1. Kimyasal element nedir?
Cevap. Kimyasal element, aynı nükleer yüke ve periyodik tablodaki seri (atom) numarasıyla eşleşen proton sayısına sahip atomların bir koleksiyonudur. Her kimyasal elementin, Dmitry Ivanovich Mendeleev tarafından Elementlerin Periyodik Tablosunda verilen kendi adı ve sembolü vardır.
2. Şu anda kaç tane kimyasal element bilinmektedir?
Cevap. Doğada yaklaşık 90 kimyasal element tanımlanmıştır. Neden bu kadar çok? Çünkü seri numarası 92'den küçük olan elementler arasında (uranyumdan önce), teknetyum (43) ve fransiyum (87) doğada yoktur. Astatin neredeyse hiç yoktur (85). Öte yandan, uranyum cevherlerinin bulunduğu doğada hem neptunyum (93) hem de plütonyum (94) (kararsız transuranyum elementleri) bulunur. D.I. Mendeleev'in periyodik tablosunda plütonyum Pu'yu takip eden tüm elementler yer kabuğunda tamamen yoktur, ancak bunların bir kısmı şüphesiz süpernova patlamaları sırasında uzayda oluşmuştur. Ama uzun yaşamıyorlar...
Bugüne kadar bilim insanları, neptunyumdan (N=93) başlayıp N=118 element numarasıyla biten (element numarası atom çekirdeğindeki proton sayısına ve atom çekirdeği etrafındaki elektron sayısına karşılık gelir) 26 transuranyum elementi sentezledi. .
Transuranyum kimyasal elementlerinin 93 ila 100'ü nükleer reaktörlerde üretilir ve geri kalanı parçacık hızlandırıcılardaki nükleer reaksiyonlar sonucunda elde edilir.
3. Hangi maddelere inorganik denir?
Cevap. İnorganik maddeler (inorganik bileşikler), organik olmayan, yani karbon içermeyen kimyasal bileşiklerin yanı sıra bazı karbon içeren bileşiklerdir (karbürler, siyanürler, karbonatlar, karbon oksitler ve geleneksel olarak inorganik olarak sınıflandırılan diğer bazı maddeler). İnorganik maddeler, organik maddelerin karbon iskelet özelliğine sahip değildir.
4. Hangi bileşiklere organik denir?
Cevap. Organik bileşikler, organik maddeler - karbon içeren bir kimyasal bileşik sınıfı (karbürler, karbonik asit, karbonatlar, karbon oksitler ve siyanürler hariç). Organik bileşikler, karbona ek olarak çoğunlukla hidrojen, oksijen, nitrojen ve çok daha az sıklıkla - kükürt, fosfor, halojenler ve bazı metaller (ayrı ayrı veya çeşitli kombinasyonlarda) elementlerini içerir.
5. Hangi kimyasal bağlara kovalent denir?
Cevap. Kovalent bağ (atomik bağ, homeopolar bağ), bir çift değerlik elektron bulutunun örtüşmesi (paylaşılması) ile oluşan kimyasal bir bağdır. İletişimi sağlayan elektron bulutlarına (elektronlara) ortak elektron çifti denir.
Kovalent bir bağın karakteristik özellikleri (yönlülük, doygunluk, polarite, polarize edilebilirlik) bileşiklerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini belirler.
Bağlantının yönü, maddenin moleküler yapısı ve molekülünün geometrik şekli ile belirlenir. İki bağ arasındaki açılara bağ açıları denir.
Doyabilirlik, atomların sınırlı sayıda kovalent bağ oluşturma yeteneğidir. Bir atomun oluşturduğu bağların sayısı, dış atomik yörüngelerinin sayısıyla sınırlıdır.
Bağın polaritesi, atomların elektronegatifliklerindeki farklılıklar nedeniyle elektron yoğunluğunun eşit olmayan dağılımından kaynaklanmaktadır. Bu temelde kovalent bağlar polar olmayan ve polar olarak ikiye ayrılır.
Bir bağın polarize edilebilirliği, reaksiyona giren başka bir parçacığınki de dahil olmak üzere harici bir elektrik alanının etkisi altında bağ elektronlarının yer değiştirmesiyle ifade edilir. Polarize edilebilirlik elektron hareketliliği ile belirlenir. Kovalent bağların polaritesi ve polarize edilebilirliği, moleküllerin polar reaktiflere karşı reaktivitesini belirler.
§6'dan sonraki sorular
1. Bir hücrenin kimyasal bileşiminin, canlı doğanın birliği ile canlı ve cansız doğa topluluğunun bir teyidi olduğu neden ileri sürülebilir?
Cevap. Hücrenin kimyasal elementleri. Farklı organizmaların hücrelerinin ve hatta çok hücreli bir organizmada farklı işlevleri yerine getiren hücrelerin kimyasal bileşimi birbirinden önemli ölçüde farklı olabilir. Aynı zamanda farklı hücreler hemen hemen aynı kimyasal elementleri içerir. Farklı organizmaların hücrelerinin temel kimyasal bileşiminin benzerliği, canlı doğanın birliğini kanıtlar. Aynı zamanda canlı organizmalarda bulunan ve cansız doğadaki bedenlerde bulunmayan tek bir kimyasal element yoktur. Bu, canlı ve cansız doğanın ortaklığını gösterir.
2. Hangi elementler makro besinler olarak kabul edilir?
Cevap. Makroelementler, canlı organizmaların vücudunda %0,001 ila %70 konsantrasyonlarda bulunan kimyasal elementlerdir. Makro elementler şunları içerir: oksijen, hidrojen, karbon, nitrojen, fosfor, potasyum, kalsiyum, kükürt, magnezyum, sodyum, klor, demir vb.
3. Mikro elementler ve ultramikro elementler arasındaki fark nedir?
Cevap. Temel fark yüzdededir: makro elementler için bu oran %0,01'den fazladır, mikro elementler için ise %0,001'den azdır. Ultramikro elementler daha da küçük bir hacimde bulunur - %0,0000001'den az. Ultramikro elementler arasında altın, gümüş, cıva, platin, sezyum ve selenyum bulunur. Ultramikroelementlerin işlevleri şu anda tam olarak anlaşılamamıştır. Mikro elementler arasında brom, demir, iyot, kobalt, manganez, bakır, molibden, selenyum, flor, krom, çinko bulunur. Bir maddenin vücuttaki konsantrasyonu ne kadar düşük olursa, biyolojik rolünü belirlemek o kadar zor olur.
4. Neden karbonun yaşamın kimyasal temeli olduğuna inanılıyor?
Cevap. Karbon, yaşam için temel olan benzersiz kimyasal özelliklere sahiptir. Bir atomun özelliklerinin (dış yörüngedeki eşleşmemiş elektronların boyutu ve sayısı) birleşimi, çeşitli organik bileşiklerin oluşumuna izin verir, birçok atom ve bunların grupları ile etkileşime girerek organik iskeleti oluşturan zincirler, halkalar oluşturabilir. farklı kimyasal bileşim, yapı, uzunluk ve şekil moleküllerine sahip bileşikler. Yapı ve işlev bakımından farklılık gösteren karmaşık kimyasal bileşikler oluştururlar.
Neden hayvanları, mantarları ve bitkileri yiyebiliriz ve bakteriler ve diğer hayvanlar da vücudumuzdan beslenerek hastalıklara ve patolojilere neden olabilir? Bir kişinin normal refahı için hangi organik ve inorganik maddelere ihtiyacı vardır? Hangi kimyasal elementler olmadan Dünya'da yaşam var olabilir? Ağır metal zehirlenmesinde ne olur? Bu dersten hangi kimyasal elementlerin canlı organizmaların bir parçası olduğunu, bunların hayvanların ve bitkilerin vücudunda nasıl dağıldığını, kimyasalların fazlalığının veya eksikliğinin farklı canlıların yaşamını nasıl etkileyebileceğini öğrenecek, mikro ve kimyasal elementlerle ilgili ayrıntıları öğreneceksiniz. Makro elementler ve yaban hayatındaki rolleri.
Konu: Sitolojinin temelleri
Ders: Hücrenin kimyasal bileşiminin özellikleri
1. Hücrenin kimyasal bileşimi
Canlıların hücreleri farklı yapılardan oluşur kimyasal elementler.
Bu elementlerin atomları iki sınıf kimyasal bileşik oluşturur: inorganik ve organik (bkz. Şekil 1).
Pirinç. 1. Canlı bir organizmayı oluşturan kimyasal maddelerin koşullu bölünmesi
Şu anda bilinen 118 kimyasal elementten 24'ü mutlaka canlı hücrelerin bileşimine dahil edilir. Bu elementler su ile kolayca çözünebilen bileşikler oluşturur. Cansız doğadaki nesnelerde de bulunurlar, ancak bu elementlerin canlı ve cansız maddedeki oranı farklıdır (Şekil 2).
Pirinç. 2. Yer kabuğundaki ve insan vücudundaki kimyasal elementlerin göreceli içeriği
Cansız doğada baskın unsurlar şunlardır: oksijen, silikon, alüminyum Ve sodyum.
Canlı organizmalarda baskın olan elementler hidrojen, oksijen, karbon Ve azot. Ayrıca canlı organizmalar için önemli olan iki unsur daha vardır: fosfor Ve sülfür.
Bu 6 element yani. karbon, hidrojen, nitrojen, oksijen, fosfor Ve kükürt (C, H, N, O, P, S) , isminde organojenik, veya besinler organik bileşikleri oluşturanlar olduklarından ve elementler oksijen Ve hidrojen, ayrıca su molekülleri oluştururlar. Biyojenik elementlerin bileşikleri herhangi bir hücrenin kütlesinin %98'ini oluşturur.
2. Canlı bir organizma için altı temel kimyasal element
Elementlerin en önemli ayırt edici yeteneği C, H, N, O güçlü kovalent bağlar oluşturmalarıdır ve kovalent bağ oluşturan tüm atomlar arasında en hafif olanlarıdır. Ayrıca karbon, nitrojen ve oksijen tekli ve çiftli bağlar oluşturarak çok çeşitli kimyasal bileşikler oluşturabilirler. Karbon atomları aynı zamanda hem diğer karbon atomları hem de nitrojen atomları ile üçlü bağlar oluşturabilirler; hidrosiyanik asitte karbon ve nitrojen arasındaki bağ üçlüdür (Şekil 3)
Şekil 3. Hidrojen siyanür - hidrosiyanik asidin yapısal formülü
Bu, doğadaki karbon bileşiklerinin çeşitliliğini açıklar. Ek olarak, değerlik bağları, farklı türdeki organik moleküllerin farklı üç boyutlu yapılara sahip olması nedeniyle karbon atomu çevresinde bir tetrahedron oluşturur (Şekil 4).
Pirinç. 4. Metan molekülünün tetrahedral şekli. Merkezde, bir tetrahedronun köşelerini oluşturan dört mavi hidrojen atomuyla çevrelenmiş turuncu bir karbon atomu var.
Yalnızca karbon, çeşitli konfigürasyonlara, boyutlara ve çok çeşitli fonksiyonel gruplara sahip kararlı moleküller oluşturabilir (Şekil 5).
Şekil 5. Çeşitli karbon bileşiklerinin yapısal formüllerine örnek.
Hücre kütlesinin yaklaşık %2'si aşağıdaki elementlerden oluşur: potasyum, sodyum, kalsiyum, klor, magnezyum, demir. Geri kalan kimyasal elementler hücrede çok daha küçük miktarlarda bulunur.
Böylece canlı organizmadaki içeriklerine göre tüm kimyasal elementler üç büyük gruba ayrılır.
3. Canlı bir organizmadaki mikro, makro ve ultramikro elementler
Miktarı vücut ağırlığının %10-2'sine kadar olan elementler makro besinler.
Payı 10-2'den 10-6'ya kadar olan unsurlar - mikro elementler.
Pirinç. 6. Canlı bir organizmadaki kimyasal elementler
Rus ve Ukraynalı bilim adamı V. I. Vernadsky tüm canlı organizmaların dış ortamdan elementleri emebildiğini (asimilasyonunu) ve bunları belirli organ ve dokularda biriktirebildiğini (konsantre edebildiğini) kanıtladı. Örneğin karaciğerde, kemikte ve kas dokusunda çok sayıda eser element birikir.
4. Mikro elementlerin belirli organ ve dokulara afinitesi
Bireysel elementlerin belirli organ ve dokulara ilgisi vardır. Örneğin kalsiyum kemiklerde ve dişlerde birikir. Pankreasta çok fazla çinko var. Böbreklerde çok fazla molibden var. Retinadaki baryum. Tiroid bezinde iyot. Hipofiz bezinde çok miktarda manganez, brom ve krom vardır (bkz. Tablo “İnsanların iç organlarında kimyasal elementlerin birikmesi”).
Hayati süreçlerin normal işleyişi için vücuttaki kimyasal elementlerin katı bir oranı gereklidir. Aksi halde biyofilik elementlerin eksikliği veya fazlalığı nedeniyle ciddi zehirlenmeler meydana gelir.
5. Mikro elementleri seçici olarak biriktiren organizmalar
Bazı canlı organizmalar, belirli kimyasal elementleri seçici olarak organ ve dokularda biriktirmeleri nedeniyle kimyasal çevre koşullarının göstergesi olabilirler (Şekil 7, 8).
Pirinç. 7. Belirli kimyasal elementleri vücutlarında biriktiren hayvanlar. Soldan sağa: ışınlar (kalsiyum ve stronsiyum), rizopodlar (baryum ve kalsiyum), ascidians (vanadyum)
Pirinç. 8. Belirli kimyasal elementleri vücutta biriktiren bitkiler. Soldan sağa: deniz yosunu (iyot), düğün çiçeği (lityum), su mercimeği (radyum)
6. Organizmaları oluşturan maddeler
Canlı organizmalardaki kimyasal bileşikler
Kimyasal elementler inorganik ve organik maddeleri oluşturur (bkz. “Canlı organizmaları oluşturan maddeler” şeması).
İnorganik maddeler organizmalarda: su ve mineraller (tuz iyonları; katyonlar: potasyum, sodyum, kalsiyum ve magnezyum; anyonlar: klor, sülfat anyonu, bikarbonat anyonu).
Organik madde: monomerler (monosakkaritler, amino asitler, nükleotitler, yağ asitleri ve lipitler) ve polimerler (polisakkaritler, proteinler, nükleik asitler).
İnorganik maddeler arasında en çok hücre bulunur su(%40 ila 95 arası), hayvan hücrelerindeki organik bileşikler arasında baskındır sincaplar(%10-20) ve bitki hücrelerinde - polisakkaritler (hücre duvarı selülozdan oluşur ve bitkilerin ana rezerv besin maddesi nişastadır).
Böylece canlı organizmaları oluşturan temel kimyasal elementlere ve bunların oluşturabileceği bileşiklere baktık (bkz. Şema 1).
Besinlerin önemi
Besinlerin canlı organizmalar için önemini ele alalım (Şekil 9).
