удельного объема (Ф — термоди­намический потенциал).

В 1937 г. Ландау показал, что фазовые переходы 2-го рода связаны с

изменени­ем симметрии системы: выше точки перехода система, как правило,

обладает бо­лее высокой симметрией. Например, в магнетике спиновые моменты

выше точки ориентированы хаотически, и одновременное вращение всех спинов

вокруг одной оси на одинаковый угол не изменяет свойств системы. Ниже точки

перехода спи­ны имеют некоторую преимущественную ориентацию, и одновременный

их пово­рот меняет направление магнитного момента системы. Ландау ввел

коэффициент упорядочения и разложил термодинамический потенциал в точке

перехода по сте­пеням этого коэффициента, на основе чего построил

классификацию всех возмож­ных типов переходов, а также теорию явлений

сверхтекучести и сверхпроводи­мости.

В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазо­вые переходы воды.

При переходе воды в пар происходит сначала испарение — переход поверхностного

слоя жидкости в пар, при этом в пар переходят только самые быстрые молекулы:

они должны пре­одолеть притяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их

средняя кинетическая энергия и, соответственно, температура жид­кости.

Наблюдается в быту и обратный процесс — конденсация.

Оба эти процесса зависят от внешних условий. В некоторых случа­ях между ними

устанавливается динамическое равновесие, когда чис­ло молекул, покидающих

жидкость, становится равным числу моле­кул, возвращающихся в нее. Опыт

показывает, что насыщенный пар, или пар, находящийся в динамическом

равновесии со своей жидко­стью, не подчиняется закону Бойля — Мариотта,

поскольку его дав­ление не зависит от объема. Процессы испарения и

конденсации воды обуславливают сложные взаимодействия атмосферы и гидросферы,

имеют важное значение в формировании погоды и климата. Между атмосферой и

гидросферой происходит непрерывный обмен веще­ством (круговорот воды) и

энергией.

Исследования показали, что с поверхности Мирового океана, со­ставляющего 94 %

земной гидросферы, за сутки испаряется около 7 000 км3 воды и

примерно столько же выпадает в виде осадков. Во­дяной пар, увлекаемый

конвекционным движением воздуха, подни­мается вверх и попадает в холодные слои

тропосферы. По мере подъе­ма пар становится все более насыщенным, затем

конденсируется, об­разуя дождевые и облачные капли. В процессе конденсации пара

в тропосфере за сутки выделяется около 1,6-1022 Дж теплоты, что в

десятки тысяч раз превосходит вырабатываемую человечеством энер­гию за то же

время.

Если процесс перехода жидкости в пар происходит во всем объе­ме, то его

называют кипением. Разрыв пузырьков у поверхности ки­пящей жидкости

свидетельствует, что давление пара в них превыша­ет давление над поверхностью

жидкости.

Поздней осенью, когда после сырой погоды наступает резкое по­холодание, на

ветвях деревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие

кристаллики льда. Подобное явление ис­пользуют при хранении мороженого, когда

углекислота охлаждает­ся, так как переходящие в пар молекулы уносят энергию.

На Марсе явления сублимации и десублимации углекислоты в его полярных шапках

играют такую же роль, что и испарение — конденсация в атмосфере и гидросфере

Земли.

5. в чем уникальность строения атома углерода и почему он так

распространен в соединениях. Почему нашу жизнь иногда называют углеродной.

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных

крупных и сложных молекул, главным элементом ко­торых является углерод. Он

важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода

всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже

титана 0,27 %. В атмосфере двуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего

0,008 %. Все биологически функциональные вещества, кроме несколь­ких солей и

воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число

соединений углерода огромно. Они назы­ваются органическими соединениями,

поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только

в живых организ­мах.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соеди­нений. Атомный номер

углерода — 6, его ядро содержит шесть про­тонов и шесть нейтронов, вокруг ядра

вращаются шесть электронов, масса атома С равна 12. При химических реакциях

углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из

восьми электронов, т. е. имеет валентность, равную четырем, и спо­собен к

прочной ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая

формула одного из таких прочных соеди­нений — метана — СН4, а в

структурном изображении — это тетра­эдр (четыре симметричные связи углерода).

Уникальным свойством углерода является его способность образо­вывать

стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнооб­разие органических

соединений, причем эти связи могут быть крат­ными. При этом важно

расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической активности

вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего света (рис.

