Презентация на тему "Химия и эволюция"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Химия и эволюция

• 
  Слайд 2

  Особенности химии

  Физика вырабатывает фундаментальные концепции и модели естествознания. Особенность химии состоит в том, что экспериментальное моделирование явлений играет здесь доминирующее значений в развитии знаний. Химия – экспериментальная наука. В химии успешно используется индуктивный подход, согласно которому на основе имеющихся фактов выявляются более или менее общие закономерности, а затем создаются общие модели.

• 
  Слайд 3

  Структура химии

  В настоящее время химия состоит из следующих разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия; химия высоко молекулярных соединений.

• 
  Слайд 4

  Задачи химии

  Все разделы химии осуществляют решение двух крупных задач: Получение веществ с заданными свойствами; Исследование генезиса (происхождения) веществ. Решение этих задач предполагает проведение исследований: элементного молекулярного состава веществ, структуры молекул вещества, термодинамических и кинетических условий химического процесса, процессов самоорганизации и эволюции химических соединений.

• 
  Слайд 5

  История химии

  Химия – очень древняя наука. До нашей эры химия развивалась, в основном, в древнем Египте и арабских странах. Накопленные знания не выходили, однако, за пределы феноменологического уровня: были описаны свойства веществ; устанавливались некоторые закономерности их взаимодействия сущность явлений подменялась мистической интерпретацией. В Западной Европе развитие химии было тесно связано с развитием техники, химия продолжала быть связана с религиозно-философскими представлениями, т.е. оставалась «алхимией».

• 
  Слайд 6
  

  Становление химии проходило на основе двух законов: Закон сохранения массы:полная масса замкнутой системы остается постоянной, т.е. в результате химической реакции не происходит измеримого увеличения или уменьшения массы (закон Ломоносова-Лавуазье «если в одном месте что-нибудь прибудет, то в другом месте непременно столько же убудет»); Закон постоянства состава:всякое химическое соединение, независимо от способа получения, всегда содержит определенные элементы в одинаковом весовом соотношении (французский химик Ж.Пруст).

• 
  Слайд 7
  

  Универсальным законом химии считается периодический закон химических элементов Д.И.Менделеева:свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения атома; они закономерно изменяются в зависимости от атомного номера в таблице элементов.

• 
  Слайд 8

  Периодический закон Менделеева

  В основу систематизации свойств химических элементов Менделеевым была положена концептуальная идея зависимости свойств элементов от атомной массы. Признаком химического элемента является не экспериментально установленная неразложимость данного вещества (как считалось раньше), а место в периодической системе, определяемое атомной массой.

• 
  Слайд 9

  Химический элемент

  Проблема химического элемента вышла за рамки классического представления о веществе. Место элемента в периодической системе получило новый смысл, связанный со структурой атома. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов. Химические свойства атомов определяются характером заполнения электронных орбит.

• 
  Слайд 10
  
• 
  Слайд 11

  Химический элемент

  Во времена Менделеева было известно 62 элемента. В 1930 годы Система элементов заканчивалась ураном (Z=92). С начала 40-х годов Система пополнялась путем физического синтеза. Элементы №93-96 (нептуний, плутоний, амерций, кюрий) открыли в 1940-1949 гг., элементы №97-101(берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделеевий) стали известны в 1949-1952 гг. Элементы, начиная со 102 неустойчивы, а начиная со 110 – настолько короткоживущие, что могут распасться в момент образования. Есть предположения, что устойчивыми могут быть элементы с номерами 124, 164, 184, их еще предстоит открыть.

• 
  Слайд 12

  Химическое соединение

  Химические элементы образуют химические соединения в соответствии с законом постоянства состава. С точки зрения атомного строения вещества, атом легче вступает в химические реакции, если он имеет незаполненные электронные оболочки. Атом отдает или приобретает электроны на свою внешнюю электронную оболочку в зависимости от валентности – способности атома к образованию химической связи.

• 
  Слайд 13

  Химическая связь

  Под химической связью понимается определенное взаимодействие атомов, которое приводит к заданной конфигурации атомов, отличающей одни молекулы от других. Вещество, которое состоит из атомов в определенном соотношении, объединенных определенной химической связью, является химическим веществом. Ионная, ковалентная, металлическая химическая связь.

• 
  Слайд 14

  Ионная связь

  Атомы могут терять или приобретать электроны, превращаясь в ионы (анионы и катионы). Анионы и катионы с полностью заполненной электронной оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионами и катионами возникает электростатическое притяжение. Химическая связь такого рода называется ионной связью. Наиболее типичные ионные соединения состоят из катионов металлов I и II групп и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (например, NaCl).

• 
  Слайд 15

  Ковалентная связь

  Ковалентная связь образуется парой электронов, обобществленных между двумя соседними атомами (например, Н2, О2)

• 
  Слайд 16

  Металлическая связь

  Металлы в твердом состоянии существуют в форме кристаллов. Эти кристаллы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в определенных положениях кристаллической решетки квазисвободными электронами. Электроны, участвующие в образовании металлической связи, являются внешним, или валентными электронами. Эти электроны уже не принадлежат отдельным атомам, а делокализованы между положительными ионами.

• 
  Слайд 17

  Структурная концепция

  В соответствии со структурной концепцией молекулы представляют собой не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее. Химические связи в молекуле имеют пространственное распределение, а форма молекул определяется углами между направлениями связей, соединяющих атомы в данную молекулу (линейные молекулы, уголковые молекулы). Комбинируя атомы различных элементов, можно создавать структурные формы любого химического соединения, т.е. находить путь химического синтеза.

