Организация элементов в живых и неживых системах. Основные понятия и законы химии В чем различие химической организации
Т е м а I
АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
1. Дайте определения понятий «атом», «молекула», «ион», «вещество». В чем заключаются сходство и различие понятий «химический элемент» и «простое вещество»?
а ) После сжигания смеси водорода с кислородом общим объемом 50 см 3 остался кислород объемом 2 см 3 . Рассчитайте объемные и массовые доли компонентов в исходной смеси. Чему равна масса образовавшейся воды?
б ) Назовитеследующие вещества: KBrO, (CdOH) 2 SO 4 , H 2 Cr 2 O 7 , (NH 4) 3 AsO 4 , Mn 2 (HPO 4) 3 .
2. Сформулируйте закон сохранения массы веществ и объясните его суть с позиций атомно-молекулярного учения. Где находит применение этот закон? В чем заключается различие между химическими и физическими свойствами веществ?
а ) Какой объем воздуха (н. у.) необходим для полного сжигания смеси пропана и водорода общим объемом 100 дм 3 (н. у.), если в ней объемная доля простого вещества равна 10 %, а объемная доля кислорода в воздухе составляет 21 %.
б ) Назовитеследующие вещества: Ni(ClO 3) 2 , Ag 4 P 2 O 7 , KFe(SO 4) 2 , (CoOH) 2 CO 3 , Sr(HSO 3) 2 .
3. Сформулируйте закон постоянства состава веществ и укажите условие его применимости. Какие вещества обладают постоянным, а какие - переменным составом?
а ) Рассчитайте объем (н. у.) газовой смеси, в которой массы кислорода, озона и гелия равны, соответственно, 64, 96 и 20 г. Чему равны объемные доли компонентов в этой смеси и общее число молекул в ней?
б ) Назовите следующие вещества: LiClO 4 , Fe(H 2 PO 4) 3 , H 2 CrO 4 , 2 SO 4 , (NH 4) 3 AsO 3 .
4. Что такое парциальное давление газа? Сформулируйте закон парциальных давлений.
а ) В неизвестном соединении массовые доли элементов составляют: серы – 23,7 %; кислорода – 23,7 %; хлора – 52,6 %. Определите молекулярную формулу данного вещества, если относительная плотность его паров по водороду равна 67,5. Сколько молекул содержится в порции этого вещества массой 2,7 г?
б ) Напишите формулы следующих веществ: карбонат гидроксомагния; сульфит цинка; дигидрофосфат калия; хлорат меди(II); ортотеллуровая кислота.
5. Сформулируйте закон объемных отношений Гей-Люссака и объясните его с позиций атомно-молекулярного учения.
а ) В результате полного термического разложения некоторого вещества массой 1,225 г образовался хлорид калия массой 0,745 г и выделился кислород объемом 336 см 3 (н. у.). Найдите формулу исходного вещества. Чему равно химическое количество этого вещества, если его масса составляет 36,75 г?
б ) Напишите формулы следующих веществ: ортомышьяковистая кислота; перхлорат магния; дигидрофосфат бария; сульфат гидроксоалюминия; хромат кальция.
6. Что характеризует химическое количество вещества? Дайте определение понятия «моль» и объясните физический смысл постоянной Авогадро.
а ) Порции магния и алюминия растворили по отдельности в соляной кислоте, в результате чего в обоих случаях выделился газ одного и того же объема. Рассчитайте массу растворенного магния, если масса алюминия составляла 81 г. Чему равен общий объем выделившегося газа при температуре 45 о С и давлении 96,3 кПа?
б ) Напишите формулы следующих веществ: дифосфорная кислота; иодат меди(II); дигидрофосфат железа(III), хлорит гидроксобария; дихромат серебра.
7. Сформулируйте закон Авогадро и следствия из него. Объясните физический смысл относительной плотности газа по водороду и по воздуху.
а ) Неизвестный металл массой 1,28 г растворили в воде, в результате чего выделился газ объемом 380 см 3 , измеренный при температуре 21 °С и давлении 104,5 кПа. Определите металл и рассчитайте массу образовавшегося гидроксида.
б ) Назовите следующие вещества: (NH 4) 2 Cr 2 O 7 , (CaOH) 2 SO 3 , HMnO 4 , Al 2 (HPO 4) 3 , Na 2 SeO 3 .
8. Дайте определения понятий «химический эквивалент» и «молярная масса эквивалента». Как рассчитываются молярные массы эквивалентов кислот, оснований и солей?
а ) Пар неизвестного вещества массой 21 г при температуре 20 °С и давлении 2,5 ·10 4 Па занимает объем, равный 22 дм 3 . Рассчитайте плотность и относительную плотность пара данного вещества по воздуху. Чему равно число молекул в порции этого вещества массой 4,65 г?
б ) Напишите формулы следующих веществ: бромит бария; гидрофосфат индия(III); хлорат дигидроксохрома(III); фосфористая кислота; нитрит магния.
9. Дайте определения понятий «атомная единица массы», «относительная атомная масса», «относительная молекулярная масса», «молярная масса». Запишите математическое выражение объединенного газового закона и объясните его суть.
а ) Определите эквивалент и рассчитайте молярную массу эквивалента Н 3 РО 4 , если эта кислота массой 9,8 г прореагировала с гидроксидом калия массой 5,6 г; массой 11,2 г; массой 16,8 г. Напишите уравнения соответствующих реакций.
б ) Назовите следующие вещества: Tl 2 Cr 2 O 7 , Cd 2 SiO 4 , Fe(HSO 4) 2 , (CuOH) 3 PO 4 , HClO 2 .
0. Запишите уравнение Клапейрона-Менделеева и объясните его суть. Укажите единицы всех величин, входящих в это уравнение.
а ) Из оксида неизвестного металла массой 6,50 г был получен металл массой 4,45 г. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида, определите неизвестный металл.
б ) Напишите формулы следующих веществ: дигидрофосфат марганца (III), хромат серебра, фосфат дигидроксожелеза (III), азотистая кислота; сульфит аммония.
В чем различие химической организации живых организмов и объектов неживой природы?
В состав живого входят те же химические элементы, что составляют и тела неживой природы. Однако их количественное соотношение в живой и неживой природе различно. Так, в земной коре первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий и натрий. Основу живых систем составляют углерод, водород, кислород, азот, а также фосфор и сера. Для них характерно образование водорастворимых соединений, что позволяет им накапливаться в живых организмах. Способность атомов углерода соединяться между собой в длинные цепи и при этом образовывать химические связи и с другими элементами обеспечивает создание сложных органических молекул, подчас имеющих огромную молекулярную массу. Это белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие органические соединения, наряду с неорганическими составляющие живое вещество.
Открытые системы
Почему живые организмы называют «открытыми системами»?
Для поддержания упорядоченности биосистемы и экосистемы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Следовательно, живые системы - открытые системы. В результате обменных процессов происходит непрерывное обновление большинства элементов живой системы.
Обмен веществ
Чем различаются процессы обмена у живых организмов и в неживой природе?
Обмен веществ - характерное свойство живых организмов, заключающееся в потреблении живой системой веществ из окружающей среды и выделении в нее различных продуктов жизнедеятельности. Но это явление встречается и в неживой природе. При горении из воздуха поглощается кислород и используются органические вещества, например уголь. При этом в окружающую среду выделяются разнообразные соединения. Главное отличие обмена веществ в живой природе - возможность осуществлять реакции синтеза высокомолекулярных соединений и их распада.
Роль изменчивости и наследственности
Какова роль изменчивости и наследственности в развитии жизни на нашей планете?
Наследственность - свойство организмов передавать признаки своего строения, функционирования и развития потомкам, из поколения в поколение. Изменчивость - способность живых систем приобретать новые признаки и свойства. Эти два свойства живого тесно взаимосвязаны и играют огромную роль в развитии жизни на Земле. Изменения в генетическом материале приводят к появлению у организмов новых признаков, их сочетания определяют степень приспособленности особи в конкретных условиях. Поэтому изменчивость является поставщиком разнообразного материала для отбора наиболее жизнеспособных особей, которые затем передадут признаки своего строения и развития по наследству. Это ведет к возникновению новых видов организмов.
Молекулярный уровень организации жизни
Какие процессы исследуют ученые на молекулярном уровне?
На молекулярном уровне изучаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: его рост и развитие, обмен веществ и превращение энергии, хранение и передача наследственной информации, изменчивость.
Состав живого организма
Какие элементы преобладают в составе живых организмов?
В составе живого организма насчитывают более 70–80 химических элементов, однако преобладают углерод, кислород, водород и азот.
Внутриклеточные биополимеры
Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке?
Молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов являются полимерами, так как состоят из повторяющихся мономеров. Но лишь в живой системе (клетке, организме) эти вещества проявляют свою биологическую сущность, обладая рядом специфических свойств и выполняя множество важнейших функций. Поэтому в живых системах такие вещества называют биополимерами. Вне живой системы эти вещества теряют свои биологические свойства и не являются биополимерами.
Универсальность молекул биополимеров
Что понимается под универсальностью молекул биополимеров?
Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Возможность изменения состава и последовательности мономеров в структуре полимера позволяет существовать огромному разнообразию вариантов биополимеров, независимо от видовой принадлежности организма. У всех живых организмов биополимеры построены по единому плану.
Строение углеводов
Какой состав и строение имеют молекулы углеводов?
Молекулы углеводов состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем соотношение водорода и кислорода в них 2:1, как в молекуле воды. Именно по этой причине эти вещества получили свое название «углеводы».
Моносахариды, дисахариды и полисахариды
Какие углеводы называются моно-, ди- и полисахаридами?
Моносахариды - это углеводы, в состав которых входит от трех до шести атомов углерода. Из шестиуглеродных сахаров известны глюкоза, фруктоза, галактоза, из пятиуглеродных сахаров - рибоза и дезоксирибоза. Последние входят в состав нуклеиновых кислот. Дисахариды состоят из двух молекул моносахаридов. Например, сахароза (тростниковый сахар) состоит из молекул глюкозы и фруктозы. Из дисахаридов известны также мальтоза (солодовый сахар) и лактоза (молочный сахар). И моно- и дисахариды растворимы в воде и сладки на вкус. Полисахариды - сложные сахара, состоящие из множества мономеров, которыми являются моносахариды. К полисахаридам относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Целлюлоза - линейный полимер, состоящий из множества молекул глюкозы. Крахмал и гликоген также состоят из глюкозы, только имеют разветвленную структуру.
1. Каким образом выражают скорость химической реакции? Можно ли выразить скорость химической реакции через изменение концентрации продуктов реакции вместо изменения концентрации реагентов? Для реакции N 2 O 4(r) ® 2NO 2(r) справедливо соотношение D = - 1 D
Что означает коэффициент 1 и знак «минус» в этом соотношении?
2. В чем состоит различие понятий «средний» и «истинной» скорости химической реакции?
3. Что выражает закон скорости и кинетическое уравнение реакции? Правильно ли утверждение, что константа скорости реакции не зависит от концентраций реагентов, но зависит от температуры? В чем состоит особенность кинетического уравнения гетерогенных реакций?
4. Что означают понятия «частный порядок» и «общий порядок» реакции? Что характеризует молекулярность реакции? Если для какой-либо реакции известно, например, что она имеет второй порядок или что она бимолекулярна, то какая информация следует из этих определений? Почему порядок реакции и ее молекулярность для многих реакций не совпадают?
5. Что выражает понятие «механизм химических реакций»? В чем заключается различие между простыми и сложными реакциями? Каковы особенности параллельных, последовательных и сопряженных реакций? Каковы механизмы неразветвленных и разветвленных цепных реакций?
6. Какова зависимость скорости химических реакций от температуры? В чем заключается правило Вант-Гоффа? Что выражает температурный коэффициент скорости реакций и в каких пределах могут изменяться его значения?
7. Что означает понятие «энергия активации»? каким образом в рамках теории активированного комплекса объясняют величину энергии активации? Что представляет собой разность энергий активации прямой и обратной реакций?
8. Как можно объяснить сильную зависимость скорости реакций от температуры? Как можно представить взаимосвязь между энергией частиц при соударении при разных температурах и энергией активации?
9. Как можно экспериментально определить значение энергии активации реакции? Как используют уравнение Аррениуса для обработки экспериментальных данных и вычисления величины Е а?
10. Покажите на примере гомогенного катализа, каким путем достигается понижение энергии активации Е а каталитической реакции. Каковы особенности механизма гетерогенного катализа? Каким образом характер взаимодействия молекул реагентов с активными центрами катализатора определяет эффективность гетерогенного катализа? В чем заключается роль промоторов? Какое различие между катализаторами и ингибиторами проявляется в отношении их влияния на скорость химических реакций?
11. Какое состояние называется химическим равновесием? Происходит ли в состоянии химического равновесия соударение и взаимодействие частиц исходных веществ и продуктов реакции? Что происходит с концентрациями исходных веществ и продуктов реакции, когда наступает состояние химического равновесия?
12. Как составляют математическое выражение константы химического равновесия? Какие особенности гетерогенных систем нужно учитывать при составлении выражения константы химического равновесия?
13. Сформулируйте правило Ле Шателье. Примените данное правило для объяснения направления сдвига химического равновесия конкретных химических реакций, раздельно покажите влияние на равновесие таких факторов, как концентрация исходных веществ или продуктов, давление в случае газообразных участников реакции, температура. Какова роль катализаторов при достижении системами состояния химического равновесия?
14. Каков характер взаимодействия при твердофазных реакциях? Какие стадии различают при прохождении твердофазных реакций? Чем отличается уравнение скорости твердофазной реакции от соответствующего уравнения гомогенной или гетерогенной реакции?
Как справедливо отмечает Б. Небел (1993), на протяжении многих лет химики, биологи и многие другие естествоиспытатели потратили значительные усилия на то, чтобы отыскать некую «жизненную» силу, которая обусловливает функционирование живых организмов. Но никакой особой субстанции, никаких особых приметтого, что она существует, обнаружить не удалось. В конце концов, было установлено, что живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и окружающий нас воздух, вода, горные породы и почва. Но была обнаружена одна главная химическая особенность, отличающая «живое» от «неживого» - это сложность слагающих их молекул. Соединения «неживой» природы принципиально просты, хотя некоторые из них состоят из нескольких (до десятков) отдельных атомов. Вода, воздух и минералы горных пород непрерывно взаимодействуют друг с другом, в связи с чем происходят химические реакции, но при этом особого усложнения молекул не происходит.
Другое дело, когда речь идет о «живой» природе. Химическая структура в данном случае основана на сложных молекулах - углеводах, белках, липидах, нуклеиновых кислотах. Эти соединения представляют собой молекулы в составе тканей живых существ, образованные в основном атомами углерода (и связанными с ними атомами водорода) и соединенные друге другом в «цепочки». В их построении может принимать участие и ряд других главных биогенов и микроэлементов, но общим для всех этих молекул являются углерод-углерод-иые и углерод-водородные связи. Сложность таких соединений колоссальна (некоторые состоят из нескольких миллионов атомов), а потенциальные возможности создания различных комбинаций соединений являются бесконечными. Таким образом обеспечивается абсолютное разнообразие живых организмов.
Все молекулы, которые основаны на структурах из разнообразных углеродных «цепочек», носят название органических, и вслед за этим все соединения, в основе которых лежат углеродные и углерод-водо-родные связи, также называют органическими.
С химической точки зрения созданные человеком пластмассы и другие близкие к ним материалы можно отнести к органическим, но ничего общего с живыми системами они не имеют. В связи с этим следует выделять природные органические и синтетические органические соединения. Особенностью синтетической органики является то, что в подавляющем большинстве ее представители в природных редукционных процессах не разлагаются до простых соединений и при сжигании выделяют не только диоксид углерода, воду и соединения главных биогенов, но и другие химические образования, многие из которых (например, диоксины) токсичны. В любом случае в воздухе, воде и горных породах сколько бы значимых следов органики ни обнаружено, если только она не оказалась там при деятельности человека.
Затем при сравнении «живого» и «неживого» показано, что хотя они могут состоять из одинаковых элементов, в том числе и из главных биогенов (1М, С, Н, О, Р, Б), но характер организации атомов в молекулах существенно различен. Как было установлено и будет показано и в дальнейшем изложении: при синтезе, росте, разложении и горении речь идет не об изменении атомов, не об образовании их, а только о перегруппировке атомов. Это свойственно всем химическим реакциям с органическими природными соединениями.
Универсальный характер установленного факта позволяет сделать вывод, что для взаимодействий в органических системах полностью выполняется один из главных физических законов, а именно закон сохранения массы. В данном случае его следует сформулировать следующим образом: атомы в химических реакциях с органическими природными соединениями никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с об-
разованием различных молекул и соединений. В то же время в физике установлено, что при высокоэнергетических ядерных реакциях возможно изменение атомов (превращение атомов одних элементов в другие), но для «живых» систем это не выявлено и, как полагают практически все биологи, является абсолютно нехарактерным, тем более в живых организмах отсутствуют какие-либо радиоактивные химические элементы или радиоактивные изотопы, если они не попали в организмы случайным образом. Можно заключить, что живые организмы ни при каких условиях не могут представлять собой «ядер-ные реакторы».
Загрузка...
