Химические закономерности

Гомогенные и гетерогенные системы.

Под химической системой можем понимать одно или несколько веществ, отделенных от внешней среды воображаемой или реальной границей.

Гомогенные системы – система, обладающая на всем протяжении одинаковым химическим составом, одинаковыми химическими и физическими свойствами (воздух, спирт, вода).

Гетерогенная система – система, состоящая из двух или нескольких частей, различающихся по своим физическим или химическим свойствам и отделенных друг от друга поверхностями раздела (вода и оксид алюминия).

Энергетические эффекты химических реакций.

Эндотермическая реакция (поглощение тепла)

Экзотермическая реакция (выделение тепла)

Люминесцентное свечение – выделение «холодного» света

Закон Гесса.

«Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса»

Скорость химических реакций.

Под скоростью хим. Реакции мы понимаем изменение концентрации любого из исходных или образующихся веществ за короткий промежуток времени (мгновенная скорость)

Мгновенная и средняя скорость реакции.

Теория активированного комплекса.

Развитие квантовой механики привело к созданию теории активирован-

ного комплекса (переходного состояния), предложенной в 1935 году одновре-

менно Эйрингом, Эвансом и Поляни. Но первые основные идеи теории были сформулированы Р. Марселинов в 1915 г.

Энергия активации.

Энергия активации – минимальная энергия необходимая для протекания хим. Реакции активированного комплекса

Закон действующих масс и факторы, влияющие на скорость реакции.

Закон действующих масс (основное уравнение кинетики) устанавливает соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии. Закон действующих масс сформулирован в 1864—1867 гг. К. Гульдбергом и П. Вааге. Согласно этому закону при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Закон действующих масс используют при различных расчетах химических процессов. Он позволяет решить вопрос, в каком направлении возможно самопроизвольное течение рассматриваемой реакции при заданном соотношении концентраций реагирующих веществ, какой выход нужного продукта может быть получен.

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов, температуры, катализатора, природы реагирующих веществ.

t , присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).

Влияние концентраций реагирующих веществ. Чтобы осуществля­лось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (части­цы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной за­кон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:

Cкорость  химической реакции  пропорциональна произведению  концентра­ций реагирующих веществ.

Для реакции ( I ) этот закон выразится уравнением

v = kcA cB ,       (1)

где сА  и сВ   - концентрации веществ А и В, моль/л; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.

Из уравнения (1) нетрудно установить физический смысл константы скорости k : она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ сос­тавляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.

Уравнение (1), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением реакции. Если опытным путем определено кинетическое уравнение реакции, то с его помощью можно вычислять скорости при других концентрациях тех же реагирующих веществ.

Влияние температуры .

Зависимость скорости реакции от температу­ры определяется правилом Вант-Гоффа:

При повышении температуры на каждые 10о скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением

vt 2 = vt 1 γ  , 

где vt 1 , vt 2  -  скорости реакции  соответственно при  начальной  ( t 1 ) и конечной ( t 2 ) температурах, а γ - температурный коэффициент скоро­сти реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается ско­рость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10°.

Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реак­ции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.

Явление катализа.

- явление изменения скорости химической или биохимической реакции в присутствии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые многократно вступают в промежуточные взаимодействия и восстанавливаются после цикла реакций.

Химия катализа изучает вещества, изменяющие скорость химических реакций. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Ферменты — это биологические катализаторы. В присутствии катализаторов, энергия активации уменьшается, скорость хим. реакции увеличивается. Катализатор – вещество, которое участвует в химической реакции, но оставляет после реакции свою первоначальную форму.

Необратимые и обратимые реакции.

Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми.

Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях.

Химическое равновесие.

- состояние обратимой реакции, когда скорость прямой и обратной реакции равны между собой. Химическое равновесие – состояние динамическое, реакция не прекращается; скорость изменения концентраций исходных веществ в единицу времени равна скорости изменения концентраций образующихся веществ в единицу времени. Т. о. с наступлением хим. равновесия концентрации участников реакции приобретают постоянное значение и не изменяются с течением времени, если не меняются условия протекания реакции.

Смещение химического равновесия и принцип Ле Шателье.

Влияние внешних условий на состояние химического равновесия описывается принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то равновесие смещается в сторону реакции, уменьшающей оказанное воздействие:

Увеличение концентрации реагентов приводит к смещению равновесия вправо и наоборот;

Повышение температуры приводит к смещению равновесия в сторону эндотермической реакции;

Повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону меньшего числа молекул (только для газофазных реакций).

Образование солнечной системы.

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды — Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Формирование и геологическая эволюция Земли.

Геологическое строение Земли: атмосфера, литосфера, биосфера.

Атмосфера — газовая оболочка, окружающая планету Земля. Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

Азот – 78,084 %, Кислород – 20,946 %, другие газы…

Тропосфера ( 8 – 18 км) нижний основной слой атмосферы

Стратосфера (11 – 50 км)

Мезосфера (50 – 90 км)

Термосфера (200 – 800 км)

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

Литосфе́ра (от греч. λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.

Биосфе́ра (от греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Гипотезы зарождения жизни: креационизм, панспермия, вечного существования и самозарождения.

Креационизм (от англ. creation — создание) — религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким верховным существом или божеством. Теория креационизма, отсылая ответ на вопрос о возникновении жизни к религии (сотворение жизни Богом), по критерию Поппера находится вне поля научных изысканий (так как она неопровержима: научными методами невозможно доказать, как то, что Бог не сотворял жизни, так и то, что Бог ее сотворял). Кроме того, эта теория не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа, обычно просто постулируя его безначальность.

Панспермия— гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет каких-либо «зародышей жизни». Согласно панспермии, рассеянные в мировом пространстве зародыши жизни (например, споры микроорганизмов) переносятся с одного небесного тела на другое с метеоритами или под действием давления света. С помощью панспермии объясняли и появление жизни на Земле. После открытия космических лучей и выяснения действия радиации на биологические объекты позиция гипотезы весьма ослабла.

Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.

Абиогенная теория зарождения жизни: отбор химических элементов, отбор соединений, катализаторов и химических систем, способных к самовоспроизводству.

Теория химической эволюции или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.

Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые участвуют в построении физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6%. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Отбор химических соединений – устойчивые и лобильные ( при минимальных затратах энергии)

Химическая эволюция и роль фосфорных соединений и РНК.

Теория эволюции по Ч. Дарвину.

Изменчивость – разнообразие признаков и свойств у групп особей любой степени родства. Причины изменчивости – влияние внешних условий. Изменчивость: наследственная, групповая, неопределенно-индивидуальная.

Групповая – сходное изменение у всех особей популяции под действием определенных условий

Неопределенно-индивидуальная – проявление незначительных отличий у одного и того же вида.

Наследственность – способность родителей передавать свои признаки последующим поколениям.

Преемственность признаков и свойств, но в потомстве эти признаки могут развиваться и усиливаться.

Естественный отбор – главная движущая сила эволюция!

Причины:

Влияние неблагоприятных внешних условий

Враги и паразиты

Болезни и голод

Борьба за существование выражается в конкурентной и пассивной форме.

Конкурентная борьба: 1) межвидовая, 2) внутривидовая, 3) с неблагоприятными внешними условиями.

Отбор:

Стабилизирующий – отбор, когда отклоняющиеся от нормы организмы не допускаются к последующему поколению

Диспруктивный – отбирается несколько признаков, отличающихся от нормы; начинается дробление вида на семейства.

Движущий - форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды.

Классы механизмов:

Адаптационный –

Катастрофический (пороговый) – если не приспособился организм до определенного порога – вымирает.

Закон дивергенции: Процессы развития в живом мире хар-ся непрерывным усложнением и ростом разнообразия форм.

