли жизнь на Земле быть для Вселенной случайным событием? Современная наука считает, что нет по двум причинам:
1. Высочайшая степень упорядоченности и саморегулирования жизни не могли возникнуть из-за случайных стечений обстоятельств.
2. Признаётся, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании со временем сложности упорядоченности вещества и его структур во Вселенной.
Жизнь – самая высокая форма упорядоченности вещества, которая может возникнуть только по достижении Вселенной определённой стадии эволюции.
Возраст Земли 4,6 миллиарда лет. Первые водоёмы появились 3,8 миллиарда лет назад, их температура была не более 58 градусов. Следы обнаруженных древнейших организмов имеют возраст 3,2 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся ниточные и округлые микроорганизмы. Они напоминают простейшие бактерии и микроводоросли. Организмы имели внутренние структуры, в них присутствовали химические элементы, соединения которых способны осуществлять фотосинтез.
Эти организмы бесконечно сложны по сравнению с самыми сложными из органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Очевидно, что это не самые ранние формы жизни.
Истоки жизни уходят в первый миллиард лет существования Земли как планеты, который не оставил следов в геологической истории. Именно тогда на Земле имели место условия для возникновения биосферы. С тех пор живое вещество порождается только живым.
Одним из предполагаемых условий для возникновения жизни была восстановительная атмосфера Земли. Кислород в ней практически отсутствовал. Зародившаяся жизнь постепенно насыщала атмосферу кислородом, выделявшемся в процессе фотосинтеза.
В настоящее время наука ещё далека от решения загадки зарождения жизни. Сегодня продолжаются споры о материальной сущности жизни:
Доказательств того или иного не существует, выбор позиции определяется внутренними убеждениями каждого человека.
Особенность познания нового состоит в том, что при столкновении с необычным явлением, у исследователя возникает соблазн пойти по лёгкому пути объяснения. Непонятное объяснить новым непонятным, введя новую сущность (принцип Оккама). На время создаётся иллюзия, что всё понятно, но это бесперспективный путь.
В настоящее время, возможности объяснить сложность и устойчивость живой материи на базе физико-химических представлений, не исчерпаны.
этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы Земли;
этап формирования в водоёмах Земли биополимеров и углеводородов из органических соединений;
самоорганизация сложных органических соединений, эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием клетки.
Свойства живого вещества:
всеобщность – способность быстро занимать все свободное пространство;
активноcть– способность двигаться против действия внешних сил;
самодостаточность– устойчивое существование при жизни;
редуцентность– быстрое разложение после смерти;
адаптируемость –высокая степень адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды;
реактивность –высокая скорость протекания химических реакций;
обновляемость– высокая скорость обновления живого вещества.
Функции живого вещества:
энергетическая– энерговыделение и потребление
газовая– газовыделение и потребление
окислительно-восстановительная –окисление-восстановление веществ
концентрационная –концентрация веществ
деструктивная –разложение сложных веществ
транспортная –перенос веществ
средообразующая –образование веществ окружающей среды
рассеивающая –рассеивание веществ
информационная –прием, сохранение, переработка, передача информации
Гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 2 группы: абиогенные и биогенные гипотезы. Сторонники абиогенных гипотез, например, Аристотель, допускают возникновение живых организмов из неорганического вещества. По мнению этих ученых для этого необходимы лишь особые условия, при которых происходят качественные преобразования неживой природы в живую. Также в пользу сторонников абиогенных гипотез свидетельствует то что по составу живое и неживое вещество состоит из одних и тех же химических элементов; кроме того в неживой природе известны случаи самоорганизации элементов систем, также впечатляют успехи органической химии при решении проблем синтеза полимеров. Однако экспериментальных доказательств реальных условий возникновения живого вещества из неорганических веществ в настоящее время не существует.
Читайте также: