Космос – велика хімічна лабораторія icon

Космос – велика хімічна лабораторія




Скачати 133.62 Kb.
НазваКосмос – велика хімічна лабораторія
Дата конвертації08.04.2013
Розмір133.62 Kb.
ТипДокументи




Космос – велика хімічна лабораторія.


І. Максимов, доцент ІППО Київського університету імені Бориса Грінченка


В роботі [3] ми зазначали, що Всесвіт, або космічний простір, складається в основному з двох елементів: Гідрогену (< 90 %) і Гелію (< 10 %). Вміст Оксигену, Нітрогену, Карбону та Неону становить близько 0,2 %; Феруму, Силіцію та Магнію – 0,01 %. Однак про наявність у космосі сполук , а також про можливість перебігу реакцій між елементами там не йшлося.

Мета даної статті – висвітити механізми утворення молекул, зокрема органічних, у космосі та показати його значення у виникненні життя на Землі.

Космічний простір не порожній. Міжзоряний простір в нашій Галактиці заповнений речовиною – газом і пилом. Газом найчастіше є атомарний Гідроген або молекулярний водень. Густина цієї речовини надзвичайно мала. За земними поняттями – це глибокий вакуум, порожнеча, адже 1 атом може припадати на 30 – 40 см3 простору [4], в той час як в земній атмосфері міститься в десятки мільярди мільярдів атомів більше (~ 1019 атомів/см3).

Окрім газу і пилу міжзоряний простір заповнений ядрами різних хімічних елементів, які летять на високій швидкості, і електронами, що утворюють космічні промені, а також потоками фотонів, тобто випромінюванням зірок [2].

Хімічний склад міжзоряного середовища – продукт первинного нуклеосинтезу і ядерного синтезу зірок. Протягом свого життя зірки випромінюють зоряний вітер, який повертає в середовище елементи з атмосфери зорі. А в кінці життя (еволюції) зірка вибухає і скидає з себе оболонку, збагачуючи міжзоряне середовище продуктами ядерного синтезу [7]; потім з нього утворюються наступні покоління зірок [4].

Астрономи зрозуміли, що в міжзоряному середовищі щось є, ще в ХІХ столітті, через поглинання світла далеких зірок. Це поглинання створюється міжзоряними пилинками. З розвитком спектрального аналізу в міжзоряному середовищі були знайдені і атоми різних елементів (Натрію, Кальцію, Феруму) – по лініям поглинання, котрі вони створюють в спектрах зірок. А у видимому діапазоні спектра міжзоряна речовина виявляє себе слабо. Більша частина її – холодна і сама не світиться [4].

Як і хто розшукує атоми і молекули в далекому космосі. Як не дивно, але цим займаються астрономи за допомогою радіотелескопів, залучаючи до співпраці хіміків та фізиків.

Особливо багато дала для досліджень міжзоряної речовини саме радіоастрономія. Найважливіше значення в радіоастрономічних дослідженнях міжзоряного середовища мали спектральні лінії в радіодіапазоні. Так, до епохи радіоастрономії оптичними методами здійснювалось спостереження в найближчих околицях Сонця, не далі 3000 світлових років, все через поглинання світла міжзоряним пилом. При цьому повний діаметр Галактики – біля 100000 світлових років; у видимому світлі ми можемо бачити із середини лише незначну її частину.

Важлива перевага радіохвиль перед видимим світлом – та, що пилом вони не поглинаються. У радіодіапазоні ми можемо «бачити» міжзоряний газ в самих віддалених від нас областях Галактики.

Звідки ж беруться радіосигнали. Так, атом Гідрогену, наприклад, має у своєму складі тільки один електрон. Іноді цей електрон зривається зі свого енергетичного рівня, і тоді у простір посилається радіосигнал. Кожен окремий сигнал дуже слабкий, але в космічному просторі так багато атомів Гідрогену, що радіоастрономи можуть одержати загальний, сумарний ефект від всього Гідрогену у вигляді радіовипромінювання з довжиною хвилі 21 см. Молекулярний водень (Н2), на відміну від атомарного (Н ), лінію в 21 см не випромінює.