• 
  Слайд 18
  
• 
  Слайд 19

  Химическая активность

  Созданная А.М.Бутлеровым теория химического строения объяснила причины химической активности одних веществ и пассивности других. Позже теория Бутлерова нашла обоснование на основе квантовой механики. Реакционная способность - характеристика химической активности веществ, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Инертные газы химически инертны имеют низкую реакционную способность, а щелочные и галогены - высокую. Реакционная способность зависит и от условий реакции (природы среды, присутствия катализаторов, давления, температуры, облучения и т.п.).

• 
  Слайд 20
  

  Химическую активность можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при образовании химической связи сумма энергий связываемых компонент (атомов) больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой. Наличие в молекуле двойных и тройных связей, приводит к дальнейшему увеличению реакционной способности. Образование такой химической связи происходит с выделением энергии, такие реакции называются экзотермическими.

• 
  Слайд 21

  Энергией химической связи

  Энергия двойных и тройных связей больше энергии одинарных связей. Углерод и азот наиболее широко распространены в окружающем мире – их связи самые прочные. Чтобы разорвать химическую связь, необходимо затратить энергию, называемую энергией химической связи.Одним из способов сообщения достаточной энергии является поддержание необходимой температуры.

• 
  Слайд 22

  Химические системы

  Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические процессы, а в неравновесных – необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные. Именно в них возникают флуктуации и неустойчивости, а их развитие починяется законам нелинейной динамики. Область химии, объясняющая типы реакций, их ход и возможность изменения направлений процессов, называется химической кинетикой.

• 
  Слайд 23
  

  Принцип смещения равновесия установлен А. Ле Шателье (1884) и термодинамически обоснован К. Брауном (1887). Внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. При нагревании равновесной системы в ней происходят изменения (например, химические реакции), идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении — изменения, протекающие с выделением теплоты.

• 
  Слайд 24
  

  Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых химических соединений и сопровождаются выделением энергии. Скорость реакции зависит от температуры, при этом каждая молекула проходит стадию активации. Катализаторыуменьшают энергию активации, что увеличивает скорость химической реакции. Если скорости прямой и обратной реакции равны, то система находится в динамическом равновесии.

• 
  Слайд 25
  

  Примером самопроизвольных периодических химических реакцийявляется реакция окисления лимонной кислоты в присутствии катализатора, впервые открытая Б.Белоусовым в 1951 г. Происходит чередование окислительно-восстановительных процессов, и раствор самопроизвольно периодически меняет цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались для различных веществ и получили название реакций Белоусова-Жаботинского.

• 
  Слайд 26

  Реакции Белоусова -Жабатинского

• 
  Слайд 27

  Химические системы

  В современной химии важнейшее значение имеет проблема поиска эффективных катализаторов для различных химических технологий. В биохимии установлено, что основой химии живого являются каталитические реакции, т.н. биокатализ.Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогичных образующимся в живом организме. Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии.

• 
  Слайд 28

  Химическая эволюция

  Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, т.е. установления закономерностей самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами. В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе реакции (обычно катализаторы в ходе реакции дезактивировались), что позволило говорить о самоорганизация химического процесса – такое состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности.

• 
  Слайд 29
  

  Одна задач из эволюционной химии – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией». Есть два подхода к изучению предбиологических систем: Синергетический, который в химии получил название функционального; Субстратный, связанный с вещественной основой процессов химической самоорганизации.

• 
  Слайд 30
  

  Субстратный подход - накопление информации о роли отдельных химических элементов и структур в ходе химической эволюции. В настоящее время известно более ста химических элементов, но основу живых систем составляют только шесть из них, т.н. органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера).Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4%. Еще двенадцать элементов (Na, К, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют в живом примерно 1.6%, остальные слабо представлены в живой материи.

• 
  Слайд 31
  

  На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, а углерод занимает только 16-е место. Совместная весовая доля четырех органогенов (C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли составляет 0.24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли при формировании органических систем. С химической точки зрения отбор элементов происходил по следующим признакам: Способность образовывать достаточно прочные энергоемкие связи; Образованные связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми.

• 
  Слайд 32
  

  Углерод был отобран эволюцией как органон №1. Он участвует почти во всех типах химических связей, известных в химии, образует углерод-углеродные связи, строя длинные и стабильные скелеты молекул в виде цепей, колец и даже сложных трехмерных образований (т.н. фуллеренов). Материалы, построенные на основе углерода, легли в основу развития нанаотехнологий.

• 
  Слайд 33

  Углерод

• 
  Слайд 34

  Графен

• 
  Слайд 35

  Углерод

  Фуллерен С60 Нобелевская премия по химии 1996 г., которую разделили З. Керл, Р. Смэлли (США) и Г. Крото (Англия), присуждена за открытие и исследование фуллеренов - замкнутых объемных структур изатомов углерода.

• 
  Слайд 36

  Углеродные нанотрубки

• 
  Слайд 37

  Химическая эволюция

  Углеродные атомы создают связи с атомами H, N, O, P, S в различных комбинациях, что обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, проявляющееся в размерах, структуре и химических свойствах молекул. Подобно тому, как только шесть органогенов отобраны природой в основу биосистем, также в предбиологи-ческой эволюции из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен (из ста известных аминокислот в состав белков входят только двадцать).

• 
  Слайд 38
  

  В природе происходит отбор тех соединений, которые получаются относительно большим числом химических путей и обладают широким каталитическим спектром. Согласно теории развития элементарных открытых каталитических систем (1964 г., профессор МГУ А.П.Руденко), химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода хемогенеза в биогенез (т.е. зарождение живого).

• 
  Слайд 39
  

  Следующим фрагментом эволюции, сливающим химическую и биологическую линии эволюции, является развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, выполняющих роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.