1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со свойствами

вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказа­ние

свойств неизвестных еще соединений.

Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со

свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может

образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород, кислород,

азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех

недостающих водородных атомов, что позволяет со­средоточить внимание на

наиболее важных связях и химических груп­пах. Такие прочные ковалентные связи

углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с

углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства

неорга­нических соединений выражается в том, что химические связи, как

правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки.

Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди которых еще не

отмечена способность соединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а

наша жизнь называется углеродной.

6. Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они

отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных элементов,

вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне

неравномерно и в различных природных услови­ях принимает вид относительно

независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть

биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение механизмов

превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная

энергия преобразуется в специальных пигментных структурах расте­ний в энергию

химических связей, как превращаются вещества в процессах бро­жения и гликолиза

(окисление углеводов без кислорода), как происходит внутри­клеточное дыхание —

перенос электронов в митохондриях от коферментов к кис­лороду. В центре этих

превращений в клетке находится АТФ, которая синтезирует­ся из АДФ и Н3

РО4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе,

брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для

совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концен­трации

ионов и сокращения мышц до синтеза белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на

Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая составляет 30 %

всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью

задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло и

затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение

воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой.

Зеленые расте­ния усваивают эту энергию, поглощая молекул».) хлорофилла, и

про­цессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают и форме сахарен. От этого

процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают для

себя эту энергию, сжигая сахара и другие пита­тельные вещества при помощи

кислорода. Переработка пищи в орга­низмах сопровождается выделением энергии,

при этом часть ее запа­сается в форме химической энергии и используется для

совершения работы. В отличие от простейших существ, у которых сжигание

веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают

специальной системой, распределяющей по орга­низму кислород и энергоносители.

В легких кровь поглощает кисло­род и выделяет углекислый газ, в кишечнике она

получает пита­тельные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают

раз­ложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются

кишечником и поступают в кровь, при этом высво­бождается энергия. Конечные

продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные

соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.

Животные не получают необходимую им энергию непосредствен­но от Солнца. Для

добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или

сонар — ультразвуковой лока­тор, иные органы) и мускульная система,

приводящая в движение их органы (руки, ноги, плавники, крылья и т.д.). Кроме

того, у растений и животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие

гормоны, и нервная система. В организме постоянно со­вершается работа:

перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы

возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы

жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для создания упорядоченных

систем (высокого уров­ня генетической или нервной организации) тоже

необходима энер­гия. Эффективное функционирование всех систем обеспечивается

также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа со­стоит в

выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы, организуют

биоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители и т. п.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов проис­ходит в рамках

равновесия, которое устанавливается между различ­ными организмами данной

среды обитания (экосистемы). Среди оби­тателей обычно выделяют два типа

организмов: одни способны не­посредственно использовать солнечную энергию и

перерабатывать

в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), дру­гие зависят от

остальных производителей энергии, т. е. сами не про­изводят необходимую им

пищу {гетеротрофы). Все элементы, из ко­торых построены организмы,

многократно используются в биосфе­ре, тем более, что масса всего живого,

когда-либо заселявшего Зем­лю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии

в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергия

рассеива­ется при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а

затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходи­ма постоянная

подпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляет биотический круговорот органичес­ких веществ при

участии всех населяющих ее организмов. В законо­мерностях этого круговорота

решена проблема развития и длитель­ного существования жизни. Мы не говорим

"бесконечного", потому что все на земле имеет конец: сама Земля представляет

собой огра­ниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т. д.

"Един­ственный способ придать ограниченному количеству свойство

беско­нечного, — писал академик В. Р. Вильяме, — это заставить его вращаться

по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество,

незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада

органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое

вещество и так без конца".

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в

биотическом круговороте. Непрерывность жизни обес­печивается процессами

синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют

другие организмы. Особенно вели­ка в этом круговороте роль микроорганизмов,

которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и

простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растения­ми

для синтеза новых органических веществ. При разрушении слож­ных органических

соединений высвобождается энергия, теряется ин­формация, свойственная сложно

организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом

круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при

Страницы: 1, 2, 3