Öğe karbon(karbon) tüm organik maddelerin bir parçasıdır, temelleri karbon iskeletidir. Öğe oksijen(oksijen) suyun ve organik maddelerin bir parçasıdır. Öğe hidrojen(hidrojen) aynı zamanda tüm organik maddelerin ve suyun bir parçasıdır. Azot(azot) proteinlerin, nükleik asitlerin ve bunların monomerlerinin (amino asitler ve nükleotidler) bir parçasıdır. Sülfür(kükürt), kükürt içeren amino asitlerin bir parçasıdır ve bir enerji aktarım maddesi olarak işlev görür. Fosfor ATP'nin, nükleotidlerin ve nükleik asitlerin bir parçasıdır, mineral fosfor tuzları diş minesinin, kemik ve kıkırdak dokusunun bir bileşenidir.
İnorganik maddelerin etkisinin ekolojik yönleri
Çevre koruma sorunu öncelikle çevre kirliliğinin çeşitli yollarla önlenmesiyle ilgilidir. inorganik maddeler. Başlıca kirleticiler şunlardır: ağır metaller toprakta ve doğal sularda birikir.
Başlıca hava kirleticiler şunlardır: kükürt ve nitrojen oksitleri.
Teknolojinin hızla gelişmesi sonucunda üretimde kullanılan metallerin miktarı büyük oranda artmıştır. Metaller insan vücuduna girer, kana karışır ve sonra organ ve dokularda birikir: karaciğer, böbrekler, kemik ve kas dokuları. Metaller deri, böbrekler ve bağırsaklar yoluyla vücuttan uzaklaştırılır. En zehirli olanlar arasında yer alan metal iyonları (bkz. “En zehirli iyonlar” listesi, Şekil 10): cıva, uranyum, kadmiyum, talyum Ve arsenik Akut kronik zehirlenmeye neden olur.
Orta derecede toksik metal grubu da çok sayıdadır (Şekil 11), bunlar şunları içerir: manganez, krom, osmiyum, stronsiyum Ve antimon. Bu elementler oldukça şiddetli ancak nadiren ölümcül klinik belirtilerle kronik zehirlenmeye neden olabilir.
Düşük toksik metaller gözle görülür bir seçiciliğe sahip değildir. Alkali ve toprak alkali metaller gibi düşük toksik metallerin aerosolleri akciğerlerde değişikliklere neden olabilir.
Ev ödevi
1. Canlı organizmalarda hangi kimyasal elementler bulunur?
2. Kimyasal elementler canlı maddedeki element miktarına göre hangi gruplara ayrılır?
3. Organojenik elementleri adlandırın ve genel bir tanımını yapın.
4. Hangi kimyasal elementler makro elementler olarak kabul edilir?
5. Hangi kimyasal elementler mikro element olarak kabul edilir?
6. Hangi kimyasal elementler ultramikro elementler olarak kabul edilir?
7. Arkadaşlarınızla ve ailenizle kimyasal elementlerin kimyasal özelliklerinin canlı organizmalardaki rolleriyle nasıl ilişkili olduğunu tartışın.
1. Simyacı.
2. Vikipedi.
3. Simyacı.
4. İnternet portalı Liveinternet. ru.
Referanslar
1. Kamensky A. A., Kriksunov E. A., Pasechnik V. V. Genel biyoloji 10-11 sınıf Bustard, 2005.
2. Biyoloji. 10. sınıf. Genel biyoloji. Temel seviye / P. V. Izhevsky, O. A. Kornilova, T. E. Loschilina ve diğerleri - 2. baskı, revize edildi. - Ventana-Graf, 2010. - 224 s.
3. Belyaev D.K. Biyoloji 10-11. Genel biyoloji. Temel seviye. - 11. baskı, stereotip. - M.: Eğitim, 2012. - 304 s.
4. Biyoloji 11. sınıf. Genel biyoloji. Profil düzeyi / V. B. Zakharov, S. G. Mamontov, N. I. Sonin ve diğerleri - 5. baskı, stereotip. - Bustard, 2010. - 388 s.
5. Agafonova I. B., Zakharova E. T., Sivoglazov V. I. Biyoloji 10-11 sınıf. Genel biyoloji. Temel seviye. - 6. baskı, ekleyin. - Bustard, 2010. - 384 s.
Periyodik tablo
Geçen yüzyılda yakacak odun ana yakıttı. Bugün bile yakıt olarak odun, özellikle kırsal alanlardaki binaların ısıtılmasında hâlâ büyük önem taşıyor. Sobalarda odun yakarken esasen Dünya'dan yaklaşık 150 milyon kilometre uzakta bulunan Güneş'ten aldığımız enerjiyi kullandığımızı hayal etmek zor. Ancak durum tam da bu.
Güneş enerjisi yakacak odunda nasıl birikti? Neden odun yakarak Güneş'ten aldığımız enerjiyi kullandığımızı söyleyebiliriz?
Seçkin Rus bilim adamı K. A. Timiryazev, sorulan sorulara net bir cevap verdi. Hemen hemen tüm bitkilerin gelişiminin ancak güneş ışığının etkisi altında mümkün olduğu ortaya çıktı. Küçük otlardan güçlü okaliptüslere kadar boyları 150 metreye ve gövde çevreleri 30 metreye ulaşan bitkilerin büyük çoğunluğunun yaşamı, güneş ışığının algılanmasına dayanmaktadır. Bitkilerin yeşil yaprakları özel bir madde olan klorofil içerir. Bu madde bitkilere önemli bir özellik kazandırır: Güneş ışığının enerjisini absorbe etmek, bu enerjiyi karbon ve oksijen bileşiği olan karbondioksiti bileşen parçalarına yani karbon ve oksijene ayrıştırmak için kullanmak ve dokularında organik maddeler oluşturmak. , buradan Bitki dokusu aslında bundan oluşur. Abartmadan, bitkilerin bu özelliğine dikkat çekici denilebilir, çünkü bu sayede bitkiler inorganik doğadaki maddeleri organik maddelere dönüştürebilmektedir. Ayrıca bitkiler, canlıların, endüstrinin ve volkanik aktivitenin bir ürünü olan havadaki karbondioksiti emer ve havayı oksijenle doyurur, bildiğimiz gibi solunum ve yanma süreçleri imkansızdır. Bu nedenle yeşil alanlar insan yaşamı için gereklidir.
Bitki yapraklarının karbondioksiti emdiğini ve onu karbon ve oksijene ayırdığını çok basit bir deneyle doğrulamak kolaydır. Bir test tüpünün içinde karbondioksitin çözünmüş olduğu suyun ve bir ağacın veya çimenin yeşil yapraklarının bulunduğunu hayal edelim. Karbondioksit içeren su çok yaygındır: Sıcak bir günde, susuzluğu gidermek için çok hoş olan, karbonatlı su adı verilen bu sudur.
Ancak deneyimlerimize geri dönelim. Bir süre sonra, yapraklar üzerinde, oluştukça yükselip test tüpünün üst kısmında biriken küçük kabarcıkları fark edebilirsiniz. Yapraklardan elde edilen bu gaz ayrı bir kapta toplanıp içine hafif yanan bir kıymık verilirse alev alır. Bu özelliğe ve diğer bazı özelliklere dayanarak, oksijenle karşı karşıya olduğumuz tespit edilebilir. Karbon ise yapraklar tarafından emilir ve ondan organik maddeler oluşur - güneş ışınlarının dönüştürülen enerjisi olan kimyasal enerjisi yanma sırasında ısı şeklinde salınan bitki dokusu.
Mutlaka doğa bilimlerinin çeşitli dallarına değinen hikayemizde yeni bir kavramla daha karşılaştık: kimyasal enerji. En azından kısaca ne olduğunu açıklamak gerekir. Bir maddenin (özellikle yakacak odunun) kimyasal enerjisinin termal enerjiyle pek çok ortak noktası vardır. Okuyucunun hatırladığı gibi termal enerji, vücudun en küçük parçacıklarının (moleküller ve atomlar) kinetik ve potansiyel enerjisinden oluşur. Dolayısıyla bir cismin termal enerjisi, belirli bir cismin moleküllerinin ve atomlarının öteleme ve dönme hareketinin enerjisi ile bunlar arasındaki çekme veya itme enerjisinin toplamı olarak tanımlanır. Bir vücudun kimyasal enerjisi, termal enerjiden farklı olarak moleküllerin içinde biriken enerjiden oluşur. Bu enerji yalnızca bir veya daha fazla maddenin başka maddelere dönüştürüldüğü kimyasal reaksiyon olan kimyasal dönüşüm yoluyla açığa çıkarılabilir.
Buna iki önemli açıklamayı eklemek gerekiyor. Ancak önce maddenin yapısıyla ilgili bazı hükümleri okuyucuya hatırlatmamız gerekiyor. Bilim adamları uzun bir süre boyunca tüm cisimlerin çok küçük ve bölünemez parçacıklardan, yani atomlardan oluştuğunu varsaydılar. Yunancadan tercüme edilen “atom” kelimesi bölünmez anlamına gelir. İlk bölümde bu varsayım doğrulandı: tüm cisimler gerçekten atomlardan oluşuyor ve bu atomların boyutları son derece küçük. Örneğin bir hidrojen atomunun ağırlığı 0,000 000 000 000 000 000 000 0017 gramdır. Atomların boyutları o kadar küçüktür ki, en güçlü mikroskoplarla bile görülemezler. Eğer atomları bardağa bezelye döktüğümüz gibi düzenlemek mümkün olsaydı; bunların birbirine değmesi durumunda yaklaşık 10.000.000.000.000.000.000.000 atom 1 milimetreküp gibi çok küçük bir hacme sığar.
Toplamda yaklaşık yüz tür atom bilinmektedir. En ağır atomlardan biri olan uranyum atomunun ağırlığı, en hafif hidrojen atomunun ağırlığının yaklaşık 238 katıdır. Basit maddeler, yani. Aynı cins atomlardan oluşan maddelere element denir.
Atomlar birbirleriyle bağlanarak molekülleri oluşturur. Bir molekül farklı türde atomlardan oluşuyorsa maddeye kompleks denir. Örneğin bir su molekülü iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur. Atomlar gibi moleküller de çok küçüktür. Moleküllerin boyutunun küçük olduğunu ve nispeten küçük bir hacimde bile ne kadar çok sayıda bulunduğunu gösteren çarpıcı bir örnek, İngiliz fizikçi Thomson'un verdiği örnektir. Bir bardak su alıp bu bardaktaki tüm su moleküllerini belirli bir şekilde etiketlerseniz ve daha sonra suyu denize döküp iyice karıştırırsanız, hangi okyanus veya denizde bir bardak çekersek çekelim ortaya çıkacaktır. su, yaklaşık yüz tane "biz" etiketli molekül içerecektir.