Изменчивость как фактор эволюции – фактор случайности, когда независимо от своей генетической программы особи могут погибнуть или оставить потомство. Этот фактор имеет значение для малых популяций, где наблюдается ошибка выборки, генетический дрейф, когда частоты некоторых генов могут внезапно и резко изменяться за одно или несколько поколений. Изменчивость обусловлена генетически за счет половой рекомбинации (перетасовки генов) и за счет мутаций.

Современная теория эволюции представляет собой синтетическую науку, базирующуюся на всех науках биологического комплекса. Современная теория эволюции основана на учении Дарвина о происхождении жизни, возникновении разнообразия живой природы, адаптации и целесообразности у живых организмов, о возникновении человека, возникновении пород и сортов. Современный дарвинизм часто называют неодарвинизмом, синтетической теорией эволюции. Правильнее называть науку, изучающую процесс эволюции органического мира, эволюционной теорией.

Ускорение эволюции по мере усложнения вида

Единицей эволюции является не отдельная особь, а популяция

Переход к генетическому рассмотрению эволюции

Эволюционные факторы эволюции:

Мутация - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

Популяционные волны - это вспышки численности, периодические или непериодические, значительные изменения числа особей в популяции.

Репродуктивная изоляция в эволюционной биологии — это механизмы, предотвращающие обмен генов между популяциями. Разделение генофондов популяций в некоторых случаях ведет к образованию новых видов. Репродуктивная изоляция может осуществляться путем предотвращения оплодотворения либо путем образования нежизнеспособных или стерильных гибридов, как, например, в случае мула и ишака.

Микроэволюция – это распространение в популяции малых изменений в частотах аллелей на протяжении нескольких поколений; эволюционные изменения на внутривидовом уровне. Такие изменения происходят из-за следующих процессов: мутации, естественный отбор, искусственный отбор, перенос генов и дрейф генов. Эти изменения приводят к дивергенции популяций внутри вида, и, в конечном итоге, к видообразованию.

Макроэволюция органического мира — это процесс формирования крупных систематических единиц: из видов — новых родов, из родов — новых семейств и т. д. В основе макроэволюции лежат те же движущие силы, что и в основе микроэволюции: наследственность, изменчивость, естественный отбор и репродуктивная изоляция. Так же, как и микроэволюция, макроэволюция имеет дивергентный характер. Понятие макроэволюции интерпретировалось многократно, но окончательного и однозначного понимания не достигнуто.

Социа́льный дарвини́зм — социологическая теория, согласно которой закономерности естественного отбора и борьбы за выживание, выявленные Чарлзом Дарвином в природе, распространяются на отношения в человеческом обществе.

ДНК - Дезоксирибонуклеиновая кислота́ - один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране.

С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы.

Азотистые основания:

А (аденин) G (гуанин)

Т (тимин) С (цитозин)

Свойства ДНК:

А+Т = G+C

У разных организмов пары А+Т и G+C отличаются по порядку расположения и по частоте

Геномы различ. Организмов различаются по числу нуклеотидов в ДНК

Различие в частоте и порядке расположения нуклеотидов определяет специфичность организмов

ДНК несет в себе всюинфо о свойствах организма, включая инфо о жизненном цикле, о конституции тела, интеллектуальных способностях, предрасположенности к болезням и т.д.

При клеточном делении ДНК воспроизводит сами себя.

Кодо́н (кодирующий тринуклеотид) — единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном.

Ген -- структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства.

Гено́м — совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Хромосомы - нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки, которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза).

Механизм процесса воспроизводства:

Репликация - то процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза.

Транскрипция (переписывание) - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Трансляция - синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК (иРНК или мРНК).

Причины мутаций:

Внешние воздействия (радиация, ЭМ-поля, хим. вещ-ва)

Вирусы не имеют ДНК, зато их РНК проникают в клетку чужого организма, встраиваются в ДНК и нач. размножаться за счет чужого организма

Лабильность структурных фрагментов ДНК

Генная инженерия – это новая биотехнология как развитие методов введения в клетку желательных для нас генов (генного материала).