2.Основные понятия химии. Химическая эволюция материи

Привет, Вы узнаете о том , что такое 2.Основные понятия химии. Химическая эволюция материи, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое 2.Основные понятия химии. Химическая эволюция материи , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Общая химия.

Основные понятия химии

Химия
Д.И.Менделеев : "Ближайший предмет химии составляет изучение однородных
веществ, из сложения которых составлены все тела мира, превращений их друг в друга и
явлений, сопровождающих такие превращения."
Комплект определений из Химической энциклопедии :
(Более ранние определения см. в Дополнении 1)
Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя. Состоит из
элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. Химия изучает
главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие
вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения).
Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому
являются формой его существования в свободном состоянии, напр. Сера, железо, озон,
алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав
постоянный (стехиометрические соединения или дальтониды) или меняющийся в
некоторых пределах (нестехиометрические соединения или бертоллиды).
Атом (от греч. atomos – неделимый), наименьшая частица химического элемента,
носитель его свойств. Каждому химическому элементу соответствует совокупность
определенных атомов.
Элементы химические, совокупности атомов с определенным зарядом ядра Z.
Д.И.Менделеев определял Э.Х. так: "материальные части простых или сложных тел,
которые придают им известную совокупность физических и химических свойств".
Формами существования Э.Х. в свободном виде являются простые вещества.
Молекула (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles – масса), микрочастица,
образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному
существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих
в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью
свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других, в т.ч. от молекул того же
состава.
Ионы (от греч. ion – идущий), одноатомные или многоатомные частицы,
несущие электрический заряд. Положительные ионы называют катионами (от греч.
kation, буквально – идущий вниз), отрицательные – анионами (от греч. anion, буквально
идущий вверх). В свободном состоянии существуют в газовой фазе (в плазме).
Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или
замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием
химической связи. Количественной мерой валентности атома элемента Э служит число
атомов водорода или кислорода (эти элементы принято считать соответственно одно- и
двухвалентными), которые Э присоединяет, образуя гидрид ЭНх или оксид ЭnОm.
2
Валентность элемента может быть определена и по другим атомам с известной
валентностью. …
В рамках электронной теории химической связи валентность атома определяется
числом его неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии,
участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов.
В химии понятие “валентность” так же относительно, как в физике – “энергия”.
Попробуем оценить энергию стакана воды, стоящего на столе. Это, во-первых,
потенциальная энергия 180 г воды (для простоты 10 моль). Но это и возможная энергия,
которая выделится из протонов воды при нуклеосинтезе :
4 1H → 4He + 26,7 МэВ
1 эВ = 96,48 кДж/моль; 1 МэВ = 96480000 кДж/моль
Реакции химические (от лат. re- – приставка, означающая обратное действие, и
actio – действие), превращения одних веществ (исходных соединений) в другие
(продукты реакции) при неизменяемости ядер атомов.
Исходные вещества иногда называют реагентами, однако чаще (особенно в
органической химии) термин “реагент” используют по отношению к одному, наиболее
активному исходному соединению, определяющему направление химической реакции.
Уравнение химической реакции – модель и реальность
Далеко не всегда химические реакции строго соответствуют тщательно
уравненным уравнениям. Скорее наоборот – в большинстве случаев уравнение отражает
либо основной процесс, либо наиболее желательный.
Однозначным уравнением невозможно,например, описать реакции растворения в
азотной кислоте многих металлов – одновременно идут процессы образования NO2, NO,
N2O, N2, NH4NO3 .
В некоторых учебниках и пособиях по химии можно встретить уравнение
реакции горения черного (дымного) пороха – самого древнего боевого взрывчатого
вещества:
2 KNO3 + S + 3 C = K2S + 3 CO2 + N2
Левая часть уравнения примерно отражает состав реальных порохов. Однако правая
часть не согласуется с экспериментальными данными. В продуктах сгорания черного
пороха обнаружено не менее 8 твердых и 6 газообразных веществ. Авторы книги,
ориентированной на специалистов-практиков , предлагают уравнение, более
соответствующее реальности, но не отвечающее принятым правилам записи (свободные
углерод и сера слева и справа):
74 KNO3 + 96 C + 30 S + 16 H2O = 35 N2 + 56 CO2 + 14 CO + 3 CH4 + 2 H2S + 4 H2 +
+ 19 K2CO3 + 7 K2SO4 + 8 K2S2O3 + 2 K2S + 2 KSCN + (NH4)2CO3 + C + S
Наличие слева воды не удивительно, поскольку в буром древесном угле, используемом в
производстве черного пороха, содержание углерода обычно не превышает 75%; такой
уголь содержит фрагменты молекул целлюлозы. Кроме того, еще в XIX веке была
обнаружена и исследована значительная зависимость состава продуктов горения
черного пороха от давления – следовательно, уравнение зависит от условий
осуществления реакции .
В целом традиция сводить химические процессы именно к уравнениям, а не
схемам химических реакций (больше всего от этого страдают школьники и
абитуриенты) соответствует только химии соединений постоянного состава
3
(дальтонидов). Подавляющее большинство химических реакций нельзя описать
уравнениями на 100%, поэтому их обычно разделяют на главную и побочную реакции.
Особенно это относится к органической химии.
Размерные эффекты. Нанохимия
Интернет-лекции по нанотехнологии: Наномир, в котором мы живем 13 апреля 2006
http://www.gazeta.ru/science/2006/04/13_a_586116.shtml
Технологические предпосылки возникновения «нанонаук».
В 1959 г. появился первый плоский транзистор.В 1965 г. уже выпускались
микросхемы, состоящие из 50-60 транзисторов. 40 лет назад Гордон Мур, сооснователь
фирмы Intel, предположил, что быстродействие компьютеров и обеспечивающее его
число элементов на микросхеме будут удваиваться каждые 18 месяцев без
существенного изменения цены. Согласно его прогнозу, эта тенденция должна была
сохраниться в течение 10 лет, а в 1975 г. все обнаружили, что прогноз сбывается.
Атомно-молекулярная и электронная структура химических частиц и веществ –
классическая проблема химической физики .
Из-за размерных эффектов выделяют химию малых частиц – кластеров,
содержащих от нескольких атомов или молекул до нескольких десятков. Пример:
потенциал ионизации молекулы воды, ее димера и льда составляют соответственно 12,6;
11,1 и 8,8 эВ. Подобные особые свойства малых ассоциатов воды несомненно имеют
большое значение в живых объектах – во внутриклеточных процессах. Потенциал
ионизации кластеров Nan уменьшается медленно с ростом n, причем это падение
сопровождается осцилляциями; четные члены ряда имею более высокий потенциал, чем
нечетные, нодаже для кластера Na14 потенциал ионизации в полтора раза больше работы
выхода электрона для металлического натрия [7, с.1601].
Если хотя бы в одном из трех измерений частица вещества имеет размеры
меньше 1000 нм (т.е. менее 10-6 м), то в ней существенно возрастает доля поверхностных
атомов или молекул по сравнению с атомами (молекулами) в объеме; в этом случае
говорят о наночастицах. Из школьного курса физики известно, что поверхностные
атомы (молекулы) обладают некоторой избыточной энергией по сравнению с
объемными, что обусловливает поверхностное натяжение и капиллярный эффект. В
металлических наночастицах ограничена длина свободного пробега электрона по
сравнению с обычным (“компактным”) металлом. В результате в материалах, состоящих
из наночастиц, механические, электрические, магнитные, оптические свойства
перестают быть константами – они зависят от размеров и формы частиц. Размеры
деталей в современных микропроцессорах уже приблизились к 1000 нм (1 микрон), и
конструкторам приходится заново исследовать все свойства материалов (металлов,
полупроводников, изоляторов), применяемых в микроэлектронике [8,9].
Химическая эволюция материи
Происхождение химических элементов и планеты Земля.
Химия в том виде, как она изучается в школе и в общеобразовательных вузовских
курсах – наука исключительно земная. На поверхности Солнца нет смысла говорить о
химии – из-за отсутствия молекул. В условиях космического вакуума и низких
4
температур, в глубине Земли многие реакции тоже сильно отличаются от тех, что идут в
лабораториях при "стандартных условиях".
В современной науке происхождение вещества принято объяснять в рамках
теории “Большого Взрыва”.
До середины XX века ученые рассматривали вечное вещество в вечной в целом
Вселенной. Сейчас предполагается не только в Библии, что Вселенная имела начало.
Современная картина Вселенной начала возникать только в 1924 г.
Американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) рассчитал расстояния до 9-ти разных
галактик, экстраполируя светимость известных близких звезд на гораздо более дальние
(точнее говоря, он обнаружил в дальних галактиках переменные звезды – цефеиды, для
которых известна зависимость светимости от периода пульсаций) [10]. Сначала он
определил размеры туманности Андромеды и расстояние до нее (около 2 млн. световых
лет). В результате спектральных исследований света звезд в 1929 г. Хаббл обнаружил,
что величина красного смещения спектров (к более длинным волнам) увеличивается с
ростом расстояния от нас до звезд и галактик. Т.е. чем дальше галактика, тем быстрее
она удаляется от нас! Подобное явление моделируется поведением точек на поверхности
надуваемого шарика. Таким образом было открыто расширение Вселенной.
Сам Хаббл не смог сразу осознать, что он "сокрушил" неизменную Вселенную.
Еще в 1934 г. он пытался постулировать неизвестный пока физический процесс,
объясняющий кажущееся разбегание галактик. Первым осознал результаты Хаббла как
доказательство существования начала аббат Жорж Леметр (1894-1966) в 1927 г.,
получивший из космологических уравнений Эйнштейна формулу для скорости
расширения Вселенной. [11]
Однако теоретически расширение Вселенной предсказал в 1922 г Ал-др Ал-
дрович Фридман (1888-1925) на основании общей теории относительности. Сам
Эйнштейн вначале опровергал результаты Фридмана как "чисто спекулятивные" и
признал их лишь в 30-е годы. Открытие Хаббла подтвердило модель Фридмана. Теория
Фридмана позволила построить три модели:
1) Большой взрыв ⇒ Большой хлопок (расширение – сжатие);
2) Большой взрыв ⇒ расширение с убывающей до постоянной скоростью;
3) Большой взрыв ⇒ расширение с постоянно уменьшающейся скоростью.
Для точного выбора модели надо очень точно знать нынешнюю скорость расширения и
среднюю плотность Вселенной. Неопределенность в измерении расстояний и
соответственно, скорости расширения – около 5%; средняя плотность определена
гораздо менее точно (нет гарантии, что известны все формы материи, которым можно
приписать массу). Определенная на сегодняшний день средняя плотность наблюдаемой
Вселенной примерно в 100 раз меньше, чем требуется для пульсирующей модели (1).
Альтернатива отсутствию массы для возможного последующего сжатия Вселенной –
нарушение закона всемирного тяготения на больших расстояниях. Но гораздо легче
психологически допускать не найденную пока массу, чем нарушение столь очевидного в
солнечной системе закона. Вполне возможно допустить существование промежуточной
между (1) и (2,3)-моделями Фридмана – постепенно затухающие пульсации. Однако
даже в случае единичного расширения следует ожидать затухания малых звезд (типа
Солнца) лишь через 1014 лет, что в 1000 раз больше возраста Вселенной. Диапазоны
времен для других моделей еще больше.
Следовательно, наш мир имеет начало – 15-20 млрд. лет назад произошел
Большой взрыв (измерения 1995 г. – 10-12 млрд. лет [12]. Теория взрыва была почти
отвергнута в 1947 г, когда был достаточно надежно оценен возраст Земли (данные по
распаду урана) – Земля оказалась почти вдвое "старше" вычисленного Хабблом времени
начала разбегания галактик. Но к 1952 г были сделаны перекалибровки кривых цвет-
светимость и несоответствие устраненно.
5
В 1951 г. католическая церковь официально признала, что модель Большого
взрыва согласуется с Библией. В 1981 г в Ватикане была организована очередная
конференция по космологии, и глава католической церкви папа сказал, что область
науки – все, что было после Большого взрыва, но ученым не следует вторгаться в сам
Божественный акт Сотворения.
Первое независимое доказательство теории Большого взрыва было получено в
1965 г.
Возможны разные механизмы самого взрыва. Модель "горячей Вселенной"
предложил амер. Георгий (Джордж) Антонович Гамов (1904-1968) – ученик
А.А.Фридмана в 1940 г [13]. Свечение раскаленной ранней Вселенной может дойти до
нас сейчас с сильным красным смещением – до сверхвысокочастотного (СВЧ)
диапазона. Предсказанное Гамовым реликтовое радиоизлучение (фотоны чуть теплее 0
К) открыто в 1965 г. Американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали новый
очень чувствительный СВЧ-детектор для связи с искусственными спутниками Земли и
обнаружили уровень шума выше расчетного. После тщательных измерений стало ясно,
что источник этого шума одинаков во всех направлениях и находится за пределами
нашей Галактики. Это было доказательством гипотез Фридмана и Гамова о равномерном
расширении Вселенной в результате горячего взрыва. В 1978 г. А.Пензиас и Р.Вильсон
получили Нобелевскую премию.
Именно 1965 г следует считать началом крушения теории устойчивой Вселенной
в умах большинства ученых.
Таким образом, модель вечной Вселенной пришлось заменить давно известной
моделью (Бытие 1, 1-5):
В начале сотворил Бог небо и землю.
Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над
водою.
И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.
И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы.
И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.
Модели Фридмана предполагают сингулярность (что такое – неизвестно в
принципе). Это точка, где плотность и кривизна пространства-времени бесконечны, т.е.
нулевого размера. Теории Большого взрыва без сингулярности гораздо менее вероятны
(Е.М.Лифшиц и И.М.Халатников, 1963-1970 гг).
Следует подчеркнуть, что теория Большого взрыва (сингулярность и начало
времени) вытекает из общей теории относительности (теорема Роджера Пенроуза о
сжатии звезды до черной дыры – 1965 г.; совместная теорема Стивена Хокинга и
Пенроуза – 1970 г.). Но в сингулярности ОТО вступает в противоречие с требованиями
квантовой механики (размеры бесконечно малы). Космология потребовала совместного
учета этих несовместимых теорий.
Развитие Вселенной (по Дж.Гамову, 1948).
В момент Большого взрыва размеры Вселенной были нулевыми, а температура –
бесконечно велика (1026 градусов – уровень "обратного счета", доступного теориям,
соответствующий времени 10-43 секунды). Через секунду температура упала до десяти
миллиардов градусов (такая t0 возможна при взрыве водородной бомбы). Вселенная
состояла тогда из фотонов, электронов и нейтрино, небольшого количества протонов и
нейтронов и их античастиц.
Сначала был только “свет”. Для того, чтобы излучение превратилось в вещество
(процесс, обратный аннигиляции), энергия фотона, рождающего пару частица-
античастица, должна быть больше E = 2 mc2 (где m – масса покоя чатицы). Температура,
соответствующая такой энергии: T = 2 mc2/k, где k – постоянная Больцмана =
6
0,00008617 эВ/К. Пороговая температура для рождения пар электрон-позитрон (масса е-
соответствует энергии 0,511 МэВ) – 6.109 К.
Процесс появления вещества из первичного излучения давно описан (Бытие 1, 6-
10):
И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды.
И создал Бог твердь; и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая
над твердью. И стало так.
И назвал Бог твердь небом. И был вечер, и было утро: день вторый.
И сказал Бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место, и да явится
суша. И стало так.
И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И увидел Бог, что это
хорошо.
Тот же фрагмент в Торе (Брейшит 1, 6-8):
И сказал Всесильный: “Да будет пространство посреди воды и отделяет оно
воду от воды”.
И создал Всесильный пространство, и разделил между водою, которая под
пространством, и между водою, которая над пространством; и стало так.
И назвал Всесильный пространство небом. И был вечер, и было утро: день
второй.
Согласно расчетам Гамова, в первоначальной смеси частиц на каждый протон,
нейтрон и электрон должно было присутствовать около 40 млн. фотонов. Начальный
баланс частиц и античастиц отличался примерно на одну миллиардную
(десятимиллиардную) в пользу частиц, что и привело к нашей Вселенной. Через сто
секунд температура упала уже до миллиарда градусов, стали появляться первые
атомные ядра – дейтерий, гелий, затем литий и бериллий). Через несколько часов после
Большого взрыва новые элементы перестали образовываться.
Стандартная модель (станд. сценарий) – это подробно разработанная теория,
начиная с 0,01 сек – времени возникновения равновесного "газа", в котором не видны
более ранние стадии. Температура 1011 К, доля нейтронов ок. 46% от суммы протонов и
нейтронов. В предположении, что размер Вселенной обратно пропорционален
температуре (современная реликтовая темп. 3 К, а "длина окружности" около 125 млрд.
свет. лет), получаем, что при 1011 К длина окружности – 4 световых года [14]. Т.е.
скорость "расширения" – 0,65 световых года (радиус) за 0,01 секунду. Такое
значительное превышение скорости света связано с тем, что происходит рождение
самого пространства [15].
Примерно через 3 мин. 2 сек. температура понизилась до 1 млрд (109) градусов,
начинают получаться ядра. Соотношение протоны/нейтроны = 8:1 и оно сохранилось.
Следующие 500 тыс. лет – без изменений.
Вселенная представляет собой смесь лептонов (нейтрино и антинейтрино),
реликтовое излучение (фотоны) и барионы (водород, гелий, очень мало их изотопов) [16].
Четыре фундаментальных взаимодействия не дают предпосылок для дальнейшего
развития [17]. Структурирование Вселенной до образования звезд заняло до 3 млрд. лет
[18].
Отдельные области начали через миллион лет снова сжиматься, образуя газовые
скопления, затем внутри этих скоплений (будущих галактик) начали появляться звезды.
Более тяжелые звезды иногда взрывались (сверхновые), снабжая галактики тяжелыми
элементами. Затем снова начинался процесс сжатия облаков космического газа. Наше
Солнце – звезда второго или третьего поколения, образовавшаяся около пяти
7
миллиардов лет назад. Температурные диапазоны синтеза элементов (ядер) [19]
следующие: при температуре центра Солнца около 15 млн Cо идет только синтез гелия
из водорода; при 100 млн Cо ядра гелия сливаются в углерод; при дальнейшем росте
температуры в центре звезды до 600 млн Cо из углерода начинает синтезироваться
магний; при 200 млн Cо из магния образуется сера, а при 4000 млн Cо из атомов серы
синтезируется железо (процессы сложны и многоступенчаты). Однако уже к окончанию
синтеза водорода из гелия звезда тратит около 2/3 своей ядерной энергии. Синтез более
тяжелых элементов требует уже притока энергии, который возникает при быстром
коллапсе до белого карлика, особенно на стадии его взрыва (сверхновая) [20] .
Возникновение химических элементов по стандартной модели
Таблица 1*. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Первичный нуклеосинтез
Возраст
Вселенной
Температура,
К
Состояние и состав вещества
10-2 с 1011
n, p, е-, e+, ν, ν– в тепловом равновесии; n и p в
одинаковом количестве
10-1 с 3*1010
Те же частицы, что и выше, но отношение числа
нейтронов к числу протонов n : p = 3 : 5
1 с 1010
ν, ν– отделяется от остальных частиц; е-, е+ начинают
аннигилировать; n : p = 1 : 3
13,8 с 3*109
Начинается образование D и 4Не; исчезают е-, е+; есть
также свободные n и p
35 мин 3*108
Фиксируется количество D и 4Не по отношению к числу
протонов и электронов;4Не / Н ~ 22-28% (по массе)
7*105 лет 3*103
Образуются устойчивые нейтральные атомы. Теперь
Вселенная прозрачна для излучения. Вещество начинает
доминировать над излучением
Обозначения: n - нейтрон, p - протон, е- - электрон, е+ - позитрон, ν - нейтрино, ν– -
антинейтрино, D - дейтерий, Н - водород, Не - гелий.
* Ю.Э.ПЕНИОНЖКЕВИЧ, Ядерная астрофизика, СОЖ, 1998, No 10, с. 68–76.
Температура 3*109 ÷ 3*108 К , время - до 35 минут с момента Большого Взрыва,
первичный синтез гелия:
n + p → D + γ
D + n → 3H + γ
D + p → 3Hе + γ
D + D → 3H + p,
D + D → 3Hе + n
3H + p → 4Не + γ
3Hе + n → 4Hе + γ
В итоге получается 4Не / (Н + 4Не) ~ 22-28% (по массе)
В звездах при температуре ниже 2*107 К, протон-протонный цикл синтеза гелия:
p + p → D + e+ + ν
8
D + p → 3He + γ
3He + 3He → 4He + 2 p
3He + 4He → 7Be + γ
7Be + e– → 7Li + ν
7Li + p → 2 4He
суммарный процесс 4 1H → 4He + 26,7 МэВ
(1 эВ = 96,48 кДж/моль; 1 МэВ = 96480000 кДж/моль)
Каталитический CNO-цикл синтеза гелия:
12C + p → 13N + γ
13N → 13C + e+ + ν
13C + p → 14N + γ
14N + p → 15O + γ
15O → 15N + e+ + ν
15N + p → 12C + 4He
При температуре выше 108 К «горение» гелия (12C* - возбужденное ядро углерода):
3 4He → 12C* + 7,274 МэВ
энергия 12C* : 7,654 МэВ
4He + 4He → 8Be*
8Be* + 4He → 12C*
12C + 4He → 16O + γ
При температуре выше 5*108 К «горение» углерода, кислорода, неона и кремния:
12C + 12C → 20Ne + 4He + 4,62 МэВ
12C + 12C → 23Na + p + 2,24 МэВ
12C + 12C → 24Mg + γ - 2,60 МэВ
16O + 16O → 28Si + 4He + 9,59 МэВ
16O + 16O → 31P + p + 7,68 МэВ
16O + 16O → 31Si + n + 1,45 МэВ
16O + 16O → 30Si + 2 p + 0,39 МэВ
16O + 16O → 24Mg + 2 4He - 0,39 МэВ
16O + 16O → 27Al + 4He + p – 1,99 МэВ
Горение неона характеризуется короткой стадией и заключается в
фотодиссоциации 20Ne под действием высокоэнергетических γ-квантов с отрывом α-
частицы. Освободившиеся α-частицы взаимодействуют с неоном и другими ядрами до
тех пор, пока не исчерпается запас неона.
28Si + 4He → 32S + γ
32S + 4He → 36Ar + γ
Нерешенные проблемы:
1) Каково массовое отношение углерода к кислороду после гелиевой вспышки (это
отношение чрезвычайно важно для дальнейшей эволюции массивных звезд)?
2) Где именно протекает r-процесс (от англ. rapid – быстро) быстрого захвата
нейтронов?
9
3) Какие нуклиды, обязанные протонным процессам, рождаются в различных эпизодах
нуклеосинтеза?
4) Каков относительный вклад сверхновых с коллапсирующим ядром, с одной стороны,
и порожденных CO-взрывом, с другой, в образование железа и прочих тяжелых
элементов?
(энциклопедия Кругосвет http://www.krugosvet.ru/articles/20/1002099/1002099a1.htm)
Основные парадоксы существования планеты Земля
До сих пор не существует научной теории, объясняющей, откуда в земной коре
появился именно этот набор химических элементов. Наука не может объяснить причины
возникновения именно такого материального мира, который нас окружает. Вот
некоторые примеры пределов научного знания о происхождении вещества:
1. Из-за ничтожной разницы в массах протона (1,00797 а.е.м.) и нейтрона (1,00867
а.е.м.) протон (ядро атома водорода) оказался стабильной частицей, а нейтрон –
неустойчивой (вне атомного ядра) с периодом полураспада 11,7 мин (702 секунды) [21].
Нейтрон распадается на протон p+, электрон e- и антинейтрино ν:
no = p+ + e- + n
При самом незначительном уменьшении разницы масс протона и нейтрона протон стал
бы нестабильным и вся картина мира изменилась бы. Не имеет научного объяснения и
различие масс протона и электрона в 1870 раз [22].
2. Согласно теории "Большого взрыва", на стадии первичного ядерного синтеза
процесс остановился на ядрах гелия. Вероятный состав ранней Вселенной: 22-28%
гелия, остальное – водород (барионная материя). При этом барионная материя давала
ничтожную часть массы, в основном обеспеченной фотонами (69%) и нейтрино (31%)
[23]. Дальнейший нуклеосинтез был невозможен – избыточная энергия образующихся
ядер вызывала их распад. Например, возбужденное ядро бериллия-8, которое образуется
при реакции:
4He + 4He → 8Be* , способно жить в среднем только 10-17 с.
Этим объясняется так называемая "щель масс" – отсутствие ядер с массами 5 и 8, и
малое относительное содержание в земной коре лития-7, бериллия-9, бора-11, которые
образовались позже как осколки синтеза тяжелых элементов. Содержание в коре
бериллия (2,6*10-4 г на тонну) примерно равно содержанию урана (2,4*10-4 г на тонну)
[24].
Ситуацию "спас" углерод-12. У него оказалось возможным существование
возбужденного состояния ядра с энергией 7,654 МэВ, на 0,38 МэВ больше суммарной
энергии, выделяющейся при объединении трех альфа-частиц. Возможной реакцией
образования углерода-12 было бы слияние трех ядер гелия-4 (α-частицы) в
возбужденный углерод-12:
4He + 4He + 4He → 12C*
Это, однако, очень маловероятная реакция, так как в ней одновременно принимают
участие три ядра. Затем были предложены другие процессы. Например, за короткое
время жизни возбужденного ядра бериллия-8 вполне возможно его соударение (всего за
10-21 с) с еще одной α-частицей:
8Be* + 4He → 12C*
Чтобы возбужденное ядро углерода-12 не распалось, у него должен существовать
“разрешенный” резонансный энергетический уровень, соответствующий сумме энергий
всех реагирующих частиц (слева). Этот необходимый для построения нашей
материальной Вселенной уровень оказался реально существующим. В результате во
вторичном нуклеосинтезе (во вновь образовавшихся звездах) стал возможен синтез

углерода (при 100 млн Cо) и более тяжелых элементов. Такую возможность предсказал
теоретически английский астрофизик Ф.Хойл, а доказал экспериментально У.Фаулер
(Нобелевская премия 1983 г.). Хойл был под большим впечатлением от своего
предсказания и позднее признавался [25]: “Ничто не поколебало мой атеизм сильнее, чем
это открытие”.
Однако в звездах возможен равновесный синтез только элементов до железа
включительно (при 4 млрд.Со), так как более тяжелые для образования ядер уже требуют
затрат энергии [26].
3. Тяжелые и особенно радиоактивные элементы (уран) могли получиться только
в результате быстрого нейтронного захвата в сверхмощных потоках нейтронов,
возможных при взрывах сверхновых звезд [27]. Возможность вклада взрывов сверхновых
в нуклеосинтез подтверждена обнаружением метеоритов с необычным изотопным
составом элементов. Изотопные аномалии состава некоторых метеоритов позволили
астрофизикам утверждать, что Солнечная система начала формироваться вскоре после
близкого взрыва сверхновой [28].
До сих пор не существует теории, удовлетворительно объясняющей, почему в
Солнечной системе одновременно есть планеты типа Юпитера, состоящие из легких
элементов, и Земля, содержащая достаточно много элементов с атомными массами
более 60.
Анализ современной космологии приводит к мысли о слишком уж большом
количестве "счастливых случайностей", позволивших возникнуть нашей планете и
человеку на ней. Вместо объяснения ученые предложили "антропный принцип" (от
греч. anthropos – человек). Он известен в двух формулировках. Согласно "слабому"
антропному принципу, существует бесконечное число не связанных вселенных с
бесконечным разнообразием физических констант. Среди них случайно возникла наша
Вселенная, в которой соотношение фундаментальных параметров позволило появиться
жизни и разуму, т.е. "наблюдателю". Немецкий физик Петер Хегеле пишет [29]:
“Слабый антропный принцип (в англоязычной литературе WAP) напоминает о
том, что при разработке теорий следует изначально учитывать наблюдателя. Каждая
космогоническая теория должна быть совместима с наличием наблюдателя. По крайней
мере со времени создания квантовой теории ученым стало понятно, что явления должны
рассматриваться с учетом влияния на них наблюдателя (процесс измерения).
Применительно к космическим теориям это означает, что не следует создавать теорий,
вообще не допускающих существования наблюдателя. WAP играет, таким образом, роль
„фильтра" для возможных теорий.
Решающее открытие состоит в том, что согласно сегодняшним представлениям о
развитии нашего Космоса этот фильтр почти ничего не пропускает! Если рассмотреть
совокупность мыслимых космосов, характеризующихся различными законами природы,
различными константами и разнообразными граничными и начальными условиями, то
часть из них, в которых могла возникнуть жизнь на основе углерода, будет исчезающе
мала. Примеры тонких согласованностей показывают, в каких узких границах значений
констант вообще возможна жизнь. ...
Если для возникновения жизни были необходимы столь точные согласованности,
может быть, жизнь не является все-таки малозначащим продуктом случая, а
преднамеренна, запланированна? Может быть, в наблюдаемом развитии спрятаны
“дизайн”, продуманный план и продуманные намерения? Или дизайнер?”
"Сильный" антропный принцип утверждает, что наша Вселенная должна быть
именно такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции возник человек
("наблюдатель") [30]. При этом не обсуждается, кому и почему "должна" наша
Вселенная.

Наблюдаемые тонкие согласованности физических констант нашей Вселенной
принято объяснять в рамках по крайней мере четырех подходов:

1. Взаимосвязь между тонкими согласованностями и возникновением жизни
категорически отрицается.
2. Тонкая согласованность – в противоположность вышеизложенным аргументам
– рассматривается как с необходимостью случившийся факт, не требующий дальнейших
объяснений.
3. Тонкие согласованности – это лишь свидетельство еще неоткрытых
закономерностей и взаимосвязей.
4. Тонкие согласованности рассматриваются как случайное совпадение и,
следовательно, не требуют дальнейшего объяснения.
Некоторые толкуют тонкие согласованности агностически: более глубокое
обоснование отсутствует, а может быть, оно и вообще не существует. Случайное не
подчиняется никаким осмысленным взаимосвязям. Следует ли с этим примириться?
Достаточно ли действительно „случая и необходимости" для объяснения мира?
Возможно также простое теистическое толкование: гениальный дизайнер, Бог-
творец, построил нашу Вселенную по своим планам таким образом, что в ней могла
возникнуть и сохраниться жизнь. Законы природы и константы имеют своей целью
создание условий, необходимых для жизни. Получается, что современные естественные
науки подтверждают Ветхий Завет:
“Ибо так говорит Господь, сотворивший небеса, Он – Бог, образовавший землю
и создавший ее; Он утвердил ее; не напрасно сотворил ее: Он образовал ее для
жительства; Я – Господь, и нет иного” (Исайя 45, 18)
Оптическая асимметрия биологически активных молекул.
В большинстве учебников школьной органической химии оптическая изомерия
не рассматривается, хотя она составляет главное отличие продуктов реакций в живых
клетках от их синтетических аналогов. Известно, что в живых организмах содержится
множество оптически активных молекул, причем в виде только одного из оптических
изомеров. При обычных органических синтезах всегда получается смесь оптических
изомеров (рацемат). Впервые истинно асимметрический синтез, приводящий к
преимущественному получению одного из оптических изомеров, был осуществлен в
1934

продолжение следует...

Продолжение:

Часть 1 2.Основные понятия химии. Химическая эволюция материи
Часть 2 - 2.Основные понятия химии. Химическая эволюция материи
Часть 3 - 2.Основные понятия химии. Химическая эволюция материи