Tüm cisimler çok sayıda molekül veya atomun birikmesidir. Gazlarda bu parçacıklar kaotik bir hareket halindedir ve gazın sıcaklığı arttıkça yoğunluğu da artar. Sıvılarda, tek tek moleküller arasındaki yapışma kuvvetleri gazlardan çok daha fazladır. Bu nedenle sıvı moleküller de hareket halinde olmalarına rağmen artık birbirlerinden ayrılamazlar. Katılar atomlardan oluşur. Katı bir cismin atomları arasındaki çekim kuvvetleri, yalnızca gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetleriyle karşılaştırıldığında değil, aynı zamanda sıvı moleküllerle karşılaştırıldığında da önemli ölçüde daha yüksektir. Sonuç olarak katı bir cismin atomları az çok sabit denge konumları etrafında yalnızca salınım hareketleri gerçekleştirir. Vücut sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, atomların ve moleküllerin kinetik enerjisi de o kadar büyük olur. Nitekim sıcaklığı belirleyen atom ve moleküllerin kinetik enerjisidir.
Atomun bölünemez olduğu, maddenin sözde en küçük parçacığı olduğu varsayımı ise daha sonra reddedildi. Fizikçiler artık atomun bölünmez olmadığı, daha da küçük madde parçacıklarından oluştuğu konusunda ortak bir bakış açısına sahipler. Üstelik fizikçilerin bu bakış açısı artık deneylerle de doğrulanmıştır. Yani bir atom da protonlardan, nötronlardan ve elektronlardan oluşan karmaşık bir parçacıktır. Protonlar ve nötronlar, bir elektron kabuğuyla çevrelenmiş bir atomun çekirdeğini oluşturur. Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdeğinde yoğunlaşmıştır. Mevcut tüm atom çekirdeklerinin en küçüğü olan hidrojen atomunun çekirdeği, yalnızca bir protondan oluşur ve bir elektronun kütlesinden 1.850 kat daha büyük bir kütleye sahiptir. Proton ve nötronun kütleleri yaklaşık olarak birbirine eşittir. Dolayısıyla bir atomun kütlesi, çekirdeğinin kütlesiyle, başka bir deyişle proton ve nötronların sayısıyla belirlenir. Protonların pozitif elektrik yükü vardır, elektronların negatif elektrik yükü vardır ve nötronların hiçbir elektrik yükü yoktur. Bu nedenle nükleer yük her zaman pozitiftir ve proton sayısına eşittir. Bu miktara D.I. Mendeleev'in periyodik sistemindeki elementin sıra numarası denir. Genellikle kabuğu oluşturan elektronların sayısı protonların sayısına eşittir ve elektronların yükü negatif olduğundan atom bir bütün olarak elektriksel olarak nötrdür.
Atomun hacmi çok küçük olmasına rağmen çekirdek ve onu çevreleyen elektronlar bu hacmin yalnızca küçük bir kısmını kaplar. Bu nedenle atom çekirdeğinin yoğunluğunun ne kadar muazzam olduğu hayal edilebilir. Hidrojen çekirdeklerini yalnızca 1 santimetre küplük bir hacmi yoğun bir şekilde dolduracak şekilde düzenlemek mümkün olsaydı, ağırlıkları yaklaşık 100 milyon ton olurdu.
Maddenin yapısına ilişkin bazı hükümleri kısaca özetledikten ve kimyasal enerjinin moleküllerin içinde biriken enerji olduğunu bir kez daha hatırlattıktan sonra, daha önce söz verdiğimiz, kimyasal enerjinin özünü daha iyi ortaya koyan iki önemli hususu sunmaya geçebiliriz.
Yukarıda bir cismin termal enerjisinin moleküllerin öteleme ve dönme hareketlerinin enerjisinden ve bunlar arasındaki çekme veya itme enerjisinden oluştuğunu söylemiştik. Termal enerjinin bu tanımı tamamen doğru değildir veya daha iyisi tam olarak tamamlanmamıştır. Bir maddenin molekülünün (sıvı veya gaz) iki veya daha fazla atomdan oluşması durumunda, termal enerji aynı zamanda molekül içindeki atomların titreşim hareketinin enerjisini de içermelidir. Bu sonuca aşağıdaki düşüncelere dayanarak ulaşılmıştır. Deneyimler, neredeyse tüm maddelerin ısı kapasitesinin artan sıcaklıkla arttığını göstermektedir. Başka bir deyişle, bir maddenin 1 kilogramının sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısı miktarı, kural olarak, bu maddenin sıcaklığı ne kadar yüksekse o kadar büyüktür. Çoğu gaz bu kurala uyar. Bunu ne açıklıyor? Modern fizik bu soruyu şu şekilde cevaplamaktadır: Sıcaklık arttıkça bir gazın ısı kapasitesinin artmasına neden olan temel neden, sıcaklık arttıkça gaz molekülünü oluşturan atomların titreşim enerjilerinin hızla artmasıdır. Bu açıklama, gaz molekülü ne kadar çok atomdan oluşursa, sıcaklık arttıkça ısı kapasitesinin de artması gerçeğiyle doğrulanır. Tek atomlu gazların, yani en küçük parçacıkları atom olan gazların ısı kapasitesi genellikle artan sıcaklıkla hemen hemen değişmeden kalır.
Ancak bir molekül içindeki atomların titreşim hareketinin enerjisi değişirse ve hatta oldukça önemli ölçüde, bir gaz ısıtıldığında, bu gazın kimyasal bileşimi değişmeden meydana gelirse, o zaman görünüşe göre bu enerji kimyasal enerji olarak kabul edilemez. Peki kimyasal enerjinin bir molekül içinde biriken enerji olduğunu belirten yukarıdaki tanımına ne demeli?
Bu soru oldukça uygundur. Kimyasal enerjinin yukarıdaki tanımına ilk açıklama getirilmelidir: kimyasal enerji, molekül içinde biriken enerjinin tamamını içermez, yalnızca kimyasal dönüşümler yoluyla değiştirilebilen kısmını içerir.
Kimyasal enerjinin özüne ilişkin ikinci düşünce şudur. Bir molekülün içinde depolanan enerjinin tamamı kimyasal reaksiyon sonucunda açığa çıkamaz. Enerjinin bir kısmı, hatta çok büyük bir kısmı, kimyasal süreç sonucunda hiçbir şekilde değişmez. Bir atomun, daha doğrusu atomun çekirdeğinin içerdiği enerjidir. Buna atom veya nükleer enerji denir. Açıkçası bu şaşırtıcı değil. Belki yukarıda söylenenlere dayanarak bile bu durum tahmin edilebilirdi. Aslında herhangi bir kimyasal reaksiyonun yardımıyla bir elementi diğerine, bir tür atomu başka bir tür atoma dönüştürmek imkansızdır. Geçmişte simyacılar bu görevi üstlendiler ve ne pahasına olursa olsun cıva gibi diğer metalleri altına çevirmeye çalıştılar. Simyacılar bu konuda başarıya ulaşamadılar. Ancak kimyasal bir reaksiyonun yardımıyla bir elementi diğerine, bir türden atomları başka türden atomlara dönüştürmek mümkün değilse, bu, atomların kendilerinin veya daha doğrusu ana parçalarının - çekirdeklerin - kaldığı anlamına gelir. Kimyasal reaksiyon sırasında değişmez. Dolayısıyla atom çekirdeğinde biriken çok büyük enerjinin açığa çıkması mümkün değildir. Ve bu enerji gerçekten çok harika. Şu anda fizikçiler, uranyum atomlarının ve diğer bazı elementlerin nükleer enerjisini serbest bırakmayı öğrendiler. Bu, artık bir elementi diğerine dönüştürmenin mümkün olduğu anlamına geliyor. Sadece 1 gram kadar alınan uranyum atomları ayrıştırıldığında yaklaşık 10 milyon kalorilik ısı açığa çıkar. Böyle bir ısı elde etmek için yaklaşık bir buçuk ton iyi kömürün yakılması gerekir. Nükleer (atomik) enerji kullanımının ne kadar büyük fırsatlara sahip olduğunu hayal edebilirsiniz.
Bir türden atomların başka türden atomlara dönüşümü ve böyle bir dönüşümle ilişkili nükleer enerjinin açığa çıkması artık kimyanın görevinin bir parçası olmadığından, nükleer enerji bir maddenin kimyasal enerjisine dahil değildir.
Böylece, korunan güneş enerjisi olan bitkilerin kimyasal enerjisi, bizim takdirimize bağlı olarak serbest bırakılabilir ve kullanılabilir. Bir maddenin kimyasal enerjisini serbest bırakmak, onu en azından kısmen diğer enerji türlerine dönüştürmek için, kimyasal enerjisi maddenin kimyasal enerjisinden daha az olan maddelerin üretimiyle sonuçlanacak bir kimyasal işlemin düzenlenmesi gerekir. başlangıçta alınan maddeler. Bu durumda, kimyasal enerjinin bir kısmı ısıya dönüştürülebilir ve bu sonuncusu, elektrik enerjisi üretmek amacıyla termik santrallerde kullanılır.
Yakacak odun - bitkisel yakıt - ile ilgili olarak, yanma işlemi böyle uygun bir kimyasal işlemdir. Okuyucu kesinlikle ona aşinadır. Bu nedenle, bir maddenin yanması veya oksidasyonunun, bu maddenin oksijenle birleşmesinin kimyasal süreci olduğunu sadece kısaca hatırlayacağız. Yanan bir maddenin oksijenle birleşimi sonucunda önemli miktarda kimyasal enerji açığa çıkar - ısı açığa çıkar. Isı yalnızca odun yakarken değil, aynı zamanda diğer yanma veya oksidasyon işlemleri sırasında da açığa çıkar. Örneğin saman veya kömür yakarken ne kadar ısının açığa çıktığı iyi bilinmektedir. Vücudumuzda da yavaş bir oksidasyon süreci meydana gelir ve bu nedenle vücut içindeki sıcaklık, genellikle bizi çevreleyen ortamın sıcaklığından biraz daha yüksektir. Demirin paslanması da bir oksidasyon sürecidir. Burada da ısı açığa çıkıyor ancak bu süreç o kadar yavaş ilerliyor ki ısınmayı pratikte fark etmiyoruz.