Тепер про інші молекули, що були знайдені в міжзоряному середовищі за їхніми радіовипромінюваннями в спектральних лініях. До нинішнього часу знайдено багато міжзоряних молекул, кожна з яких випромінює свою спектральну лінію на певній частоті (або цілий набір ліній на різних частотах). Частота лінії – це «паспорт» молекули даного виду, величина, що характерна тільки для неї. Якщо зареєстрована лінія на деякій частоті, то її порівнюють з таблицею частот молекулярних ліній, що встановлені в лабораторії. Після цього можна майже завжди з впевненістю сказати, якій молекулі належить знайдене випромінювання із міжзоряного простору.

Внаслідок довгих і ретельних досліджень радіоастрономів виявлено кілька тисяч спектральних радіоліній, що належать 123 видам міжзоряних молекул [4], в тім числі частки ОН, CH, CN, які у вільному вигляді на Землі не зустрічаються.

Оскільки ці частки занадто хімічно активні і, якщо і виникають, відразу вступають у взаємодію з якою – небудь речовиною. А в міжзоряному середовищі густина речовини дуже мала, атоми і молекули зустрічаються і взаємодіють дуже нечасто, тому ці частки, а також інші, можуть існувати тривалий час, сотні і тисячі років, не руйнуючись і не зникаючи.

До складу більшості знайдених міжзоряних молекул входять атоми переважно шести хімічних елементів: Гідрогену (Н), Карбону (С), Нітрогену (N), Оксигену (О), Сульфуру (S) та Силіцію (Sі).

Практично всі багатоатомні молекули знайдені в густих газо - пилових

хмарах (ГПХ). Концентрація молекулярного водню в таких хмарах досягає 104 часток в 1 см3 при температурі біля 20 К (- 253°С).

Міжзоряний пил зовсім не схожий на земний у вигляді дрібних піщинок. Міжзоряні пилинки значно менші земних, їх розміри – стотисячні долі сантиметра. Скоріш за все пилинки не кульки і не дрібні камінчики, а щось на зразок розлогого дерева [4].

До складу пилинки практично не входять молекули водню, а входять атоми більш важких елементів – Карбону, Оксигену, і так далі, аж до Феруму [6]. До «гілок » дерева приєднуються нові атоми, що підлітають: пилинка збільшується в розмірах і росте. Явище приєднання атомів і молекул до поверхні конденсованих тіл називається фізичною адсорбцією. Сили фізичної адсорбції (дисперсійні сили) обумовлені взаємним «підлаштуванням» рухів електронів в атомі, що підлітає і пилинці. Ці сили дуже слабкі. Енергія зв’язку фізичної адсорбції змінюється в інтервалі 0,5 – 10 ккал/моль, в той час як типова енергія хімічного зв’язку в молекулах становить більше 100 ккал/моль. Важливим є те, що дисперсійні сили ростуть майже пропорційно об’єму адсорбованого атома чи молекули [6].

Адсорбовані атоми, що можуть включати, окрім Гідрогену і більш масивні атоми С, N і О, мігрують на поверхні пилинки аж поки не зустрінуться один з одним і не утворять двохатомну молекулу.

Хімія цих газо – пилових хмар насправді дуже проста. Різні атоми можна уявити собі як частини деякого конструкторського набору. Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген, Силіцій, Сульфур та інші атоми можуть сполучатися між собою згідно до своїх валентностей і наявності атомів – партнерів самими різними способами – так утворюються молекули.

В дуже розрідженому міжзоряному середовищі при зіткненні, скажімо, двох атомів Гідрогену процес рекомбінації за даних умов малоймовірний, оскільки двоатомна молекула не може виникнути просто в результаті зіткнення двох атомів. Необхідна наявність третьої частинки (атома, молекули тощо), котра могла б сприйняти енергію, що виділяється при виникненні хімічного зв’язку:

частинка

Н + Н → Н2 + h.

При відсутності ж таких частинок процес утворення двоатомних молекул зміщується вліво і молекула не утворюється: енергія утворення, якщо вона не відводиться, витрачається на руйнування хімічного зв’язку:

Н + Н  Н2 + h.

Проте ефективність одночасного зіткнення трьох частинок надзвичайно мала, бо зіткнення двох атомів відбувається за дуже короткий час (10 –12 – 10 –13 сек.), за який третій атом не встигає до них підійти [6].

Роль третьої частинки в процесі рекомбінації може ще зіграти і фотон, який випромінюється в момент зіткнення; він має здатність забрати і понести з собою енергію, що виділяється. Така рекомбінація називається радіаційною. При типових для ГПХ густинах Гідрогену час між зіткненнями деякого атома А з атомом Н на багато порядків менший, ніж час життя цих хмар [6]. Але ймовірність випромінювання фотону в момент зіткнення вкрай мала, оскільки будь-яка частка (атом чи молекула), що готові випромінити фотон ”очікують“

10–6 – 10–7 сек., перед тим, як його випромінити. Зіткнення ж відбувається приблизно за 10–13 сек.. З цієї причини ймовірність випромінювання фотону при зіткненні атомів не більше 10–6 – 10–7 [6].

Для дуже важливого в міжзоряному середовищі процесу С + Н → СН + h

ця ймовірність дорівнює приблизно 10–7. Якщо дана реакція відбувається при густині Гідрогену 104 – 105 атомів/ см–3, то час радіаційної рекомбінації 105 – 104 років, що в 10 – 100 раз менше часу життя газово-пилових хмар. Звідси, процеси радіаційної рекомбінації, для яких ймовірність випромінювання фотону при зіткненні біля 10–7 – 10–8, можуть забезпечити утворення молекул [5]. На жаль, для більшості процесів, наприклад, виникнення молекули водню з двох атомів Гідрогену, ймовірність випромінювання фотону при зіткненні атомів менше 10–13 і поява такої молекули в результаті радіаційної рекомбінації практично неможлива [5]. Не зважаючи на це, майже весь Гідроген в ГПХ знаходиться в молекулярній формі. Отже існує ще якийсь механізм рекомбінації.

Потрібно знайти третю частинку для рекомбінації атомів Гідрогену, поблизу якої атом Гідрогену міг би дочекатись партнера для рекомбінації. Тоді взаємодія пари атомів з цією частинкою була б достатньо сильною, щоб можна було передати їй енергію, що виділяється при утворенні молекули.

Такі частинки присутні в ГПХ. Механізм рекомбінації атомів Гідрогену на пилинках може відбуватися наступним чином. Атом Н адсорбується на пилинці і очікує. Поки він знаходиться на пилинці, то встигає підлетіти і адсорбуватись інший атом Н. Деякий час на пилинці будуть знаходитись два атоми Н. Ці атоми не «сидять» нерухомо в певних точках поверхні пилинки, а «повзають» по ній доти, поки не зустрінуться один з одним. В результаті зіткнення утворюється молекула Н2 , а енергія віддається пилинці. Згідно до оцінок, час між зіткненнями атомів на поверхні пилинки в багато разів менший, ніж час між зіткненнями атомів з пилинками. Ось чого після адсорбції практично миттєво відбувається рекомбінація. Швидкість всього процесу визначається самою повільною його стадією – адсорбцією. Молекула, що утворилася ще деякий час знаходиться на поверхні пилинки, а потім десорбується. Процес від адсорбції двох атомів Гідрогену на поверхні пилинки і до десорбції вже молекули водню у космічний простір оцінюється в 104 – 105 років. Водночас якщо в темній ГПХ нема яскравих джерел випромінювання, то життя самої хмари не перевищує 107 років [4].

Справедливість цього взагалі правдоподібного допущення до цих пір остаточно не встановлена. Ряд проблем рекомбінації на поверхні твердого тіла можуть бути вирішені експериментально на Землі. Однак лабораторне моделювання чи надійні теоретичні розрахунки рекомбінації атомів Гідрогену на міжзоряних пилинках поки що практично дуже ускладнені, оскільки хімічний склад і структура пилинок відомі дуже мало.

Виникає дуже поширена в астрономії ситуація, коли правдоподібну гіпотезу важко строго довести або відкинути. Але ніякого іншого механізму рекомбінації атомів Гідрогену в міжзоряному просторі до цих пір придумати не вдалося. Тому приймається, що пилинки «облаштовані» саме так, щоб цей процес був достатньо ефективним.

На початкових стадіях хімічної еволюції ГПХ весь Гідроген в результаті рекомбінації на пилинках перейшов у молекулярну форму. Окрім того, радіаційна рекомбінація, ймовірно, призвела до утворення доволі значної кількості часток СН. Що ж може відбуватися далі?

Наявність різних двохатомних молекул, в принципі, дає можливість виникненню молекул, що складаються з трьох і більше атомів в результаті послідовних обмінних реакцій, котрі відбуваються при подвійних зіткненнях. Схема утворення багатоатомних молекул (А, В, С, D – довільні атоми) у подібних реакціях приблизно має такий вигляд:

АВ + СD → АВС + D ;

АВС + АВ → А2ВС + В ;

А2ВС + АВ → А3ВС + В ;

…………………………….

Однак тут вступає в силу інша особливість ГПХ – їх низька температура. Справа в тому, що в переважній більшості обмінних реакцій реагенти і продукти реакції розділені потенційним бар’єром, навіть якщо в результаті екзотермічної реакції виділиться енергія. Подолати бар’єр і вступити у взаємодію можуть тільки молекули з енергією, що перевищує висоту бар’єра (її ще називають енергією активації). Однак при температурі 30 К реакції з бар’єром, що перевищує 1,5 ккал/моль , виявились практично нездійсненними [6].

Аналіз показав, що реакції обміну нейтральних двохатомних молекул, що призводять до утворення багатоатомних молекул, мають занадто великі енергії активації, щоб мати хоч якесь помітне значення в ГПХ.

Проте в наявності є ряд атомно – молекулярних реакцій, що перетворюють одні двохатомні молекули в інші, і які не вимагають подолання потенціального бар’єра. Найважливіші з них такі :

О + СН → СО + Н ;

N + СН → СN + Н .

Вірогідно, що саме вони і забезпечують високі концентрації часток СО і СN у ГПХ.

Із лабораторних експериментів відомо, що спостерігається відсутність потенціального бар’єра внаслідок сильного протягування між частинками, що зіштовхуються, у екзотермічних обмінних реакціях між позитивними молекулярними йонами і молекулами:

АВ+ + СD → АВС + + D .

Якби в ГПХ зустрічалися в достатніх концентраціях молекулярні йони, то вони могли б дати ланцюжки йонно – молекулярних реакцій, що призвело б до утворення багатоатомних молекул. На перший погляд здається , що молекулярним йонам в таких хмарах немає звідки взятися. Адже йонізуюче ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання практично повністю поглинається в тонких зовнішніх шарах газо – пилових хмар. Однак, як було відмічено 1973 року дослідниками Е. Хербстом і У. Клемперером (США), що космічні промені з енергією понад 100 МеВ можуть проникати в середину хмар і викликати йонізацію. За їхніми розрахунками швидкість такого процесу оцінюється приблизно 10 –17 йонізацій / сек. на один атом Гідрогену. Прийнявши, що початковими стадіями йонно – молекулярного механізму виникнення багатоатомних молекул у густих газо – пилових хмарах є процеси:


Н2 жорстке космічне випромінювання → Н 2+ + е ;

Н 2+ + Н 2 → Н 3+ + Н ,

Хербст і Клемперер розглянули різні ланцюги реакцій, котрі ”запускаються“ йоном Н3+ . Найважливіші з них – реакції протонування (приєднання протона) і реакція відриву атома за участю Н 2 :


А+ + Н 2 → АН + + Н;

АН + + Н 2 → АН 2+ + Н,

де А – атом чи група атомів. Ними був виконаний детальний розрахунок стаціонарного вмісту різних молекул в системі, в якій відбуваються йонно – молекулярні реакції (було враховано 100 реакцій). Розрахункові концентрації різних молекулярних компонентів типової ГПХ в цілому добре узгоджуються з даними спостережень. Проте успіх моделі Хербста і Клемперера в іншому. Разом із нейтральними молекулами вона передбачала також високу концентрацію йона НСО+, що утворювався в результаті реакції

Н 3+ + СО → НСО+ + Н 2 .

Спектр НСО+ в радіочастотному діапазоні в 1973 році ще не був відомим, а у радіовипромінюваннях густих ГПХ спостерігалась не ідентифікована лінія. Вчені припустили, що вона належить йону НСО+ . Спеціальні лабораторні вимірювання у 1975 році підтвердили їх припущення [6].

Тепер вважають, що йонно – молекулярний механізм має важливе значення у виникненні багатоатомних міжзоряних молекул і може правильно описувати відносний вміст самих поширених із них.

Основний «ворог» міжзоряних молекул – «жорстке» ультрафіолетове випромінювання гарячих зірок. Якщо квант такого випромінювання попаде в молекулу, то вона руйнується. В цьому розумінні найкращим «другом» молекул є міжзоряний пил. Молекули, що сидять на гілках розлогої пилинки, можуть відчувати себе відносно безпечно: якщо відбудеться удар ультрафіолетового кванта, його прийме на себе структура пилинки, а більшість молекул, що адсорбовані на ній не постраждають [4].

Якщо ж молекула вільно плаває в середині міжзоряної хмари, де багато пилу, то вона теж більш – менш захищена: зовнішні шари таких хмар поглинають ультрафіолетове випромінювання, і воно не проникає всередину хмари і не руйнує молекули [4].

Саме головне: пилинка – зручне місце в міжзоряному середовищі для створення і збереження простих і складних молекулярних сполук.

Якщо раніше дослідники вважали за можливе виникнення в космосі простих систем типу Н2, С2, ОН, СН, то тепер ситуація різко змінилася. В космосі виявлено багато простіших неорганічних молекул: Н2О, NН3, SО, SіО, Н2S та інші. Але саме дивовижне те, що міжзоряне середовище виявилось гігантською лабораторією органічного синтезу. Тут виявлені формальдегід, що здатний утворювати численні вуглеводи, встановлено присутність похідних ціану, який необхідний для синтезу нуклеїнових основ, виявлено наявність органічних кислот (мурашина і оцтова), ненасичених сполук, складних естерів, нітрилів, амінопохідних [1].

Уява хіміка була вражена виявленням у космосі наступних складних молекул: ціанацетилену (І), ацетальдегіду (ІІ), формаміду (ІІІ), метилформіату (ІV):

^ NC–CCH (І), CH3–CHO (ІІ), H2N–CHO (ІІІ), HCOOCH3 (ІV).

Досить пікантною подією було виявлення космічних хмар з етанолу, де концентрація молекул сягає 1012 – 1013 на 1 см3 [1] .

Найскладніша із виявлених молекул нітрилпентаацетилен Н–(СС)5–СN (НС11N) містить у своєму складі 13 атомів [4].

Звертає на себе увагу та обставина, що більшість молекул, що виявлені в космосі, безпосередньо причетні до звичних для нас біоорганічних сполук чи легко можуть трансформуватись в них. Так, ціанацетилен при взаємодії з водою гладко може бути перетворений у життєво необхідну піровиноградну кислоту і відносно просто в амінокислоту аланін.

Більш складні ланки еволюційного ланцюжка були виявлені при вивченні речовинного складу деяких метеоритів і місячних порід. Нині вважається доведеним, що в цих космічних тілах присутні досить складні і різноманітні органічні молекули амінокислот: гліцину, глутамінової кислоти, аланіну, аспарагінової кислоти, серину. В метеоритах знайдені аліфатичні і ароматичні вуглеводні, попередники нуклеїнових кислот – аденін та гуанін, а також простіший хімічний попередник хлорофілу – порфірин [1].

Значне число молекул, що відкриті у міжзоряних газових хмарах, говорить про те, що в космосі відбувається досить складний перебіг хімічних процесів. Навіть поставало питання: а чи не може виникнути життя в міжзоряному середовищі? Чи не можуть там утворюватись, скажімо, білкові молекули?

Мабуть, не можуть, через те що тривалість життя середньої ГМХ, де утворюються молекули – приблизно 100 млн. років. Потім у ГМХ запалюються зорі, і хмара перестає існувати. За цей час нічого складнішого, ніж молекула НС11N, не встигає утворитись [4]. Але ж молекула будь – якого білка містить мільйони атомів.

Вчені зазначають, що для виникнення життя потрібне більш густе середовище, котре зустрічається на поверхні планет чи речовина типу комети або кометних ядер. І обов’язково, ймовірно, повинна бути вода в рідкому стані, щоб створити життя, подібне до земного. Отже, для створення життя (в тім числі розумного життя) не обійтись без планет.

