Шпаргалка по "естествознанию"

 

Степень окисления – это  условный заряд атомов в соединении, вычисленный исходя из предположения, что оно состоит только из ионов.

 

Степень окисления равна  нулю у свободных атомов и атомов, входящих в состав неполярных молекул (Си, H2, N2).

 

2K+1Cl+5O3-2= 2K+1Cl-1+ 3O20,

 

C0+ 2Cu+2O-2= C+4O2-2+ 2Cu0

 

Окислительно-восстановительными реакциями называют реакции, протекающие с изменением степеней окисления элементов.

 

Примеры реакций, протекающих  без степени окисления атомов:

 

NaOH+HCl=NaCl+H2O,

 

N-3H3+1+ H+1Cl-1=N-3H4+1Cl-1

 

55. АТОМ И МОЛЕКУЛА КАК  ЦЕЛОСТНЫЕ ОБЪЕКТЫ ХИМИИ 

 

Атом (от греч. atomos – «неделимая частица») – наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

 

До конца XIX в. атомы считались  неземными. Но в 1896 г. французский химик  А. Беккерель обнаружил испускание атомами урана неких лучей. Чуть позже в 1898 г. Мария и Пьер Кюри открыли, что такие же лучи излучают атомы радия и полония. Было обнаружено L-, B – и Y – излучения, которые  наблюдались при радиоактивном  распаде атомов.

 

Э. Резерфордпредложил ядерную модель строения атома (1981 г.). В этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны. Позже Э. Резерфюрдввел понятие о положительно заряженной элементарной частице, которая входит в состав всех атомных ядер, – протоне; сделал предположение о существовании нейтрона – элементарной частицы, не имеющей электрического заряда. По современной протонно-нейтронной теории строения ядра атомов состоят из 2 протонов (A-Z) нейтронов. Z – это заряд ядра.

 

A = Z + N. A – это массовое  число, т. е. число нейтронов  и протонов, входящих в состав  ядра элемента.

 

Масса протона равна 1,007277 а. е. м., масса нейтрона – 1,008665 а. е. м., а масса электрона – 0,0005486 а. е. м. Поэтому масса атома определяется массой его ядра. Так как атом является в целом электронейтральной системой, то заряд электронов равен заряду ядра. По современным представлениям атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

 

Молекула – это наименьшая частица данного вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и строением. Согласно современным  представлениям из молекул состоят  вещества в газообразном и парообразном состоянии. Вещества находятся в  твердом состоянии, если кристаллическая  решетка имеет молекулярную структуру (вода, диоксид углерода). Атомно-молекулярное учение было развито М. В. Ломоносовым. Основные положения этого учения он изложил в работе «Элементы  математической химии» в 1741 г. Этой же теме посвящены и многие другие его  работы. Основные положения этой теории.

 

1. Все вещества состоят  из мельчайших частиц – корпускул.

 

2. Молекулы состоят в  свою очередь из элементов.

 

3. Каждая корпускула имеет  тот же состав, что и все  вещество. Причиной разнообразия  веществ (по М. В. Ломоносову) являются различия в составе  корпускул и элементов в них.

 

4. Частицы – молекулы  и атомы – находятся в непрерывном  движении. Тепловое состояние тел  есть результат движения их  частиц.

 

5. Атомы характеризуются  определенной массой и размерами.

 

6. Молекулы простых веществ  состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ –  из различных атомов.

 

Позднее, через 47 лет после  М. В. Ломоносова, атомистическое учение в химии применил Дж. Дальтон. Основные положения он изложил в своей  книге «Новая система химической философии». В 1808 г. Дж. Дальтон сделал первые определения атомных весов  элементов.

 

Открытия Ж. Л. Гей-Люссака, А. ААвогаддро дополнили атомно-молекулярное учение. Атомно-моле-кулярное учение окончательно утвердилось в середине XIX в. В 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

 

56. ЕДИНСТВО РЕАГЕНТОВ  И ПРОДУКТОВ 

 

Единство реагентов и  продуктов реакций отображается законом сохранения массы вещества.

 

Масса веществ, вступающих в  химическую реакцию, равна массе  веществ, образующихся в результате реакции.

 

Впервые этот закон был  сформулирован в 1748 г. М. В. Ломоносовым. В 1756 г. он обосновал этот закон экспериментально. Французский химик Лавуазье в 1789 г. сформулировал закон сохранения массы веществ независимо от М. В. Ломоносова.

 

Закон сохранения массы веществ  можно объяснить с точки зрения атомно-молекулярного учения: в ходе протекания химических реакций атомы  не исчезают и не возникают из ниоткуда, общее число атомов равно 0 и после  реакции остается постоянным. Например, при взаимодействии двухатомных  молекул водорода и кислорода  должно образоваться столько молекул  воды, чтобы число атомов кислорода  и водорода оставалось равным, т. е.:

 

2H2+ O2= 2H2O.

 

В реакцию вступили 4 атома  водорода и 2 атома кислорода, а в  результате реакции образовались 2 молекулы воды, в которых 4 атома  водорода и 2 атома кислорода. Атомы  имеют постоянную массу, следовательно, масса веществ не изменится и  после реакции.

 

Закон сохранения массы веществ  тесно связан с законом сохранения энергии. Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она превращается из одного вида в другой. М. В. Ломоносов  связывал эти законы во всеобщий закон  природы и сформулировал это  так: «Все предметы – в натуре случающиеся, такова суть состояния, что, сколько  чего у одного тела отнимать, столько  присовокупится к другому. Так, ежели  где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей  всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее силою другое, столько же оно у себя теряет, сколько сообщает другому, которое  от него движение получает».

 

Закон сохранения энергии  и закон сохранения массы веществ  объединены в один единый закон –  закон вечности материи и ее движения.

 

Современная наука подтвердила  взгляды М. В. Ломоносова. Уравнение  Эйнштейна выражает взаимосвязь  между массой и энергией.

 

Закон сохранения массы веществ  является материальной основой для  составления уравнений химических реакций и расчетов на их основе.

 

В свете приведенных выше законов следует рассмотреть  закон постоянства состава вещества.

 

Любое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и  количественный состав. Впервые этот закон был сформулирован в 1808 г. французским ученым Ж. Прустом.

 

Закон постоянства состава  вытекает из атомно-молекулярного учения. Так как вещества с молекулярной структурой состоят из одинаковых молекул, то и состав этих веществ постоянен.

 

Во всех случаях CO2 будет  иметь состав 27,27 % углерода и 72,73 % кислорода.

 

Наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. Н. С. Кур-наков предложил назвать первые дальтонидами (в честь Д. Дальтона), вторые – бертоллидами. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиомет-рическим отношениям. Например, оксид урана (IV) выражается формулой UO3 На самом деле он имеет состав от UO25 до UO3.

 

57. СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ, УРОВНИ  ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО 

 

По современным научным  представлениям жизнь – это процесс  существования сложных биологических  систем, состоящих из огромных органических молекул и способных к самовоспроизводству и поддерживанию своего существования в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.

 

Как клетка, так и организм в целом представлены совокупностью  упорядоченно взаимодействующих структур (органелл, клеток, тканей, органов), т. е. являются системами.

 

Живые организмы обладают признаками, отличающими их от неживой  материи. Но среди них практически  нет ни одного, который был бы присущ исключительно живому. Для  описания жизни рассмотрим универсальные  свойства живых организмов:

 

– обмен веществ и энергии. Все живые организмы извлекают, преобразуют и используют энергию  окружающей среды и возвращают энергию  окружающей среды, возвращают в биосферу преобразованную энергию (тепло, продукты распада);

 

– размножение (самовоспроизведение). Это обязательное и важнейшее  свойство живых организмов. Длительное существование вида, преемственность  между родителями и потомками  – все это обеспечивается размножением;

 

– развитие. Под этим подразумевают  необратимый, закономерно направленный процесс тесно взаимосвязанных  количественных (рост, увеличение, число  клеток) и качественных (созревание, старение) изменений особи с момента  рождения до ее смерти;

 

– раздражимость (возбудимость). Свойство организмов реагировать на воздействия окружающей среды (раздражители) активной реакцией, которая помогает им выжить, называется раздражительностью;

 

– акторегуляцию (саморегуляция). Это способность живого организма сохранить свой состав и свойства на относительно постоянном уровне независимо от меняющихся условий среды. Кроме этого, для живых систем характерна высокая степень организации. Различают несколько структурно-функциональных уровней организации живой материи.

 

На молекулярном уровне рассматривается  роль химических соединений, важных для  поддержания жизнедеятельности  организма (белков, жиров, углеводов).

 

На клеточном уровне изучается  структурная организация клетки и физиолого-биохимические и структурно-функциональные связи между клетками в различных  тканях и органах.

 

На тканевом и органном уровне изучаются те явления и  процессы, которые происходят в особи, а также механизмы функционирования органов как систем, приспособленные  изменения и поведение организмов в различных экономических условиях.

 

Популяционно-видовой уровень  отличается от других уровней тем, что  популяция при оптимальных условиях среды обитания способна развиваться  неограниченно долго. Это принципиально  отличается от продолжительности жизни  живого организма, так как он умирает, исчерпав возможности своего развития, которые заложены в генетической информации.

 

Экосистемный (биосферно-биогенетический) уровень рассматривает взаимоотношения организма и среды, а также закономерности протекания энергетических круговоротов и тех процессов, которые протекают в экосистемах.

 

58. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЦЕЛОСТНОСТИ  ОБЪЕКТОВ В БИОЛОГИИ 

 

Слово система (от греч. systema – «целое, составленное из частей»)означает совокупность взаимосвязанных элементов, образующих единство (целостность). Для характеристики системного начала объектов обычно прибегают к принципам целостности, структурности, иерархичности, уровневости. Системность объекта предполагает расчлененность на составные части и в то же время наличие связей между компонентами системы, именно взаимосвязь компонентов отличает систему от множества, от совокупности одного общего состояния. Только объединенные в одно целое элементы составляют систему. Принцип системности гласит, что свойства системы как целого не определяются суммой свойств составляющих элементов, а есть нечто новое.

 

Объекты биологии – это  развивающиеся объекты-системы, и  все они характеризуются таким  общим свойством, как целостность. Например, в отношении биологических  объектов выдающийся биолог-эволюционист И. И. Шмальгаузен писал, что организм не есть мозаика частей, органов  или признаков. «Целое не получается суммированием частей, хотя бы и  при участии какого-либо дополнительного  фактора. Оно развивается одновременно с обособлением частей по мере прогрессивного усложнения организации. Нельзя говорить, что целое больше, чем сумма  частей. Мы вообще не имеем суммы, так  как свойства частей сняты, а в  целом мы имеем новые свойства. Организм – не сумма, а система, т. е. соподчиненная сложная взаимосвязь, дающая в своих противоречивых тенденциях, в своем непрерывном движении высшее единство – развивающуюся  организацию». Сравнительный анализ процессов образования целостности  в разных системах позволяет предположить, что наряду со специфическим существует и универсальный механизм формирования целостности. Частнонаучные исследования показывают, что формирование целостности происходит параллельно с «расслоением» системы на уровни. Механизм образования целостности на материале биологических систем выявляет И. B. Шмальгаузен. Он показал, что организм как целое совершенствуется в ходе и благодаря специализации частей, его составляющих. Причем чем больше специализация частей, тем больше они оказываются в зависимости друг от друга и от организма в целом. «Целое, несущее лишь общие функции, расчленяется на части с разными более специальными функциями, – писал И. И. Шмальгаузен. -Целое дифференцируется, а части специализируются. Однако эта автономизация выражается лишь в обособлении своей специфической функции. Жизнь любой части обеспечивается целым рядом общих функций...»

 

Обобщая сказанное, можно  утверждать, что развивающиеся объект-системы  характеризуются таким универсальным  признаком, как целостность, а процесс  образования целостности связан с формированием уровней организации. Целостность предполагает упорядоченность, наличие классов частей в противоположность  хаотическому смешению элементов. В  результате возникает иерархическая  система, где все разнообразие элементов  подразделяется на соподчиненные уровни организации. Это правило, действительно, оказывается универсальным для  строения систем. Иерархичность организаций  особенно заметна у биологических  объект-систем: клетка – организм –  популяция – биоценоз.

 

59. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  СИСТЕМАТИКИ МОДЕЛЕЙ В БИОЛОГИИ 

 

Существуют всевозможные классификации математических моделей.

 

В наибольшей степени обобщения  модели любых систем могут быть двух типов – эмпирические и теоретические. Эмпирические модели – это математические выражения, аппроксимирующие экспериментальные  данные о зависимости параметров состояния системы от значений параметров влияющих на них факторов. Для эмпирических математических моделей не требуется  получения никаких представлений  о строении и внутреннем механизме  связей в системе. Вместе с тем  задача о нахождении математического  выражения эмпирической модели по заданному  массиву наблюдений в пределах выбранной  точности описания явления неоднозначна. Существует бесконечное множество  математических выражений, аппроксимирующих в пределах данной точности одни и  те же опытные данные о зависимости  параметров.

 

Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих  их процессах и явлениях, основываясь  на фундаментальных законах, описывающих  поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает  абстрактную систему, и для первоначального  вывода ее соотношений не требуется  данных о наблюдениях за параметрами  конкретной системы. Модель строится на основе обобщения априорных представлений  о структуре системы и механизма  связей между слагающими ее элементами.

 

Наряду с эмпирическими  и теоретическими используются и  полуэмпирические модели. Для них  математические выражения получаются теоретическим путем с точностью  до эмпирически получаемых констант либо в общей системе соотношений  моделей наряду с теоретическими выражениями используются и эмпирические.

 

Теоретическая модель описывает  не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической  модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых  систем. Затем проверенную таким  образом теоретическую модель можно  применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся  к тому же либо к более узкому классу. Методы моделирования во многом сходны. Так, чрезвычайная сложность  биологических систем заставляет с  осторожностью относиться к данным, полученным при использовании их моделей, требует верификации данных. Специфичность биологических систем требует применения адекватного  математического аппарата. Моделирование  как метод исследования все шире используется в биологии. Выделяют следующие уровни структурной организации  живого: клеточный – тканевой –  органный – организменный – попу-ляционный – биоценотический – экосистемный. На каждом уровне в качестве объекта исследования выступают клетка, ткань, организм, популяция, сообщество, экосистема. Модели нашли свое применение на каждом уровне организации. Так, на клеточном уровне наиболее известны модели различных биохимических процессов, например фотосинтеза или биосинтеза белка. На органно-тканевом уровне часто применяются модели динамики физиологических процессов, как, например, модели образования и накопления молочной кислоты в мышцах.