Şu anda yakacak odun sanayide neredeyse hiç kullanılmamaktadır. Ormanlar insan hayatı için fabrikalarda, fabrikalarda ve enerji santrallerinde buhar kazanlarının fırınlarında odun yakılmasına izin vermeyecek kadar önemlidir. Ve eğer bu amaçla kullanmaya karar verirlerse, dünyadaki tüm orman kaynaklarının ömrü uzun sürmeyecektir. Ülkemizde tamamen farklı çalışmalar yapılıyor: Bölgenin iklim koşullarını iyileştirmek için büyük miktarda barınak ve orman ekimi yapılıyor.
Bununla birlikte, güneş ışınlarının enerjisi nedeniyle bitki dokularının oluşumu ve bitki dokularının kimyasal enerjisinin ısı üretmek için kullanılmasıyla ilgili yukarıda söylenen her şey, günümüzde sanayide yaygın olarak kullanılan yakıtlarla ve özellikle de doğrudan ilgilidir. , termik santrallerde. Bu tür yakıtlar öncelikle şunları içerir: turba, kahverengi kömür ve kömür. Tüm bu yakıtlar, çoğu durumda hava erişimi olmayan veya çok az hava erişimi olan ölü bitkilerin ayrışmasının ürünleridir. Bitkilerin ölmekte olan kısımları için bu tür koşullar, su çökeltileri tabakası altında suda yaratılır. Bu nedenle, bu yakıtların oluşumu çoğunlukla bataklıklarda, sık sık su basan alçak bölgelerde, sığ veya tamamen kuru nehirlerde ve göllerde meydana geldi.
Yukarıda listelenen üç yakıt arasında turba, kökeni en genç olanıdır. Çok sayıda bitki parçası içerir. Belirli bir yakıtın kalitesi büyük ölçüde kalorifik değeriyle karakterize edilir. Kalorifik değer veya kalorifik değer, 1 kilogram yakıt yandığında açığa çıkan, kalori cinsinden ölçülen ısı miktarıdır. Elimizde nem içermeyen kuru turba olsaydı, kalori değeri yakacak odunun kalori değerinden biraz daha yüksek olurdu: kuru turbanın kalori değeri 1 kilogram başına yaklaşık 5.500 kalori ve yakacak odun - yaklaşık 4.500 kaloridir. Madenlerden çıkarılan, genellikle oldukça fazla nem içerir ve bu nedenle kalorifik değeri daha düşüktür. Turbanın Rus enerji santrallerinde kullanımı, 1914 yılında, hidrolik yöntem adı verilen yeni bir turba çıkarma yönteminin kurucusu olan seçkin Rus mühendis R. E. Klasson'un adını taşıyan bir enerji santralinin inşa edilmesiyle başladı. Büyük Ekim Sosyalist Devrimi'nden sonra enerji santrallerinde turba kullanımı yaygınlaştı. Rus mühendisler, hava kanallarının üretimi gibi, Rusya'da yatakları çok önemli olan bu ucuz yakıtın çıkarılması ve yakılması için en akılcı yöntemleri geliştirdiler.
Bitki dokularının parçalanmasının turbadan daha eski bir ürünü kahverengi kömürdür. Ancak kahverengi kömür hala bitki hücreleri ve bitki parçaları içeriyor. Düşük miktarda yanıcı olmayan yabancı madde (kül) içeren kuru kahverengi kömürün kalori değeri 1 kilogram başına 6.000 kalorinin üzerindedir, yani. yakacak odun ve kuru turbadan bile daha yüksektir. Gerçekte kahverengi kömür, önemli nem içeriği ve çoğunlukla yüksek kül içeriği nedeniyle çok daha düşük kalorifik değere sahip bir yakıttır. Şu anda kahverengi kömür dünyada en yaygın kullanılan yakıtlardan biridir. Ülkemizdeki mevduatları oldukça büyüktür.
Petrol ve doğal gaz gibi değerli yakıtlar ise neredeyse hiç kullanılmamaktadır. Daha önce de söylediğimiz gibi ülkemizde akaryakıt rezervlerinin kullanımı tüm sektörlerin çıkarları dikkate alınarak planlı ve ekonomik olarak gerçekleştirilmektedir. Batılı ülkelerden farklı olarak, Rusya'daki enerji santralleri çoğunlukla başka amaçlar için pek kullanılmayan düşük dereceli yakıtlar yakıyor. Aynı zamanda enerji santralleri kural olarak yakıtın üretildiği bölgelerde kurulmakta ve bu da uzun mesafe taşımacılığı engellemektedir. Sovyet enerji mühendisleri, yakıt yakmak için düşük dereceli, ıslak yakıt kullanımına izin verecek bu tür cihazları (ateş kutuları) inşa etmek için çok çalışmak zorunda kaldı.