Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами.
В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению известного шведского химика Йенса Берцелиуса (1779—1848) структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Шарль Жерар (1816—1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.
Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтезирования новых веществ предпринял известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829—1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их сродства или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.
Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения Александра Михайловича Бутлерова (1828—1886), который, хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике.
Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой — установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.
Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.
К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакции от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей,стенок реактора и иных условий.
Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось получить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, когда был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре (18°С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в "тонком" и "тяжелом"органическом синтезе.
Не приводя более примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих по сути дела живыми катализаторами.
Несмотря на то что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попыт-j ки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично — практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.
Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т. е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б. П. Белоусов и А. М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы.
Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.
3. Вулканическая деятельность на планете. Виды вулканизма
Вулканы – геологические образования, возникающие под каналами и трещинами в земной коре, по которым извергаются на земную поверхность из глубинных магматических источников лавы, горячие газы и обломки горных пород. Обычно вулканы представляют отдельные горы, сложенные продуктами извержения.
Вулканы разделяются на
- Действующие. Ониизвергающиеся в настоящее время, постоянно или периодически. Это вулканы, об извержениях которых существуют исторические данные. Это вулканы, об извержениях которых нет сведений, но которые выделяют горячие газы и воды.
- Уснувшие. К ним относятся вулканы, ор которых нет сведений, но они сохранили свою форму и под ними происходят локальные землетрясения.
- Потухшие. К ним относятся сильно разрушенные и размытые вулканы без каких-либо проявлений вулканической активности.
В зависимости от формы подводящих каналов вулканы разделяют на
- Центральные,
- Трещинные.
Вулканические явления
Извержения бывают длительными и кратковременными. К предвестникам извержения относятся вулканические землятресения, акустические явления, изменения магнитных свойств и состава фумарольных газов. Извержение обычно начинается с усилением выбросов газов сначала вместе с темными, холодными обломками лав, а затем с раскаленными. Эти выбросы в некоторых случаях сопровождаются излиянием лавы. Высота подъема газов воды, насыщенных пеплом и обломками лав, в зависимости от силы взрывов колеблется от 1 до 5км. Выброшенный материал переносится на расстоянии от нескольких до десятков тысяч километров. Объем выброшенного обломочного материала порой достигает несколько кубических километров. При некоторых извержениях концентрация вулканического пепла в атмосфере бывает настолько большой, что возникает темнота, подобная темноте в закрытом помещении. Извержение представляет собой чередование слабых сильных взрывов и излияний лав. Взрывы максимальной силы называются кульминационным пароксизмом. После них происходит уменьшение силы взрывов и постепенное прекращение извержений. Объёмы излившейся лавы до десятков кубических километров.
Типы извержений
Извержения вулканов не всегда одинаковы. В зависимости от количественных соотношений извергаемых вулканических продуктов и вязкости лав выделены 4гл. типа извержений:
1. Эффузивный (гавайский)
2. Смешанный (стромболианский)
3. Экструзивный (купольный)
4. Эксплозивный (вулканский)
Гавайский тип извержения, создающий чаще всего щитовидные вулканы, отличающиеся относительно спокойным излиянием жидкой лавы, образующей в кратерах огненно-жидкие озера и лавовые потоки. Газы, содержащиеся в небольшом количестве образуют фонтаны, выбрасывающие комки и капли жидкой лавы, которые вытягиваются в полете в тонкие стеклянные нити.
В стромболианском типе извержений, создающим обычно стратовулканы, наряду с достаточно обильными излияниями жидких лав базальтового и андезитобазальтового состава, преобладающими являются небольшие взрывы, которые выбрасывают куски шлака и разнообразные витые и веретенообразные бомбы.
Для купольного типа характерно выжимание и выталкивание вязкой лавы сильным напором газов из канала В. и образование куполов, криптокуполов, конусокуполов и обелисков.
В вулканском типе большую роль играют газообразные вещества, производящие взрывы и выбросы огромных чёрных туч, переполненных большим количеством обломков лав. Лавы вязкие андезитового, дацитового или риолитового состава образуют небольшие потоки. Каждый из главных типов извержений разделяется на несколько подтипов. Из них особо выделяются пелейский и катмайский, промежуточные между купольным и вулканским типами. Характерной особенностью первого является образование куполов и направленные взрывы очень горячих газовых туч, переполненных самовзрывающимися в полёте и при скатывании по склону вулканов обломками и глыбами лав. Извержения катмайского подтипа отличаются выбрасыванием очень горячего, весьма подвижного песчаного потока. Куполообразующие извержения иногда сопровождаются раскалёнными или достаточно охлаждёнными лавинами, а также грязевыми потоками. Ультравулканский подтип выражается в весьма сильных взрывах, выбрасывающих огромные количества обломков лав и пород стенок канала. Извержения подводных вулканов, расположенных в очень глубоких местах, обычно незаметны, т. к. большое давление воды препятствует взрывным извержениям. В мелких местах извержения выражаются взрывами (выбросами) огромных количеств пара и газов, переполненных мелкими обломками лавы. Взрывные извержения продолжаются до тех пор, пока извергаемый материал не образует острова, поднимающегося над уровнем моря. После чего взрывы сменяются или чередуются с излияниями лавы.
Продукты извержения в у л к а н о в бывают газообразными, жидкими и твёрдыми. В зависимости от характера извержений и состава магмы на поверхности образуются сооружения различной формы и высоты. Они представляют собой вулканические аппараты, состоящие из трубообразного или трещинного канала, жерла (самой верхней части канала), окружающих канал с разных сторон мощных накоплений лав и вулканообломочных продуктов и кратера (чашеобразной впадины, расположенной на вершине сооружения). Наиболее распространёнными формамисо-оружений являются конусообразные (при преобладании выбросов обломочного материала), куполообразные (при выжимании вязкой лавы) и пологие щитовидные (при преобладании излияний жидкой лавы). Извержения происходят не только через вершинный гл. кратер, но и через побочные (паразитические) кратеры, расположенные на склонах и на некотором удалении от них. При однократных извержениях газов, пробивающих канал до земной поверхности, нередко образуются воронкообразные впадины, окаймленные кольцевым валом из глыб различных пород. Такие воронки, нередко заполненные водой называется маарами. Сильные извержения иногда сопровождаются обрушениями части вулканического сооружения, а часто и прилегающей местности. Образующиеся впадины диаметром от нескольких километров до первых десятков километров называется кальдерами.