Таким чином, поступово в природознавстві Нового часу прокладається єдиний шлях від еволюційної космохімії до еволюційної біохімії, від хімії міжзоряних хмар до хімії метеоритів, планет, Місяця і, нарешті, Землі. При цьому все більш ясним і певним стає висновок, що випадкові суміші біогенних атомів (С, Н, О, N) та їх простіших молекул з необхідністю приводить до синтезу сполук, важливих для формування білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот і ліпідів [1], до виникнення життя.

Л І Т Е Р А Т У Р А

  1. Жданов Ю.А. Материалистическая диалектика и проблема химической

эволюции // Марксизм и современность – 2001. – № 1-2. С. 50 – 61.

2. Зигель Ф.Ю. Вещество Вселенной – М.: Химия, 1982. – 176 с.

3. Максимов І. Учням про поширення хімічних елементів // Біологія і

хімія в шк. – 2009. – № 2. – С. 28 – 29.

4.Рудницкий Г.М. Молекулярные облака // Моск.. oбразов. программа

ЗДРАВСТВУЙ ГАЛАКТИКА – Интернет – сайт : seti.hoha.ru

  1. Самсоненко Л.В. Молекулы в межзвездной среде // Успехи физических наук – 1971, октябрь – т. 105, в.2. – С. 363 – 367.

  2. Уманский С.Я. Химия межзвездной среды // Земля и Вселенная – 1979. – №3. – С.7 –13.

  3. Межзвездная середа // ru.wikipedia.org /wiki/

  4. Облака во Вселенной // Эл. ж. Химия и жизнь – 1986. в.4.



Схожі:

Космос – велика хімічна лабораторія iconУрок Тема. Найважливіші класи неорганічних сполук
Обладнання: дидактичний матеріал, опорні схеми, «Хімічна лабораторія» для здійснення необхідних експериментів; мультимедіазасоби
Космос – велика хімічна лабораторія iconТема: Генетичний зв’язок між класами неорганічних сполук Мета
Обладнання й матеріали : мультимедійний проектор, інтерактивна дошка, віртуальна хімічна лабораторія, роздатковий матеріал, диск...
Космос – велика хімічна лабораторія iconНаказ №244 Про проведення обласного конкурсу "Космос. Людина. Духовність" Згідно з планом роботи управління освіти І науки наказую
Провести у термін з 1 березня до 25 травня 2011 року обласний конкурс "Космос. Людина. Духовність", присвячений 50 річчю першого...
Космос – велика хімічна лабораторія icon"мирний космос" Мета й основні завдання конкурсу
Районний конкурс учнівської творчості "Мирний космос" проводиться з мстою виявлення, розвитку та підтримки творчої обдарованої учнівської...
Космос – велика хімічна лабораторія iconНаказ №668 Про підсумки обласного конкурсу "Космос. Людина. Духовність"
Згідно з планом роботи управління освіти і науки Луганської обласної державної адміністрації у березні – травні 2011 року проведено...
Космос – велика хімічна лабораторія iconНаказ №723 Про підсумки обласного етапу конкурсу "Космос. Людина. Духовність"
Згідно з планом роботи управління освіти і науки Луганської обласної державної адміністрації у березні – травні 2012 року проведено...
Космос – велика хімічна лабораторія iconНаказ №386 Про проведення обласного конкурсу "Космос. Людина. Духовність" Згідно з планом роботи управління освіти І науки наказую
Провести протягом березня травня 2012 року обласний конкурс "Космос. Людина. Духовність" згідно з Умовами (Додаток №1)
Космос – велика хімічна лабораторія iconНаказ №479 Про проведення обласного конкурсу "Космос. Людина. Духовність" Згідно з планом роботи управління освіти І науки наказую
...
Космос – велика хімічна лабораторія iconЭдгар и космос. Рассказ
Звёзды. На их Планете, Летать на другие звёзды было куда, проще и быстрее, чем на Земле. Эдгар, часто осваивал космос: сражаясь с...
Космос – велика хімічна лабораторія iconНаказ №1131 Про підсумки обласного конкурсу "Космос. Людина. Духовність"
Згідно з планом роботи управління освіти і науки Луганської обласної державної адміністрації підведені підсумки обласного конкурсу...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©te.zavantag.com 2000-2017
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи