Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

проведения экспериментов  на человеке и животных;

выработки критериев диагностики  смерти;

трансплантологии;

современной генетики (генодиагностики, генной терапии и инженерии);

манипуляций со стволовыми клетками;

клонирования (терапевтического и репродуктивного);

оказания помощи умирающим  пациентам (хосписы и организации  паллиативной помощи);

самоубийства и эвтаназии (пассивной или активной, добровольной или насильственной).

 

59) Фуллере́ны, бакибо́лы или букибо́лы — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства | n | − | e | + | f | = 2 (где | n | , | e | и | f | соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными.[1]

Структурные свойства фуллеренов

 

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в  вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность  сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель  семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C60), в котором углеродные атомы  образуют усечённый икосаэдр, состоящий  из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так  как каждый атом углерода фуллерена  С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы  в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего  одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å[6]. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.

 

Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается  вытянутой и напоминает своей  формой мяч для игры в регби.

 

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно  меньших количествах и часто  имеют довольно сложный изомерный  состав. Среди наиболее изученных  высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Синтез фуллеренов

 

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении  твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий  важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.[7]. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

 

На первых порах все  попытки экспериментаторов найти  более дешёвые и производительные способы получения граммовых  количеств фуллеренов (сжигание углеводородов  в пламени[8], химический синтез[9] и  др.) к успеху не привели и метод  «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час)[10]. Впоследствии, фирме Mitsubishi удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

 

Механизм образования  фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12С. После экстракции фуллеренов было показано методом ЯМР, что атомы 12С и 13С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

 

Сравнительно быстрое  увеличение общего количества установок  для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки  привели к существенному снижению стоимости С60 за последние 17 лет  — с 10000$ до 10-15$ за грамм[11], что подвело  к рубежу их реального промышленного  использования.

 

К сожалению, несмотря на оптимизацию  метода Хаффмана — Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Если учесть относительно высокую стоимость начального продукта — графита, становится ясно, что этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси, которой, как уже говорилось выше, удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5$/грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.

 

Необходимо отметить, что  высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным  эффективно растворять фуллерены), затем  смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор  выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С60 и С70 и кристаллы С60/С70, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250 oС в условиях динамического вакуума

Другие области применения фуллеренов

 

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и  электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %. Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств. Так, в 2007 году стало известно об использовании водорастворимых фуллеренов в качестве противоаллергических средств. Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

Химические свойства фуллеренов

 

Фуллерены, несмотря на отсутствие атомов водорода, которые могут быть замещены как в случае обычных  ароматических соединений, всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как реакция Дильса-Альдера, реакция Прато, реакция Бингеля. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С60Н2 до С60Н50.

57)

Химическая эволюции или  пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.

 

Также этими терминами  обозначается теория возникновения  и развития тех молекул, которые  имеют принципиальное значение для  возникновения и развития живого вещества.

 

Всё, что известно о химизме  вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так  называемого «водно-углеродного  шовинизма», постулирующего, что жизнь  в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования  белковых тел»[1], осуществимого благодаря  уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остается открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.

 

Также неизвестно, когда  и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании  второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации  продуктов взрывов первичных  сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное  пространство тяжелые элементы (с  атомной массой более 26). Второе поколение  звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые  необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

Методология исследования химической эволюции (теория)

 

Исследование химической эволюции осложняется тем, что в  настоящее время знания о геохимических  условиях древней Земли не являются достаточно полными.

 

Поэтому, кроме геологических, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.

 

Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных  экспериментов, в ходе которых удалось  получить сложные органические молекулы при имитации различных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы  и климатических условий.

 

На основе имеющихся  данных был выдвинут ряд гипотез  о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.

56) ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ.

 ТИПЫ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.

Образование химических соединений обусловлено возникновением химической связи между атомами в молекулах  и кристаллах.

Химическая связь - это  взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решётке в  результате действия между атомами  электрических сил притяжения.

Появление атомной модели Бора, впервые объяснившей строение электронной оболочки, способствовало созданию представления о химической связи и её электронной природе. В соответствии с моделью Бора электроны могут занимать в атоме  положения, которым отвечают определенные энергетические состояния, т. е. энергетические уровни. В 1915г. немецкий физик Коссель дал объяснение химической связи в солях, а в 1916 году американский учёный Льюис предложил трактовку химической связи в молекулах. Они исходили из представлений о том, что атомы элементов обладают тенденцией к достижению электронной конфигурации благородных газов (полного заполнения внешнего электронного слоя). Представления Косселя и Льюиса получили названия электронной теории валентности.

 Валентность элементов  главных подгрупп Периодической  системы зависит от числа электронов, находящихся на внешнем электронном  слое. Поэтому эти внешние электроны  принято называть валентными. Для  элементов побочных подгрупп  в качестве валентных электронов  могут выступать как электроны  внешнего слоя, так и электроны  внутренних подуровней.

 Различают три основных  типа химической связи: ковалентную,  ионную, металлическую.

Ковалентная связь –  наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного  механизма, когда каждый из взаимодействующих  атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в  общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору)