«Осуществление межпредметных связей в системе профильного обучения» (стр. 32 )

Закон сохранения массы вещества был доказан ­совым экспериментально на основе опытов по обжигу металлов в запаянных сосудах.

Всестороннее экспериментальное обоснование этому за­кону дал Антуан Лоран Лавуазье, сын парижского адвоката. Первоначальное образование Лавуазье получил в колледже Мазарини, где изучал математику и астрономию, прошел курс физики. По окончании колледжа Лавуазье поступил на юриди­ческий факультет Парижского университета, одновременно с юриспруденцией изучал физику и химию. Всестороннее обра­зование позволило Лавуазье сделать открытия, которые про­славили Францию.

В 1772 г. Лавуазье, выполнив серию опытов, пришел к правиль­ному выводу о процессах горения, к открытию сложного состава воздуха, закона сохранения массы вещества. В своих исследованиях Лавуазье опирался на экспериментальные данные, полученные Блэком, Пристли, Шееле и другими исследователями.

Врач Джозеф Блэк открыл углекислый газ (оксид углерода (IV) С02), установил существование удельной теплоты плавления и парообразования, ввел понятие теплоемкости. В своей доктор­ской диссертации он решил опровергнуть мнение относительно пользы лекарства для изгнания камней из мочевого пузыря. «Лекарство» представляло собой смесь толченых прокаленных улиток, яичной

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

скорлупы, целебных трав и меда. Исследуя каждое из входящих в снадобье веществ, Блэк обнаружил, что при прока­ливании известняка выделяется какой-то газ. Тот же газ образует­ся при действии кислоты на это вещество. Выделившийся газ Блэк снова пропустил через известковую воду и «связал» его. Так в химии появилось новое вещество - «связанный воздух».

Через пятнадцать лет после открытия Блэка «связанным воз­духом» заинтересовался Пристли. Любознательный пастор обра­тил внимание на газ, выделявшийся в изобилии из огромных чанов, в которых бродило сусло (он жил по соседству с пивовар­ней), и занялся его исследованием. Пристли доказал, что «связан­ный воздух» становится вновь пригодным для дыхания благодаря зеленым растениям. Но ни Блэк, ни Пристли не смогли определить количественный состав «связанного воздуха», это удалось сделать Лавуазье.

Лавуазье поместил алмаз в изолированный сосуд и сжег его с помощью солнечных лучей. Для этого он изготовил линзу рекорд­ных по тем временам размеров - диаметром 75 см. Тщательно исследовав образовавшийся газ, Лавуазье пришел к выводу, что он состоит из 23,5-28,9 части углерода и 71,1-76,5 части кисло­рода. Из этих цифр была выведена привычная теперь для нас формула оксида углерода (IV) СО2. Лавуазье произвел анализ воды и ее синтез, доказал сложный состав воздуха. Выполнив множество опытов, связанных с окислением веществ, Лавуазье установил, что масса подвергшихся окислению тел увеличивается за счет кислорода воздуха на столько, на сколько уменьшается масса последнего, а масса реагирующих веществ остается постоян­ной. Так был открыт закон сохранения массы вещества.

Лавуазье считал установленный им закон опытным обоснова­нием принципа сохранения материи, который им был сформулиро­ван так: «Ничто не создается ни при искусственных, ни при естественных операциях, и можно принять за правило принцип, что в каждом процессе в начальный и конечный момент времени находится неизменное количество материи».

Так закон сохранения массы вещества стал основой для утвер­ждения одной из древнейших и важнейших научных идей - идеи сохранения.

Именно представления о сохранении массы вещества, которые бытовали в науке еще до открытия закона сохранения массы вещества, помогли опровергнуть господствовавшее на протяжении многих веков в науке мнение, что земля - единственная пища растений. Сделал это голландский естествоиспытатель Гельмонт. Его знаменитый опыт длился 5 лет. В горшок насыпали тщатель­но просушенную и взвешенную землю. В нее посадили тщательно взвешенную ветку ивы. Горшок был накрыт крышкой, чтобы в него не попадали пыль и сор; иву поливали дождевой водой. Через 5 лет растение увеличило свою массу на 65,675кг, а масса земли в гор­шке уменьшилась только на 60г. Таким образом, земля никак не могла являться единственной пищей растений. Этот опыт дал тол­чок к проведению множества других опытов, благодаря которым была раскрыта сущность фотосинтеза.

Фотосинтез... Деревья, цветы, травы, птицы, муравьи и мы с вами - все это существует, благодаря фотосинтезу. Также бла­годаря ему происходит накопление

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

живого вещества в биосфере. Сейчас ее биомасса составляет примерно 10000 млрд. т. Сравнив эту массу с массой Земли (около 6 • 1021 т), мы увидим, что она много меньше массы Земли. Но, как сказал , «на земной поверхности нет химической силы, более постоянно дей­ствующей, а потому более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Расчеты показывают, что примерно через миллиард лет вслед­ствие жизнедеятельности живых организмов биомасса должна была бы превысить массу Земли. Жизнь существует на Земле примерно около 3 млрд. лет. Почему же этого не произошло? В биосфере происходит круговорот веществ: атомы каждого из элементов, из которых построены организмы, воспринимаются из веществ, образовавшихся вследствие разложения тел организмов, окончивших свою жизнь. Но нельзя сказать, что масса всех ве­ществ, участвующих в жизнедеятельности организмов, остается постоянной. И не потому, что в биологических процессах не дей­ствует закон сохранения массы вещества, а потому, что био­сфера - открытая система.

Степень воспроизводства циклов в биогеохимическом кругово­роте веществ в биосфере достигает 90 - 98%. Часть атомов уходит в космическое пространство. Часть накапливается в земной коре. То, что мы считаем биогенными полезными ископаемыми (залежи железа, мела, угля, нефти и др.), не что иное, как бесполезные с точки зрения жизнедеятельности продукты, прошедшие цикл под­земных превращений. «Открытость» биогеохимического кругово­рота обусловлена также и тем, что в него поступает оксид угле­рода (IV) из недр Земли. Этот круговорот открыт еще и потому, что он совершается с использованием солнечной энергии. Каждый год в процессе фотосинтеза растения поглощают около 1,6 • 1021 Дж энергии. А ведь энергия приходит не сама по себе, ее приносят фотоны, которые обладают массой. Воспользовавшись формулой взаимосвязи массы и энергии Е=тс2 (где Е -  энергия, т -  соот­ветствующая ей масса, с -  скорость света), можно вычислить, на сколько увеличится масса биосферы за счет поглощенной расте­ниями энергии.

Круговорот веществ в биосфере происходит не только вслед­ствие жизнедеятельности организмов. Например, вода по своему процентному содержанию в теле живого организма занимает пер­вое место. Ее молекулы служат источником кислорода, выделяе­мого зелеными растениями в процессе фотосинтеза. При дыхании происходит образование новых молекул воды. За время сущест­вования биосферы вся свободная вода в географической оболочке прошла несколько циклов разложения растительными организма­ми и регенерации в дыхательных системах всех живых организмов биосферы. Конечно, эти процессы происходили в соответствии с законом сохранения массы вещества. Однако в круговороте воды в биосфере основную роль играет не живое вещество, а солнечное излучение. Благодаря ему, вода испаряется с поверхности водных бассейнов и суши, атмосферная влага конденсируется, образуются облака, которые ветром перемещаются в атмосфере. При охлаждении облаков выпадают осадки, причем над сушей их выпадает больше, чем над Мировым океаном.

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

Баланс влаги между сушей и водными бассейнами поддерживается реками. Таким обра­зом, масса воды в географической оболочке, несмотря на агрегатные переходы, остается постоянной.

Но вернемся к закону сохранения массы вещества. Рассмот­рим с этой точки зрения один из важнейших процессов, который происходит в каждом живом организме, в том числе и в нашем, - обмен веществ. Он представляет собой

единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции - совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищевари­тельный тракт до образования конечных продуктов распада, вы­деляемых из организма.

Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте, где белки, жиры, углеводы расщепляются на более простые химические соединения, способные всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным мате­риалом в процессах ассимиляции. Поступив в кровь и лимфу, эти вещества приносятся в клетки, где с ними в результате процессов ассимиляции и диссимиляции происходят различные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток, а энергия, выделившаяся при распаде веществ в клетках, используется для процессов жизнедеятельности организма. Те продукты обмена, которые не используются организмом, выводят­ся из него. Все химические и биохимические процессы происходят в согласии с законом сохранения массы вещества - ни один атом не исчезает при этом и не появляется из ничего.

Покажем, какое значение имеет этот закон, на примере обмена белков. Синтез белковых веществ в организме идет непрерывно, так как непрерывно идет их разрушение. Организм, в особенности молодой и растущий, обязательно в составе пищи должен полу­чать белки. Уровень белкового обмена можно определить по балансу азота. «Баланс» же веществ составляется на основе закона сохранения массы вещества. Объясним термин «азотистый ба­ланс»: азотистым балансом называется отношение массы азота, поступившего в организм с пищей, к массе азота, выведенного из него. Если массы одинаковы, то в организме наблюдается азоти­стое равновесие. Если белка распадается меньше, чем его посту­пает в организм, то создается положительный азотистый баланс, который характерен для растущего организма. Отрицательный же баланс наблюдается при заболеваниях, старении, а также при отсутствии в организме некоторых необходимых аминокислот.