Архив рубрики: Естествознание 11 класс

Естествознание 11 класс, часть 9

Опишите опыты Г. Герца, которыми он доказал существование электро¬магнитных волн.
2. Назовите фамилии русского и итальянского учёных — изобретателей радио.
3. Расскажите о первой отечественной телебашне и её создателе.
4. Перечислите операторов сотовой связи в России.
5. Один из самых известных чешских писателей ХХ в. придумал слово «робот», назовите его имя, а также перечислите известные вам кино¬фильмы, рассказывающие о роботах, искусственном интеллекте, ки¬боргах, андроидах и т. п.
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ И ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. Наше жилище бук¬вально напичкано разного рода электронными устройствами и элек¬трическими приборами. Рассмотрим принципы работы нагреватель¬ных приборов. В этих приборах и устройствах используется свойство металлических проводников нагреваться при прохождении по ним электрического тока. Основу электронагревательных приборов, таких как утюг, чайник, кофеварка, электрический обогреватель и т. п., со¬ставляет нагревательный элемент, температура которого возрастает при прохождении по нему электрического тока.
Нагревание металлического проводника происходит из-за столкно¬вения электронов, движущихся направленно, с ионами кристалличе¬ской решётки. При этом кинетическая энергия электронов превраща¬ется во внутреннюю энергию металла, что приводит к повышению температуры. Энергия нагревательного элемента в процессе теплооб¬мена передаётся воде в чайнике, ткани, которую гладят утюгом, окру¬жающему воздуху.
При прохождении электрического тока по проводнику его темпера¬тура может повыситься настолько, что проводник будет светиться. Это явление используется в осветительных приборах, в частности в лам¬пах накаливания. Однако лампа накаливания — низкоэффективный источник света. Максимум её энергии излучения приходится на ин¬фракрасный диапазон длин волн, на видимый свет приходится лишь малая доля излучаемого света. Обычная лампа накаливания только 10% получаемой энергии излучает в виде полезного света, осталь¬ные 90% тратятся на нагревание спирали, баллона, окружающего воз¬духа.

Увеличить эффективность ламп накаливания можно, повысив тем¬пературу нити. Для этого колбу заполняют газом под высоким давле¬нием и получают галогенную лампу. Такие лампы используются в проекторах, автомобильных фарах и т. п. Галогенная лампа излучает в видимом диапазоне до 15% затраченной энергии.
В настоящее время лампы накаливания и галогенные уступают ме¬сто другим, более экономичным лампам — люминесцентным и свето¬диодным. В быту используются преимущественно люминесцентные лампы.
Люминесцентная лампа — это газоразрядный источник света. Она заполнена инертным газом и парами ртути. В противоположные кон¬цы лампы вставлены электроды. При прохождении по лампе электри¬ческого тока пары ртути излучают ультрафиолетовый свет. Её внут¬ренняя поверхность покрыта слоем люминофора. Люминофор погло¬щает ультрафиолетовый свет и излучает видимый свет. Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания такой же мощности, а срок службы может превышать срок службы ламп накаливания в 20 раз.
Ещё более экономичной является светодиодная лампа. Светящимся элементом в этой лампе служит полупроводниковый диод. Можно представить, что атомы полупроводника содержат электроны прово¬димости и валентные электроны. Если в валентной зоне не хватает электронов, то свободное место может занять электрон проводимости. Если на диод подать напряжение (от 2 до 4 В) нужной полярности, то количество электронов, переходящих в валентную зону, увеличится. Электроны проводимости, переходя в валентную зону, теряют энер¬гию; эта энергия может излучаться в виде света — это и есть принцип действия светодиодов. Можно сказать, что светодиод реализует наибо¬лее прямой способ преобразования электрической энергии в свет. Цвет излучения зависит от энергии фотонов: при увеличении энергии осу¬ществляется переход от красного цвета к фиолетовому.
Таким образом, КПД светодиода может быть достаточно близким к 100%. При этом светодиод излучает практически чистый спектраль¬ный цвет, что даёт возможность подобрать определённый цвет, выби¬рая в качестве основы соответствующий полупроводниковый мате¬риал.
МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕЧЬ (СВЧ-ПЕЧЬ). В настоящее время СВЧ-печь ста¬новится незаменимым бытовым прибором. Это связано с тем, что с её помощью можно быстро разморозить продукты, за несколько минут приготовить и разогреть пищу. Микроволновая печь была изобретена сравнительно недавно: в 1942 г. американский инженер П. Спенсер (1894—1970) заметил, что сверхвысокочастотное излучение способно нагревать продукты. 25 октября 1955 г. американская «Тэппан компа-

ни» впервые представила бытовую микроволновую печь, а первая се¬рийная бытовая микроволновая печь была выпущена японской фир¬мой «Шарп» в 1962 г.
Рассмотрим, как работает микроволновая печь. Микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение — это электромагнитные волны длиной от 1 мм до 1 м. Такой диапазон длин электромагнитных волн используется не только в микроволновых печах, но и в радиоло¬кации, радионавигации, системах спутникового телевидения, сотовой связи.
В бытовых микроволновых печах используются волны, частота ко¬лебаний (v) которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглаше¬ниями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, ис¬пользующих микроволны. Длину волны (X) можно рассчитать, разде¬лив скорость электромагнитных волн (с), равную 300 000 км/с, на ча¬стоту колебаний:
Процесс нагревания в микроволновой печи происходит следующим образом. В состав продуктов питания входят многие вещества: ми¬неральные соли, жиры, сахар, вода. Они содержат полярные молеку¬лы — диполи, о которых вы уже имеете представление. Это в первую очередь дипольные молекулы воды.
Когда электромагнитное поле отсутствует, диполи расположены ха¬отически. При наличии поля они выстраиваются в определенном по¬рядке, магнитное поле на покоящиеся заряды не действует, а их ори¬ентацию вызывает электрическое поле. При изменении направления электрического поля молекулы поворачиваются на 180°. Поскольку направление электрического поля изменяется с частотой 2450 МГц, т. е. 2 450 000 000 колебаний в секунду, то полярность диполей меня¬ется за одну секунду 4 900 000 000 раз. Таким образом, под действием микроволнового излучения молекулы поворачиваются с огромной скоростью. Так как температура прямо пропорциональна средней ки¬нетической энергии движения атомов или молекул вещества, то такое быстрое колебание молекул увеличивает температуру вещества. Выде¬ляющаяся при этом энергия и является причиной разогрева пищи.
Микроволны не проникают в продукты и пищу глубже 1—3 см, по¬этому полное их нагревание происходит как за счет прогревания сверхвысокочастотным излучением верхних слоев, так и за счет про¬никновения энергии вглубь благодаря теплопроводности.
Необходимо знать, что микроволновая печь безопасна при эксплуа¬тации, никакого вредного воздействия на человеческий организм при соблюдении правил эксплуатации она не оказывает. Сам механизм приготовления пищи с помощью микроволн обусловливает сохране-
c
X = c = 12,25 см.
v

ние молекулярной структуры, а значит, и вкусовых качеств продук¬тов. Приготовление пищи в микроволновой печи позволяет обходить¬ся без применения жиров, которые, будучи нагреты до высокой темпе¬ратуры в процессе жарки, вредны для здоровья.
Существует несколько правил, которые следует выполнять при пользовании микроволновой печью. В частности, нельзя помещать в микроволновую печь металлические предметы (это может привести к повышению их температуры и оплавлению, на заострённых метал¬лических предметах может появиться электрический разряд), а также плотно закрытые ёмкости (бутылки, консервные банки, контейнеры с продуктами и т. п.) и яйца (не важно, сырые или варёные). Всё это при нагреве может разорваться и привести печь в негодность. Продук¬ты питания, имеющие кожицу или оболочку (например, помидоры, сосиски и т. п.), тоже могут «взорваться» в микроволновой печи. По¬этому, перед тем как помещать их в печь, следует проколоть оболочку или кожицу. В этом случае образующийся внутри пар сможет выйти наружу. Нельзя включать пустую печь, без единого предмета, который поглощал бы микроволны. В качестве минимальной загрузки печи при любом её включении принят стакан воды (200 мл).
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ ЭКРАНЫ И ДИСПЛЕИ. В на¬
стоящее время телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми труб¬ками уходят в прошлое, им на смену приходят жидкокристалличе¬ские (ЖК) и плазменные экраны и мониторы. Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения информации в компьютер¬ных мониторах, ноутбуках, телевизорах, телефонах, цифровых фото¬аппаратах, электронных книгах, навигаторах, калькуляторах, часах, а также во многих других электронных устройствах.
ЖК-экраны сделаны из жидкокристаллического вещества циано- фенила. Особенностью жидких кристаллов является то, что упорядо¬ченное расположение молекул сохраняется на больших расстояниях вдоль определённого направления. Поэтому они обладают анизотропи¬ей свойств, т. е. их свойства (в частности, оптические) в разных на-правлениях различны. Одним из таких свойств является прозрачность кристалла по отношению к световой волне. Это значит, что при одном расположении кристалла свет через него проходит, а при другом, пер¬пендикулярном к первому, не проходит. ЖК-экран представляет собой множество маленьких сегментов, называемых пикселями, ори¬ентация которых может изменяться. В ходе исследований была об¬наружена связь между повышением электрического напряжения и из¬менением ориентации молекул кристаллов, в результате чего регули¬руется способность кристалла пропускать свет. Это и обеспечивает создание изображения.

К преимуществам ЖК-мониторов и ЖК-телевизоров относятся их малые размеры и масса по сравнению с мониторами на основе электронно-лучевой трубки. У ЖК-мониторов нет видимого мерца¬ния, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, про-блем с чёткостью изображения. Энергопотребление ЖК-монито¬ров может быть существенно ниже по сравнению с мониторами с электронно-лучевой трубкой.
Плазменный экран (плазменная панель), в отличие от жидкокри¬сталлического, содержит не жидкие кристаллы, а ячейки, наполнен¬ные газом (ксеноном, аргоном или неоном). Эти ячейки расположены между стеклянными пластинами, к которым присоединены электро¬ды. Когда на электроды подаётся переменное напряжение, газ в ячей¬ке отдаёт большую часть своих валентных электронов и становится ионизованным, т. е. переходит в состояние плазмы. Поскольку напря¬жение переменное, то ионы и электроны попеременно собираются у разных электродов. При определённом значении напряжения в плаз¬ме происходит электрический разряд, в результате которого возникает ультрафиолетовое излучение. Это излучение воздействует на люми¬нофор (вещество, способное преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение; им покрыты стенки ячеек) и заставляет его излу¬чать свет в видимом диапазоне.
Достоинством плазменной панели является то, что отсутствует мер¬цание изображения, картинка имеет высокую яркость и контрастность. Плазменная панель отображает около 16 млн цветовых оттенков, что является достаточно хорошим показателем.
ЭЛЕКТРОННЫЙ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТРЫ. ДОМАШ¬НИЕ РОБОТЫ. В настоящее время на смену жидкостному медицин¬скому термометру приходит электронный термометр. Принцип его работы такой же, как и нагревательных приборов, — зависимость со¬противления от температуры. Каждому значению температуры соот-ветствует определённое значение сопротивления. Значения сопротив¬ления обрабатываются и выводятся на дисплей в виде цифр, показы¬вающих температуру.
Для измерения температуры используют также жидкокристалли¬ческие термометры. В основе измерения температуры лежит свойство жидких кристаллов менять свой цвет при изменении температуры. Из смесей жидкокристаллических веществ изготавливают температур¬ные индикаторы в интервале температур от -20 до +250 °С. Индика¬тор представляет собой тонкую гибкую плёнку из жидкого кристалла. При наложении плёнки на поверхность предмета можно определить его температуру и её изменение со временем.
В последние годы широкое применение в домашнем хозяйстве на¬ходят робототехнические машины, или роботы.

Робот — это машина, предназначенная для воспроизведения
физических и интеллектуальных функций человека и способная
адаптироваться к реальным условиям окружающей среды.
Поэтому естественным является желание возложить на них такие
домашние работы, как стирка, уборка, глаженье, мытье окон и пр.
Среди домашних роботов вам знакомы автоматические стиральные
машины с набором программ, посудомоечные машины, автоматиче-
ские плиты с таймерами для приготовления пищи, хлебопечки и т. д.
Любой робот имеет исполнительное устройство и устройство про-
граммного управления. Устройство программного управления пред-
ставляет собой электрические цепи, элементами которых являются
полупроводниковые приборы. Оно позволяет полностью автоматизи-
ровать процесс стирки белья (стирку, полоскание, отжим, а в некото-
рых моделях и сушку) и осуществить его по заданной программе. Так
же программируется работа посудомоечных машин, хлебопечек и дру-
гих подобных устройств.
Настоящий робот-пылесос разработан фирмой «Электролюкс».
Этот робот, диаметр корпуса которого равен 40 см, выполняет одну
операцию, но при этом он сначала изучает периметр комнаты, запоми-
нает все объекты, которые могут встретиться на пути, а затем собирает
пыль. Сначала он обходит комнату по периметру, а затем по разным
направлениям, обходя мебель и другие предметы. Форма и малые раз-
меры позволяют пылесосу забираться в труднодоступные места.
РАДИОПЕРЕДАТЧИКИ И РАДИОПРИЁМНИКИ. Давайте выясним снача-
ла, как работает простейший радиоприемник. После того как были
впервые осуществлены излучение и прием электромагнитных волн,
встала задача использования их для переда-
чи информации. Первое такого рода устрой-
ство было сконструировано А. С. Поповым
(1859—1906) в 1895 г. Особое внимание при
этом Попов обратил на устройство приемника
волн. К тому времени уже было известно, что
при электрическом разряде мельчайшие ме-
таллические опилки сцепляются и их сопро-
тивление уменьшается. На этом основано дей-
ствие прибора для регистрации электромаг-
нитных волн — когерера.
Когерер представляет собой стеклянную
трубку с двумя электродами. В трубке нахо-
Александр Стегшнович дятся металлические опилки. Когда электро-
Попов магнитная волна достигает когерера, соеди¬

нённого с источником тока и гальваномет-
ром, то сопротивление опилок резко падает
и стрелка гальванометра отклоняется. Сопро-
тивление опилок восстанавливается после их
встряхивания.
Попов, включив в приёмник электромаг-
нитных волн (рис. 150) когерер (1), сделал его
встряхивание автоматическим. Он соединил
когерер с источником тока (2) и телеграфным
реле (3). При замыкании когерера реле сраба-
тывало, замыкалась цепь электроёмкого звон-
ка (4), молоточек (5) звонка, притягиваясь к
электромагниту (6), ударял когерер и встря-
хивал его. Чувствительность этого прибора
сильно увеличилась после того, как Попов
подключил к приёмнику антенну в виде провода.
Первые экспериментальные испытания прибора Попов провёл в Кронштадтской гавани, установив связь между кораблями «Россия» и «Африка», находившимися на расстоянии 640 м друг от друга. По¬следующие разработки Попова были направлены на увеличение даль¬ности радиосвязи.
Дальнейшие разработки в области радиопередачи и радиоприёма были направлены на создание устройств, позволявших передавать го¬лосовые сообщения. Проблема заключается в том, что звуковые вол¬ны, имеющие низкую частоту, не могут передаваться на большие рас¬стояния, поскольку сильно поглощаются атмосферой. Для передачи звукового сигнала используют электромагнитные волны (высокочас¬тотный сигнал), амплитуду которых изменяют в соответствии со зву¬ковой частотой. Этот процесс называется амплитудной модуляцией.
Рассмотрим схему простейшего канала связи (рис. 151). Передат¬чик состоит из генератора колебаний высокой частоты, микрофона
Рис. 150. Схема устрой-ства приёмника Попова
антенна антенна
Рис. 151. Блок-схема простейшего канала связи

(источника колебания низкой частоты), модулятора, осуществляюще¬го модуляцию колебаний, излучающей антенны. В приёмнике из мо¬дулированных колебаний высокой частоты выделяют низкочастотные колебания. Такой процесс называют детектированием. Приёмник состоит из антенны, принимающей модулированный сигнал, и колеба¬тельного контура, который настраивается в резонанс с излучённым сигналом. Кроме того, приёмник включает усилитель высокой часто¬ты, детектор — устройство, пропускающее модулированный сигнал в одном направлении, и параллельно соединённые громкоговоритель и конденсатор, разделяющие высокочастотный и низкочастотный сиг¬налы.
Современные радиоприёмники имеют более сложное устройство: по¬лупроводниковые многокаскадные усилители высокой и низкой частот, способные принимать сигналы в широких частотных диапазонах.
ТЕЛЕВИДЕНИЕ И СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ. С помощью радиоволн наряду со звуковым сигналом можно передавать изображения предметов. В осно¬ве телевизионной передачи изображений лежат три процесса: преобра¬зование оптического изображения в электрические сигналы; передача электрических сигналов; преобразование принятого электрического сигнала в оптическое изображение.
Передаваемое изображение условно разбивается на ряд мелких участков — элементов изображения. Свет от каждого участка преоб¬разуется с помощью специальных передающих устройств в импульс электрического напряжения, амплитуда которого тем больше, чем больше интенсивность света, испускаемого данным участком.
Возможны разные конструкции телевизионного передатчика — устройства, передающего изображение. Одним из них является пере¬дающая трубка видикон (рис. 152).
Видикон представляет собой электронно-лучевую трубку, в которой вместо светящегося экрана установлен светочувствительный полупро¬водниковый экран (1). Рассмотрим, как происходит преобразование полученного на экране изображения некоторого предмета в электриче¬ский сигнал. В видиконе установлена электронная пушка (2), которая создаёт электронный пучок. Этот пучок ускоряется и направляется на
1 3
5 4 2
Рис. 152. Передающая трубка видикон

экран. Электроны бомбардируют экран и выбивают из него вторичные
электроны, которые движутся к коллектору (3), имеющему более вы-
сокий потенциал, чем экран. При освещении экрана сопротивление
полупроводника уменьшается, а сила тока на участке экран — коллек-
тор возрастает. И чем больше освещенность того места экрана, на кото-
рый падает электронный пучок, тем меньше его сопротивление и боль-
ше сила тока. Таким образом, освещенность и соответственно сопро-
тивление разных участков экрана, на котором получено изображение
некоторого предмета, различны. Две пары катушек, на которые пода-
ётся напряжение, создают магнитные поля, управляющие электрон-
ным пучком. Под действием магнитного поля катушек (4) электрон-
ный пучок пробегает вдоль строки слева направо по горизонтали, а под
действием магнитного поля катушек (5) — сверху вниз по вертикали.
В итоге на выходе видикона возникает последовательность электриче-
ских импульсов, соответствующих передаваемому изображению. И за
0,04 с пучок пробегает 625 строк.
Как и в случае радиопередачи, этот сигнал непосредственно не мо-
жет быть передан на расстояние: он модулируется высокочастотными
колебаниями, которые и излучаются в пространство. Принятые при-
емником модулированные колебания усиливаются и детектируются.
Полученный от приемника видеосигнал передается на устройство,
преобразующее электрические импульсы в видимое изображение. Та-
ким устройством может быть, например, электронно-лучевая трубка,
называемая кинескопом (рис. 153).
В кинескопе, так же как и в видиконе, электронная пушка создаёт
электронный пучок, который попадает на экран, покрытый люмино-
фором. При ударе о него электронов люминофор начинает светиться.
Снаружи трубки расположены две пары катушек, создающих магнит-
ное поле при прохождении по ним электрического тока. Одна пара
пластин отклоняет электронный пучок слева направо, другая вверху
вниз, причём движение пучка в кинескопе совершается синхронно
с движением пучка в видиконе: во время движения пучка в кинескопе
вдоль первой строки им управляет сигнал, принятый при движении
электронного пучка вдоль первой строки в видиконе. В итоге за се-
кунды на экране кинескопа будет такое же изображение, которое было
на экране видикона. Кадры сменяют друг друга с частотой 25 кадров
в секунду, и в силу инертности зрения глаз
воспринимает эту смену как непрерывную.
Для передачи телевизионного и радио-
сигнала на большие расстояния используют,
во-первых, высокие антенны, а во-вторых, ре-
трансляторы, установленные на искусствен-
ных спутниках Земли. Преимущество спут-

никовой связи перед наземной заключается в том, что ретранслятор, установленный на спутнике, находится на очень большой высоте отно¬сительно поверхности Земли — от сотен до десятков тысяч киломе¬тров. Зона его «видимости» существенно увеличивается и составля-ет почти половину земного шара, поэтому отсутствует необходимость в создании серии ретрансляторов.
СOТOВAЯ СВЯЗЬ. В основе одного из видов мобильной связи лежит со¬товая сеть. Такая сеть объединяет мощные скоростные компьютеры, базовые станции, распределённые по рабочей сети, мобильные телефо¬ны. Для осуществления мобильной телефонной связи общая зона по¬крытия делится на несколько ячеек — сот в форме шестиугольников. Соты имеют определённый размер, их количество определяется зоной покрытия отдельных базовых станций. Базовые станции обычно рас¬полагают на крышах зданий и вышках, даже в небольших городах устанавливают несколько сотен вышек. Управляет всей мобильной связью в городе центр коммутации для мобильных телефонов. Он кон¬тролирует все телефонные звонки и базовые станции в данной местно¬сти, определяя местоположение подвижных абонентов и обеспечивая непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.
Каждый мобильный телефон имеет свой код — для распознавания телефона, его владельца и мобильного оператора. Когда мы включаем мобильный телефон, он ищет код идентификации на главном канале управления. Если телефон не может найти канал управления, значит, он находится вне зоны досягаемости и на экране высвечивается «Нет сети». При получении кода идентификации телефон сверяет его со сво¬им кодом и при совпадении получает разрешение на подключение к сети. Центр коммутации фиксирует положение телефона в базе дан¬ных и может отсылать сообщения, зная, каким телефоном пользуется абонент. Он принимает звонки и может вычислить номер звонящего, проверить его в своей базе данных. Центр коммутации связывается с мобильным телефоном, чтобы сообщить, какую частоту использо¬вать, и после этого телефон получает доступ в сеть.
Мобильный телефон поддерживает с базовой станцией постоян¬ный радиоконтакт и при изменении местоположения переключается с одной базовой станции на другую.
Далее речь пойдёт о том, без чего немыслим быт со¬временного человека, о разных химических веще¬ствах и новых материалах. Это и моющие средства, и инсектициды, и косметика, и пищевые добавки, и т. п.

