«Осуществление межпредметных связей в системе профильного обучения» (стр. 34 )

При образовании ионного кристалла каждая из образующих его частиц занимает такое положение, в котором ее энергия взаимодействия с окружающими

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

ее частицами минимальна. Если бы это было не так, т. е. если бы частицы обладали энергией, за счет которой при данных условиях могла бы выполняться какая - либо работа, то она и выполнялась бы по перемещению частиц до тех пор, пока они не заняли бы такое положение, в котором их по­тенциальная энергия была бы минимальна (вспомните, что горо­шины в конце концов «успокаивались» на дне лунок). При образо­вании атомных кристаллов также выделяется энер­гия - частицы, составляющие их, занимают такое положение в узлах кристаллической решетки, при котором их энергия взаимодействия с окружающими частицами минимальна. Связи между атомами в кристаллической решетке поддерживаются при помощи спаренных электронов.

Металлические кристаллы образуются при сближе­нии атомов, которые во внешнем электронном слое имеют столько электронов, что их число меньше половины того количества, кото­рое необходимо для образования замкнутой оболочки. В кристалле металла валентные электроны принадлежат всему кристаллу, образованному положительными ионами и свободными электронами, «цементирующими» ионы. Эти электроны могут свободно перехо­дить от одного атома к другому, двигаясь по всему кристаллу. У металлов кристаллическая решетка очень прочная. Чтобы ее разрушить, нужно затратить большую энергию. Но эта энергия всегда равна той энергии, которая выделилась при образовании кристалла из атомов металла: закон сохранения и превращения энергии действует неукоснительно.

Межмолекулярные взаимодействия также имеют электромаг­нитную природу. При взаимодейст­вии и полярных, и неполярных молекул проявляются силы электри­ческой природы. Действие этих сил приводит к такому располо­жению молекул, при котором их состояние наиболее устойчиво в соответствии с данными условиями, а энергия взаимодействия с окружающими молекулами минимальна.

Таким образом, при образовании кристалла из частиц любого типа выделяется энергия, так как в кристалле частицы располагаются в таких положениях, при которых их потенциальная энер­гия минимальна. Кристаллизация - это экзотермический процесс. Как и при экзотермических реакциях, частицы здесь группиру­ются таким образом, что энергия взаимодействия частиц или групп частиц друг с другом уменьшается, уменьшается и внутрен­няя энергия реагирующих веществ в целом - процессы идут с выделением энергии. И всегда, на сколько уменьшается внут­ренняя энергия кристаллизирующегося вещества или реагирую­щих веществ, на столько же увеличивается и энергия окру­жающих их тел.

К экзотермическим реакциям в основном относятся реакции соединения и замещения, к эндотермическим - реакции разло­жения. При этих реакциях перестройка химических связей проис­ходит таким образом, что энергия взаимодействия частиц увели­чивается за счет поглощения энергии. При образовании более сложных соединений из простых энергия выделяется.

Об органических соединениях. Образование, например, фибри­на, который закупоривает кровеносные сосуды при царапинах или других повреждениях, из

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

молекул фибриногена сопровождается выделением энергии, потому что в этом процессе происходят те же химические взаимодействия, которые были рассмотрены ранее. В начале этого процесса из молекул фибриногена образуется фибрин-мономер; затем он превращается в фибрин-агрегат; при его образовании проявляются электростатические взаимодействия, приводящие к образованию различных связей (ионных, гидрофоб­ных и др.); при этом энергия взаимодействующих частиц уменьшается. На последней стадии под действием ферментов между молекулами фибрин-агрегата образуются прочные ковалентные связи, вследствие чего он превращается в фибрин-полимер.

Образование ковалентных связей также сопровождается уменьшением энергии взаимодействия... Но как же с этим согласо­вать утверждение, что из оксида углерода (IV) и воды при поглощении солнечной энергии образуются молекулы соединения, гораздо более сложные, чем молекулы оксида углерода (IV) и во­ды? Разберемся в этом вопросе подробнее.

Превращение энергии в биосфере. В предлагаемых иллюстрациях превращения вещества и энергии в биосфере представляют как круговорот вещества в биосфере, движущей силой которого является энергия Солнца, схему сравнивают с колесом водя­ной мельницы, которое крутится под напором воды. Как же распре­деляется энергия Солнца, попадающая на Землю? Около 30% этой энергии отражается облаками и поверхностью Земли в космичес­кое пространство и рассеивается в атмосфере; около 20% погло­щается облаками в верхних слоях атмосферы; около 50% до­стигает поверхности Земли. За счет этой энергии происходит нагревание поверхности Земли, возникают ветры и текут реки, идет дождь и разрушаются горы; только десятые доли процен­та солнечной энергии, достигающей Земли, улавливаются зеле­ными растениями. Благодаря этой энергии и совершается круго­ворот веществ в биосфере. Любопытно обратить внимание, как расположены листья на деревьях в верхних ярусах леса и на травянистых растениях под пологом леса, а также на вет­вях нижнего яруса?

На растениях, которые растут под сенью деревьев, и на ниж­них ветвях листья расположены в большинстве случаев гори­зонтально. Наверное, это для того, чтобы полнее использовать энергию излучения, которое попадает на них. Листья на ветвях деревьев в верхних ярусах леса расположены совершенно произ­вольно. Когда же солнце сильно припекает, они располагаются почти вертикально, чтобы их освещенность была как можно мень­ше. Листья от перегрева спасает также усиленное испарение. Энергия солнечного излучения превращается в листьях во внутрен­нюю энергию органических веществ, которые служат пищей как для самих растений, так и для всех живущих на Земле животных организмов.

Энергетические процессы в клетке. Энергия квантов солнечно­го излучения, использованная зелеными растениями в процессе фо­тосинтеза, днем превращается в химическую энергию универсаль­ного энергетического вещества АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. Эта энергия в свою очередь во время темновой фазы фотосинтеза используется для синтеза органических соединений, из которых строится тело растения. В организме жи­вотного, которое питается

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

растениями, органические соединения окисляются. Выделяющаяся при этом процессе энергия частично превращается в энергию молекул АТФ (55%), частично во вну­треннюю энергию. В процессе жизнедеятельности клетки моле­кулы АТФ расщепляются. За счет выделяющейся при этом энергии и происходят все процессы в клетке: передача нервных им­пульсов, биосинтез веществ, мышечное сокращение, перенос ве­ществ через мембраны и др. Молекулы АТФ обычно расщепляют­ся до молекул АДФ - аденозиндифосфорной кислоты, - которые не выводятся из организма, а поступают на митохондрии (в клет­ках животных организмов) или хлоропласты (в клетках растительных организмов) и снова служат для синтеза молекул АТФ. Образование молекул АТФ в хлоропластах можно представить в виде такой схемы:

АДФ + H3PO4

Процесс этот сложный и многоступенчатый, и его нельзя по­нимать так, что энергия кванта поглощенного света пошла на то, чтобы присоединить к молекуле АДФ молекулу фосфорной кисло­ты, аналогично тому, как в уравнении образования озона:

                               3О2 + Е = 2О3

нельзя считать, что энергия поглощенного кванта пошла на то, чтобы три молекулы кислорода объединить в две молекулы озона. Энергия кванта поглощается молекулой кислорода, которая при этом распадается на атомы кислорода, причем присоединение атомов кислорода к молекуле О2 сопровождается выделением энергии (образование более сложных соединений из простых - экзотермический процесс). Схематическое уравнение синтеза глюкозы из углекислого газа (оксид углерода (IV) СО2) и воды также нельзя понимать буквально: энергия поглощенного в про­цессе фотосинтеза кванта света проходит множество промежуточ­ных звеньев, прежде чем из «бедных» энергией молекул образуется органическое соединение.

Напомним, как распределяется энергия, выделившаяся при окислении глюкозы, в клетках животных. 55% этой энергии аккумулируется в молекулах АТФ, остальные же 45% рассеива­ются в окружающем пространстве. Почему природа пошла по такому нерентабельному пути? Почему клетка «не работает» по принципу тепловой машины? Энергия, выделившаяся при окислении глюкозы, сразу бы превращалась в другие виды энер­гии, минуя АТФ.

Клетка не может «работать» как тепловая машина, так как для этого она должна иметь слишком высокую температуру.

Известно, что КПД тепловой машины равен:

    ,

Где Т1 - абсолютная температура нагревателя, Т2 - абсолютная тем­пература холодильника. Применительно к клетке Т1-температура тела организма, а Т2 - температура окружающей его среды. Если считать, что КПД клетки должен быть равен хотя бы 0,3, а темпе­ратуру окружающей среды принять равной 293К, то для темпера­туры клетки, т. е. организма получается 438,5К или 165,5°С. При такой температуре белок и другие органические соединения не смогли бы

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

функционировать. А какая потеря энергии была бы вследствие теплообмена организма с окружающей средой! Да и ре­гулировать запас энергии в клетке было бы значительно сложнее...