Теперь вы знаете
принцип работы микроволновой печи (СВЧ-печь)
принципы устройства жидкокристаллических и плазменных экранов и дисплеев
принципы работы радиопередатчиков и радиоприёмников принципиальные основы сотовой связи
Теперь вы можете
объяснить принцип работы нагревательных приборов
объяснить отличие люминесцентной лампы от светодиодной
назвать имя американского инженера, который изобрёл микроволновую
печь
сформулировать, что такое пиксели
описать, как работает простейший радиоприёмник
ответить на вопрос, почему сотовая связь называется сотовой
Выполните задания
1. Опишите, какие виды ламп существуют, какие из них более экономичны в упoтpeблeнии и почему.
2. Объясните, что представляет собой микроволновая печь (СВЧ-печь) и ка¬ков принцип её работы.
3. Проведите сравнительный анализ жидкокристаллических и плазменных телевизоров, сформулируйте, чем они отличаются друг от друга.
4. Назовите известных вам домашних роботов.
5. Охарактеризуйте процесс амплитудной модуляции и процесс детектиро¬вания.
6. Расскажите, что такое видикон и кинескоп, как они работают, что у них общее и в чём различия.
7. Определите, для чего каждому мобильному телефону нужен свой код идентификации.
Темы для рефератов
1. Роботы-помощники. 2. История радио. 3. История телевидения. 4. Интернет и его роль в жизни современного общества. 5. Из истории сотовой связи.

. Химия в быту
\
1. Назовите древнегреческую богиню здоровья, дочь бога врачевания Асклепия (у древних римлян — Эскулап), от её имени пошло слово, обозначающее раздел профилактической медицины.
2. Объясните, чем грозит нашей планете производство дезодорантов в аэрозольных баллонах и почему.
3. Дайте характеристику гетеротрофных бактерий и расскажите о пользе, которую они приносят окружающей среде как санитары и поглотители органических остатков.
4. Опишите, в результате каких геологических процессов образуется пемза.
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ: РАЗУМНЫЙ ПОДХОД. Писатель- фантаст и учёный-биохимик А. Азимов (1920—1992) писал в одной из своих повестей: «Химия — это смерть, упакованная в банки и ко¬робки». Этот безапелляционный приговор можно адресовать не только химии, но и физике, биологии, транспорту — любой окружающей нас действительности. Мы не можем жить без электричества, но оголён¬ный провод смертельно опасен, автомобиль нам просто необходим, но под его колёсами нередко погибают люди. Использование людьми до¬стижений современной науки и техники требует высокой общей куль¬туры, большой ответственности и, конечно, знаний. Например, такие необходимые для здоровья человека вещества, как лекарства, если их неразумно использовать при самолечении, могут быть исключительно опасными.
Различные химические вещества, смеси веществ, новые материалы настолько прочно вошли в наш быт, что мы просто не представляем себе жизни без их использования.
МОЮЩИЕ И ЧИСТЯЩИЕ СРЕДСТВА. В настоящее время мы широко ис¬пользуем синтетические моющие средства (CMC) — детергенты. В качестве основного компонента они содержат синтетические поверх¬ностно-активные вещества (ПАВ). Любое моющее средство должно обладать двойной функцией: способностью взаимодействовать с за¬грязняющим веществом (чаще всего жиром) и переводить его в воду или водный раствор. Для этого молекула моющего вещества должна иметь гидрофобную (водоотталкивающую) и гидрофильную (удер¬живающую воду) части. Гидрофобная часть молекулы представляет собой, как правило, длинный углеводородный радикал, охотно рас-
\

н н
н н
\ / о
Рис. 154. Поверхностно-активные явления
творяющийся в жирах, но не терпящий воду. В качестве гидрофиль¬ной части может выступать функциональная группа карбоновых кис¬лот (карбоксильная группа — СООН) или фрагмент серной кислоты —ЯО3Н. Гидрофобная часть молекул проникает в загрязняющее веще¬ство (жир), в результате поверхность каждой частицы или капельки загрязнения оказывается как бы окружённой оболочкой гидрофиль¬ных групп. Они взаимодействуют с полярными молекулами воды («по¬добное растворяется в подобном»). Благодаря этому ионы моющего средства вместе с загрязнением отрываются от поверхности ткани и переходят в водную среду (рис. 154).
Взгляните на состав любого CMC, указанный на упаковке. В боль¬шинстве случаев вы найдёте там алкилбензолсульфонат натрия — основной компонент многих стиральных порошков. Это вещество де¬лает возможной стирку в жёсткой и даже морской воде. В отличие от мыла CMC не образуют нерастворимых хлопьев неприглядного серого цвета, которые забивают поры ткани, делают её грубой, блёклой, воз¬духонепроницаемой. Да и расход CMC по сравнению с мылом гораздо меньше.
Но ПАВ очень медленно разлагаются и, попадая со сточными вода¬ми в водоёмы, оказывают вредное воздействие на живые организ¬мы. Поэтому желательна очистка сточных вод от ПАВ в отстойниках, а в естественных условиях (в водоёмах) их частично «съедают» гетеро¬трофные бактерии, которые входят в состав активного ила. Можно также проводить биохимическую очистку сточных вод в присутствии ферментов.
Кроме ПАВ в CMC входят и другие компоненты: отбеливатели, смягчители, пенообразователи, ароматические отдушки.
Оптические отбеливатели не воздействуют на структуру ткани, они поглощают ультрафиолетовые лучи, а излучают энергию в синей области видимого спектра. Происходит оптическая компенсация жел¬товатого оттенка ткани, и изделие приобретает при этом белизну и яр¬кость.
«ООС
оос
СОСГ…Н
СОСГ…Н
\ /
СОСГ…Н

Действующим началом химических отбеливателей являются ато¬марный кислород, атомарный хлор и оксид серы (IV). Эти отбеливате¬ли разрушают посторонние красители, не смывающиеся с ткани, а заодно и дезинфицируют изделие. Из кислородсодержащих отбели¬вателей наиболее распространены перборат и перкарбонат натрия («Персоль»). Хлорсодержащие и серосодержащие отбеливатели чаще используют как отдельные препараты, известные вам под названиями «Белизна» и «Лилия» соответственно.
Пятна белкового происхождения трудно отстирываются и плохо обесцвечиваются химическими отбеливателями. Для их устранения используют специальные ферменты, которые вводят в качестве добав¬ки в моющие средства. Так как эти ферменты не выдерживают высо¬ких температур, бельё с белковыми загрязнениями стирают в тёплой воде и не кипятят.
Для успешной стирки совсем не обязательна обильная пена. При использовании стиральных машин пена даже нежелательна, а для чистки ковров и мягкой мебели, напротив, необходима. Поэтому в со¬став различных моющих средств добавляют стабилизаторы или разру¬шители пены.
В рецептуре CMC компоненты подбирают так, чтобы именно при указанной на упаковке концентрации достигалась максимальная мо¬ющая способность композиции в целом. Поэтому стиральный поро¬шок не следует сыпать на глазок.
Если основу моющих средств составляют поверхностно-активные вещества, то у чистящих средств непременной такой основой является абразив (от лат. abrazio — соскабливание). В современных чистящих средствах преобладают молотая пемза (природный материал — за¬стывшая вулканическая лава), каолин (минерал алюминия), мел (кар¬бонат кальция СаСО3), наждачный порошок (корунд А12О3, оксид хрома Сг2О3) и др. Выбор абразива обусловлен в основном характером поверхности изделия, а не свойствами загрязнений, поэтому на упа¬ковках чистящих средств указывают тип очищаемых предметов.
Конечно, надо помнить, что никакое чистящее средство не принесёт пользы, если оно попадёт в желудочно-кишечный тракт с пищей и во¬дой после чистки кухонной и столовой посуды. Поэтому необходимо тщательно смывать чистящие вещества.
СРЕДСТВА ДЛЯ БОРЬБЫ С БЫТОВЫМИ НАСЕКОМЫМИ. Как бы вы ни
старались содержать в идеальной чистоте посуду, мебель, полы, бельё, как бы плотно ни закрывали двери и окна, вы всё-таки не гарантиро¬ваны от появления в доме вредных бытовых насекомых. Если они поя¬вились, то на помощь приходят инсектициды — средства для борьбы с насекомыми. Инсектициды применяют в виде растворов, эмульсий, суспензий, аэрозолей и т. д.

Жилые помещения следует обрабатывать только препаратами, ре¬комендуемыми для этой цели. Сейчас в продаже их достаточно много. Чаще всего их классифицируют в зависимости от природы насекомо¬го, с которыми препарат борется, — комары, мухи, моль, тараканы, муравьи и т. п.
Большинство из инсектицидов высокотоксичны и опасны для чело¬века. Поэтому недопустимо применять эти препараты часто и в боль¬ших количествах, так как действие их сохраняется на сравнительно длительное время. Во время обработки помещения нельзя принимать пищу, пить воду, курить. Окна должны быть открыты, чтобы не созда¬валась высокая концентрация ядовитых веществ в воздухе. Необходи¬мо убрать все продукты и посуду. Во избежание пожара нельзя распы¬лять содержимое аэрозольных баллончиков при открытом огне. Сле¬дует помнить, что все деревянные предметы хорошо впитывают ядохимикаты, а лакированные поверхности могут испортиться. Мно¬гие инсектициды обладают аллергенным действием. Слабость, голов¬ная боль, тошнота, зуд, сыпь на коже, астматические приступы — при¬знаки аллергической реакции.
Помещение после обработки препаратами надо хорошо проветрить, так как многие инсектициды не имеют запаха. Ну и конечно, надо тщательно вымыть руки тёплой водой с мылом, прополоскать рот.
ХИМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ГИГИЕНЫ И КОСМЕТИКИ. Слово «гигиена» происходит от греческого hygienos, что означает «целебный, принося¬щий здоровье», а «косметика» — от греческого kosmetike, т. е. «искус¬ство украшать себя».
В настоящее время термин «косметика» употребляется прежде все¬го в связи с уходом за кожей лица и тела; гигиена — это раздел профи¬лактической медицины, изучающий влияние внешней среды на здоро¬вье человека. Косметика и гигиена тесно связаны, так как многие кос¬метические средства (лосьоны, кремы, шампуни, гели для душа и др.) выполняют также и гигиеническую функцию. К важнейшим гигиени¬ческим средствам относятся прежде всего моющие средства, о которых было рассказано выше (мыло, шампунь и т. д.). Рассмотрим некоторые другие средства, которые наиболее часто используют в обиходе.
Поговорим сначала о средствах по уходу за зубами. Самое распро¬странённое заболевание зубов — кариес. Сущность его состоит в том, что под влиянием микроорганизмов и вырабатываемых ими кислот (в основном молочной кислоты) происходит разрушение тканей зуба. Самой прочной тканью зуба является эмаль, состав которой близок к минералу гидроксиапатиту Са5ОН(РО4)3. При разрушении эмали ми-кроорганизмы попадают внутрь зуба и могут вызвать воспаление. За¬креплению микроорганизмов на эмали способствует зубной камень — твёрдое пористое отложение на зубах. Его появление связано с тем, что

остатки пищи на зубах пропитываются слю-
ной, содержащей ионы Са2+ и НРО4-, которые
образуют малорастворимую соль. Слюна здо-
рового человека имеет среду, близкую к ней-
тральной (рН = 6,75). А кислоты, которые вы-
рабатываются в процессе расщепления ми-
кроорганизмами остатков пищи, особенно
углеводной, снижают рН до 4,5—5,0. Разру-
шение эмали в этих условиях ускоряется.
Давно замечено, что любители сладкого часто
не могут похвастаться хорошим состоянием
зубов. Поэтому одним из путей профилактики
кариеса является чистка зубов и полоскание
ротовой полости после приёма пищи.
Важнейшим средством ухода за зубами яв-
ляется зубная паста (рис. 155). Основные ком-
поненты зубной пасты — это абразивные, свя-
зующие, пенообразующие вещества и загус-
тители. Абразивные вещества обеспечивают
механическую очистку зубов от налёта и по-
лировку. Чаще всего в качестве абразива при-
меняют химически осаждённый карбонат кальция СаСО3, а также
фосфаты кальция. Для превращения смеси абразивных порошков
в стойкую пасту применяют связующие компоненты. Их получают из
морских водорослей, а из искусственных веществ применяют произ-
водные целлюлозы. В качестве пенообразователей используют уже
знакомые вам поверхностно-активные вещества. Для получения пла-
стичной, выдавливающейся из тюбика массы в пасту добавляют загу-
стители — глицерин, сорбит, полиэтиленгликоль. Они способствуют
сохранению в пасте влаги при хранении, повышают температуру за-
мерзания и улучшают вкусовые качества пасты. Для устранения раз-
рушительного действия микробов на растительные составляющие
в состав паст вводят антисептики.
Борьба с кариесом осуществляется не только предупреждением об¬разования зубного налёта. Второй путь — это укрепление минераль¬ной ткани зуба введением в пасты соединений фтора (фторида натрия NaF, фторида олова (II) SnF2 и др.). Существует несколько точек зре¬ния по поводу влияния фторидных ионов на укрепление эмали зуба. Ионы F- переводят гидроксиапатит Са5ОН(РО4)3 в менее растворимый в кислотах фторапатит Са^(РО4)3. Возможно также образование в ре¬зультате обменной реакции в пасте фторида кальция CaF2, который адсорбируется на эмали и предохраняет её от воздействия кислот. Из¬вестно также, что фторидные соединения способствуют подавлению жизнедеятельности бактерий, вызывающих образование органиче¬
Рис. 155. Средства лич-ной гигиены — зубная паста, дезодорант

ских кислот в полости рта. В настоящее время в антикариесных пастах используют добавки ферментов, а иногда вводят антибиотики.
Приятный вкус и запах пасты создают различные вкусовые компо¬ненты и отдушки. В качестве последних часто используют ментол, мятные масла, гвоздичное масло, эвкалиптол и др. Сладкий вкус соз¬дают синтетические подсластители — сахарин или аспартам.
В настоящее время в продаже появились безабразивные гелеобраз¬ные прозрачные чистящие средства для зубов. В них используют гели оксида кремния SiO2, а также полимерные материалы, которые легко окрашиваются в разные цвета, имеют красивый внешний вид, однако очищающая способность у них ниже, чем у абразивных паст.
Конечно, вы знаете, что дезодоранты — это средства, устраняющие неприятный запах пота, который выделяется потовыми железами и на 98—99% состоит из воды. С потом из организма выводятся продукты метаболизма: мочевина, мочевая кислота, аммиак, некоторые амино¬кислоты, жирные кислоты, холестерин, некоторые гормоны и т. д.; из минеральных компонентов — катионы натрия, кальция, магния, меди, марганца, железа, анионы хлора и иода. Неприятный запах свя¬зан с бактериальным расщеплением составляющих пота или с их окис¬лением кислородом воздуха.
Дезодоранты бывают двух типов: одни тормозят разложение выво¬димых с потом продуктов метаболизма (делая неактивными микроор¬ганизмы) или предотвращают их окисление, другие частично подавля¬ют выделение пота. Такими свойствами обладают соли алюминия, цинка, циркония, хрома, железа, а также формальдегид и этиловый спирт. Эти вещества взаимодействуют с компонентами пота, образуя нерастворимые соединения, которые закупоривают каналы потовых желёз и тем самым уменьшают потовыделение. В оба типа дезодоран¬тов входят отдушки.
Дезодоранты выпускают в твёрдом виде, шариковые и в аэрозоль¬ной упаковке. В аэрозольных баллонах используют сжиженные газы (пропелленты), температура кипения которых очень низка. Они легко переходят в газовую фазу и не только выталкивают основу (дезодо¬рант) из баллона, но, расширяясь, распыляют её на мелкие капельки. Долгое время эту роль выполняли только фторхлоруглероды (фрео- ны) — CF2C12, CFC13, CF2C1—CF2C1. Все они кипят при температуре ниже -30 °С. В настоящее время принято международное соглашение о сокращении производства аэрозольных баллонов, содержащих фрео- ны, поскольку установлено, что они разрушают озоновый слой Земли.
Говоря о косметических средствах (рис. 156), надо вспомнить, что люди пользовались ими с незапамятных времён. Письменные источ¬ники и раскопки древних поселений свидетельствуют о том, что на ранней стадии развития общества к раскрашиванию тела были нерав¬нодушны и женщины, и мужчины. У мужчин это особенно проявля-

лось в любви к татуировкам, а женщины под-
крашивали веки, брови, губы, щёки. Есте-
ственно, что в далёком прошлом в качестве
косметических средств использовали лишь
природные вещества. Например, веки подкра-
шивали в голубой цвет тончайшей пыльцой
из толчёной бирюзы, а брови красили мягки-
ми природными минералами, в том числе
сурьмяным блеском Sb2S3.
С развитием химии помимо природных ве-
ществ стали использовать и синтетические.
Например, в качестве пигмента для губных
помад применяют органическое синтетиче-
ское соединение никеля. Перламутровый эффект создают соли висму-
та или слюда, содержащая около 40% оксида титана (IV) TiO2. В созда-
нии гримов применяют также оксид цинка ZnO, в медицине его ис-
пользуют в присыпках и мазях.
В качестве красителей для волос используют разбавленные водные растворы хорошо растворимых солей свинца, серебра, меди, висмута. Ими предварительно пропитывают волосы. Затем с помощью так на¬зываемого проявителя ионы металлов восстанавливаются до простых веществ. Нашатырный спирт, входящий в состав красителей нейтра¬лизует образующуюся при этом кислоту. Под действием восстановлен¬ной меди волосы приобретают красноватый отлив, если были взяты соли серебра — серый оттенок, при наличии солей железа — синевато¬лиловый цвет. Осветляют волосы с помощью 3%-го раствора перокси¬да водорода, который разлагается с образованием атомарного кислоро¬да. Окислительное действие последнего так велико, что он разрушает пигменты волос. Но при большой концентрации и длительном воздей¬ствии могут начать разрушаться и сами волосы, поэтому надо прояв¬лять осторожность. На практике пероксид водорода применяют в ком¬плексе с мочевиной, такое вещество называется гидроперитом.
С помощью «химии» можно не только изменить цвет волос, но и придать им определённую форму. Известно, что волосы сохраняют свои упругие свойства из-за наличия в их структуре многочисленных дисульфидных «мостиков» (как в вулканизированном каучуке). Ес¬ли их временно ослабить, а затем придать волосам необходимую фор¬му и закрепить её, получим новую причёску. При химической завив¬ке роль разрушителя «мостиков» отводится тиогликолевой кислоте HSCH2COOH или её более устойчивым солям. Последующая обработка уложенных волос закрепителями восстанавливает «мостики», фикси¬руя новую форму волос.
Косметическим средством для ногтей являются лаки. Основа их — это раствор нитроцеллюлозы в органических растворителях. Нитро¬целлюлозу получают нитрованием целлюлозы (хлопковой или древес¬
Рис. 156. Косметические средства — помада, лак для ногтей, крем, румя¬на, пудра

ной) смесью азотной и серной кислот. В качестве растворителей ис¬пользуют амиловый эфир уксусной кислоты, ацетон, различные спирты, а также их смеси. В лак кроме красителя добавляют пласти¬фикаторы (например, касторовое масло), которые препятствуют обез-жириванию ногтей и предотвращают их ломкость.
Одним из важнейших косметических средств для лица являются пудры. Косметические пудры — многокомпонентные смеси. В них входят тальк, каолин, соли цинка и магния, оксиды цинка и титана, рисовый крахмал, а также органические и неорганические пигменты, в частности Fe2O3. Пудра — великолепный адсорбент влаги (в основ¬ном за счёт каолина). Тонкого слоя её вполне хватает, чтобы удалить выделения потовых желёз, работающих в обычном режиме. Но в жар¬кую погоду пудра закупоривает все поры кожи и причиняет вред. За счёт талька пудра становится сыпучей и имеет скользящий эффект. Каолин и оксиды маскируют дефекты кожи. Кроме того, оксид цинка обладает антисептическими свойствами. Крахмал придаёт коже бар¬хатистость, а благодаря солям цинка и магния пудра хорошо удержи¬вается на коже и делает её гладкой. Пудра защищает и от атмосфер¬ных загрязнений. Вот почему умело, без излишеств нанесённая на лицо, она не только улучшает цвет и маскирует мелкие дефекты кожи, но и защищает её.
ПИЩЕВЫЕ ДОБАВКИ. Эти вещества способствуют сохранности продук¬та (консерванты), придают ему аромат (ароматизаторы), нужную окра¬ску (красители) и т. д. Некоторые добавки делают из природных про¬дуктов — овощей и фруктов, сахара, уксуса, спирта. Но многие из них синтетические и являются результатом работы химиков. На продук¬тах питания их маркируют буквой «Е» и обозначают трёхзначной цифрой.
Нужно знать, какую конкретную информацию несёт в себе марки¬ровка-индекс:
Е100 — Е182 — красители;
Е200 — Е299 — консерванты; такие вещества, как соль, сахар, ук¬сус, в эту группу маркировок-индексов не входят, информацию об этих консервантах записывают на этикетках без буквенно-цифровой индек¬сации, отдельно;
Е300 — Е399 — вещества, замедляющие процессы брожения и окисления в продуктах питания (например, прогоркание сливочного масла);
E400 — Е409 — стабилизаторы, обеспечивающие продуктам пита¬ния длительное сохранение консистенции (например, мармелада, желе, пастилы, йогуртов, соусов и т. п.);
Е500 — Е599 — эмульгаторы, позволяющие сохранять равномер¬ность распределения дисперсной фазы в среде, поддерживать, напри-

мер, такие эмульсии, как нектары, растительные масла, майонезы и другие, в однородной системе, препятствовать образованию осадков в них;
Е600 — Е699 — ароматизаторы, т. е. соединения, усиливающие или придающие вкус пищевым продуктам (напиткам, кремам, конфетам, сухим сокам и др.);
Е900 — Е999 — антифламинги, не позволяющие слёживаться муке, сахарному песку, соли, соде, лимонной кислоте, разрыхлите¬лям теста, веществам, которые препятствуют образованию пены в на¬питках.
Каждая страна мира имеет свои стандарты по содержанию пище¬вых добавок в продуктах питания, особенно таких, которые могут на¬нести вред здоровью человека. Многие нормы применения пищевых добавок в России ниже их аналогов в зарубежных странах. Вы должны знать, что отдельные пищевые добавки в импортных продуктах пита-ния могут вызвать желудочно-кишечные расстройства, аллергию, не¬которые являются канцерогенами, т. е. далеко не безопасны для здо¬ровья.
Такие авторитетные органы, как Госсанэпиднадзор и Общество за¬щиты прав потребителей, не рекомендуют употреблять продукты пи¬тания, содержащие добавки со следующими маркировками:
Е131, Е141, Е215 — E218, Е230 — Е232, Е239 — они являются ал¬лергенами;
Е121, Е123 — они вызывают желудочно-кишечные расстройства, а в больших дозах и пищевые отравления;
Е211, Е240, Е330, Е442 — они содержат канцерогены, т. е. могут провоцировать образование опухолей.
Маркировка на упаковках с пищевыми продуктами столь же важна для человека, как и символика на этикетках одежды с целью бережно¬го и правильного ухода за ней.
Итак, человек встречается с химией на каждом шагу. Наша жизнь, здоровье, настроение тесно связаны с многочисленными химическими веществами и процессами вокруг нас и в нас самих. С развитием науки мы получаем новые материалы, препараты, вещества, которые ис¬пользуются в самых разных сферах жизнедеятельности человека. Хи-мия даёт человеку огромные возможности, но при этом требует гра¬мотного, ответственного их использования, понимания сущности химических явлений и процессов.
Теперь вы знаете
► достижения современной науки: разумный подход
► как используются моющие и чистящие средства
► как используются средства для борьбы с бытовыми насекомыми

► как используются химические средства гигиены и косметики У как используются пищевые добавки
► объяснить, что такое детергенты и каков процесс взаимодействия моле¬кул моющего вещества с загрязняющим веществом, в результате которо¬го ткань становится чистой, выстиранной
У сравнить оптические и химические отбеливатели и сказать, чем они отли¬чаются друг от друга
► описать, в чём сущность кариеса и как его избежать
У перечислить косметические средства, изготовленные с применением син¬тетических веществ
► назвать маркировки добавок, содержащихся в продуктах питания, не ре-комендуемых Госсанэпиднадзором для употребления
1. Приведите доказательства, что без химии немыслим быт современного человека.
2. Расскажите, что такое СМС, ПАВ, какие преимущества и недостатки они имеют по сравнению с мылами.
3. Объясните, что составляет основу чистящих средств и какие ещё компо¬ненты входят в них.
4. Ответьте, почему пятна белкового происхождения (молока, крови и др.) трудно отстирываются и почему бельё с такими пятнами нельзя кипятить.
5. Перечислите меры предосторожности, необходимые при применении ин¬сектицидов.
6. Охарактеризуйте основные компоненты, входящие в состав зубной па¬сты.
7. Опишите принцип действия дезодорантов двух типов, на свойствах каких химических веществ эти действия основаны и причину, по которой сокра¬щается производство дезодорантов в аэрозольных упаковках.
8. Назовите синтетические пищевые добавки, полученные в результате ра¬боты химиков, имеющие в маркировке букву «Е» и трёхзначный цифро¬вой код.
1. Химия и красота. 2. Химия и гигиена. 3. Автокосметика. 4. История мыла и шампуня. 5. Косметика в Древнем Риме. 6. Гигиена в средневековой Европе. 7. Чёрный список пищевых добавок.

• Синергетика
\
1. Перечислите миры, в которых мы живём, приведите примеры объектов каждого мира.
2. Вспомните, что такое самосборка и какую роль она играет в живой природе и нанотехнологиях.
3. Дайте определение понятия «энтропия».
В течение почти двух лет на уроках естествознания вы осваивали наиболее общие законы природы. И наверняка задавались вопросом: для чего? Что нам даёт знание основных закономерностей протекания физических, химических, биологических процессов, их сочетание в реальных природных явлениях, в окружающей действительности? Очевидно, совместно с учителем вам удалось найти ответы на эти во-просы.
Знание законов естествознания нам необходимо для прогнозирова¬ния результа тов то го или ино го явле ния, ис поль зо ва ния этих законов для получения практической пользы или выгоды. Например, понима¬ние закономерностей протекания окислительно-восстановительных реакций и овладение законами электродинамики позволило создать целый спектр химических источников тока и несметное множество устройств и механизмов, работающих на аккумуляторах или батарей¬ках.
Предсказывать конечный результат процессов в несложных систе¬мах нам помогает знание того факта, что многие эти процессы проте¬кают самопроизвольно в направлении увеличения энтропии (наиболь¬шего беспорядка, хаоса), в направлении выравнивания параметров со¬стоя ния отдель ных час тей сис те мы, что в ко неч ном счё те при водит неравновесную систему в положение равновесия. Проиллюстрируем ска зан ное не сколь ки ми при ме ра ми.
Пример первый. В закрытом помещении разбился флакон с духа¬ми. Давайте спрогнозируем последствия. Легколетучие жидкости, об¬разующие композицию духов, достаточно быстро испарятся. Вначале концентрация их паров над местом разлива будет больше, чем в от¬далённых углах по ме ще ния. С те че ни ем вре ме ни под дей ст ви ем гра ди- ента (разности) концентрации веществ в воздухе молекулы компонен¬тов духов равномерно распределятся по всему объёму комнаты, энтро¬пия достигнет максимального значения, система придёт в состояние равновесия. Как долго продлится это равновесие? Ответ опять же не¬сло жен: бес ко нечно дол го, до тех пор, по ка сис те ма не пе ре ста нет быть

закрытой и испытает воздействие извне, например пока кто-то не от¬кроет дверь или форточку.
Пример второй. Раскалённую сковороду поставили с плиты на стол. Нетрудно предположить, что произойдёт в течение ближайших часа-двух. Самопроизвольно металл начнёт остывать, его температура уменьшаться, а окружающий воздух будет нагреваться. Процесс идёт в направлении выравнивания ключевого параметра — температуры — до тех пор, пока значение этого параметра для сковороды и окружаю¬щего воздуха не станет одинаковым: система придёт в состояние рав¬но ве сия.
Пример третий, более сложный. Вы посадили во дворе саженец бе¬рёзы. С большой долей вероятности вы можете предсказать его даль¬нейшую судьбу. Поначалу деревце расти будет медленно — по 20— 25 см в год. Через 3—4 года его коричневый ствол покроется нарядной белой корой — берёстой. Каждую весну, примерно в апреле, на вет¬вях вашей берёзки будут появляться пушистые серёжки — мужские и женские цветки. А каждую осень яркая зелень листвы будет сменять¬ся прекрасным золотистым кружевом, облетающим с наступлением холодов. Через десять лет дерево обретёт силу и мощь, начнёт быстро расти и развиваться. К закату своей жизни, лет через 120, достигнет высоты около 35 м, ствол увеличится в диаметре до 45—50 см, а ниж¬няя часть ствола станет почти чёрной.
Не уже ли в при роде, в ок ру жаю щей нас дей ст ви тель нос ти всё так предсказуемо и скучно, остаётся только ждать «выравнивания пара¬метров» и «достижения бесконечно длящегося равновесия»?
Оглянитесь вокруг, и вы поймёте, что это не так. На самом деле ре¬альная жизнь удивительна и непредсказуема! К счастью, озоновый слой планеты, вопреки «желаниям» энтропии, не растворяется во всей массе атмосферы, а потому продолжает выполнять спасительную роль защитного экрана от ультрафиолетового излучения Солнца. За милли-арды лет температура на Земле, не говоря уже о всей Вселенной, не вы¬ровнялась: в январе жители Северного полушария по-прежнему кута¬ются в шубы, а жители Южного спасаются от зноя в прохладных водах морей и океанов. Берёзовая роща может не одно столетие радовать глаз, а может исчезнуть с лица земли за неделю под визг бензопил и рёв бульдозеров.
По че му же не удаётся точ но пред оп реде лить собы тия ок ружаю щей действи тель нос ти, явле ния при роды? По че му од ни ви ды жи вых ор — ганизмов вымирают и попадают в Красную книгу, а с увеличением численности других человечество борется всеми доступными средст¬вами? Как научиться предсказывать стихийные бедствия до их на- ступ ле ния? Ка кие за ко ны уп равля ют раз ви ти ем че ло ве че ско го об¬щества?

Дело в том, что большинство изученных нами естественно-научных законов при ме ни мы лишь для срав ни тель но неслож ных сис тем, час то закрытых (т. е. таких, которые не могут обмениваться с окружающей средой веществом или энергией), в которых протекают простые про¬цессы и явления, условно называемые линейными.
Реальные объекты природы, а тем более человеческое общество — несравненно более сложные системы. Их состояние не просто далеко от состоя ния равно ве сия, а мо жет са мо про из воль но от та ко го состоя¬ния удаляться. Здесь могут протекать процессы с уменьшением энтро¬пии, существенную роль играют влияния извне, случайности (флукту-ации).
Означает ли это, что познание окружающего мира в принципе не¬возможно, что не существует объективных законов развития и попыт¬ки создать единую естественно-научную картину мира обречены на провал?
Лишь в XX в. учёные дали ответ на этот непростой вопрос. В 80-х г. прошлого века возникла наука, которая получила название синер¬гетика (в переводе с греч. «совместная деятельность»).
Синергетика — междисциплинарное направление науки, изу¬чающее общие закономерности явлений и процессов в сложных не¬равновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и др.) на основе присущих им принци¬пов са мо ор га низации.
Как следует из определения, синергетика носит интегрирующий характер, объединяя общими законами разные науки: физику, хи¬мию, биологию, психологию, социальные науки, астрономию, фило¬софию и т. д. Синергетика впервые сформулировала универсальные за ко ны эволю ции, спра вед ли вые как для не одушевлён но го, так и для жи во го ми ра и со циума.
Автор термина «синергетика» — Герман Хаккен — исследовал ме¬ха низ мы про цес сов, про ис ходя щих в ла зе рах, и об на ру жил, что час¬тицы, составляющие активную среду такой его части, как резонатор, под воздей ст ви ем внеш не го свето во го поля на чи на ют коле бать ся с ним в одной фазе. В результате устанавливается согласованное взаимо-действие, приводящее, в конце концов, к коллективному поведению (т. е. самоорганизации).
В приведённом выше определении встретилось ещё одно незнако¬мое вам слово — самоорганизация. Что же понимается под самоорга- ни за ци ей слож ных сис тем?
Казалось бы, те многочисленные нелинейные процессы, тот хаос, который царит в неравновесной системе, должны рано или поздно при-

вести к её распаду. Однако этого не происходит. Парадоксально, но ха¬ос рождает прямую противоположность себе — порядок.
Самоорганизация — это процесс упорядочения элементов
сложной неравновесной системы за счёт внутренних факторов
без внешнего воздействия.
Не очень корректной, но показательной моделью самоорганизации
может служить обыкновенный муравейник. На первый взгляд движе-
ние насекомых сумбурно и беспорядочно, но каждый муравей выпол-
няет строго определённую функцию, и хаос рождает самоорганизую-
щуюся сис те му.
Одним из основоположников синергетики по праву считается бель-
гийский физик и химик, лауреат Нобелевской премии (1977), выходец
из России Илья Романович Пригожин (1917—2003). С детства он хоро-
шо знал французский язык, учился музыке, увлекался биологией.
Ещё в юности Пригожин понял, что биологию нельзя понять без хи-
мии, а химию без физики. В 1940 г. после окончания Брюссельского
университета стал заниматься научными исследованиями в области
неустойчивых процессов. Зная, что неравновесие всегда переходит в
равновесие, в своих изысканиях Пригожин одним из первых доказал,
что из хаоса в природе самопроизвольно может возникать порядок.
Синергетика исходит из того, что, в отличие от закрытых термо-
динамических систем, которые стремятся к состоянию равновесия
и усреднению параметров состояния, сложные неравновесные много-
элементные и многофакторные системы (живые организмы, экосисте-
мы, общественные группы и др.) за счёт притока энергии извне, нели-
нейности внутренних процессов, случайных событий и других факто-
ров могут развиваться в неравновесном направлении, иметь несколько
устойчивых состояний, способны к усложне-
нию и самоорганизации. Самоорганизация и
является механизмом происходящей в приро-
де и обществе эволюции: от простого к более
слож но му, более со вер шенно му.
Для любых сложных систем, будь то неоду-
шевлённые (например, геологические), оду-
шевлённые (например, популяция живых
организмов) или социальные (например, госу-
дарство), справедливы наиболее общие прин-
ципы синергетики. Рассмотрим некоторые
из них.
1. Природа иерархически структурирова-
на в несколько видов открытых нелинейных
систем разных уровней организации. Изу-
Илья Романович Пригожин

ченные нами ранее биогеоценозы (вспомните, что это такое) являются
ярким примером таких систем, относительно стабильных в небольшом
про ме жут ке вре ме ни и эволю ци они рующих в те че ние дли тельных
временных отрезков.
2. В сильно неравновесных состояниях системы начинают вос-
принимать те факторы воздействия извне, которые они бы не вос-
при ня ли в более рав но вес ном со стоя нии. Вам известно, что в первом
десятилетии XXI в. по странам Ближнего Востока и Северной Африки
прокатилась волна так называемых «цветных революций». В слож-
ный для этих государств период падения экономического потенциала,
обострения межнациональных и межрелигиозных конфликтов, появ-
ле ния мощ ных оп по зи ци он ных сил (силь но не рав но вес ное сос тояние)
достаточно было небольшого внешнего толчка (например, вмешатель-
ства иностранного государства, экономические санкции), чтобы ситу-
ация обострилась до вооружённого противостояния, свержения дейст-
вующей власти, радикальных преобразований в стране. В стабильных
условиях существования государства такие внешние воздействия, на-
против, часто сплачивают население и укрепляют национальное един-
ство.
3. В состояниях, далёких от равновесия, начинают действовать
бифуркационные механизмы. Что это такое? Проиллюстрируем это
понятие на простой модели.
Представьте себе расположенную на столе в виде чашки полусферу,
например разрезанный напополам резиновый мяч. По стенке полусфе-
ры пустим металлический шарик (рис. 157, а). Нетрудно предсказать,
что шарик будет совершать колебательные движения по стенке полу-
сферы через нижнюю её точку до тех пор, пока не остановится в ней.
В такой системе действуют все известные вам законы физики и термо-
динамики. Даже если вы попытаетесь оказать на систему небольшое
внешнее воздействие (например, качнёте полусферу или подуете на
шарик), конечный результат от этого не изменится.
Теперь перевернём полусферу и установим шарик на её верхнюю
точку. Система находится в крайне неустойчивом состоянии. В сине-
ргетике его называют точкой бифуркации (от лат. bifurcus — раздво-
енный), т. е. состоянием неопределённости, после которого возможны
различ ные ва ри ан ты даль ней ше го разви тия сис те мы вплоть до от но-
сительно стабильных состояний — аттракторов (от англ. to аПгаа —
привлекать, притягивать). Стоит
толь ко про из вес ти на систе му
небольшое внешнее воздействие —
стукнуть по столу, задеть по-
лусфе ру, пома хать ве ером, —
и шарик скатится в одном из
мно же ст ва воз мож ных на прав-
лений, час то не предс ка зуе мых
Рис. 157. Система стремится к состо¬янию равновесия (а); система находится в состоянии неопределённости (б)

Рис. 158. В. М. Васнецов.
Витязь на распутье. 1877
(рис. 157, б). В своеобразной точке бифуркации находится и знамени¬тый васнецовский «Витязь на распутье» (рис. 158).
4. При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию по¬рядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково. Этот очень важный принцип позволяет не только качественно описывать разви¬тие сложных систем, но и использовать обобщённый математический аппарат синергетики. Понятно, что без количественной составляющей синергетика не смогла бы развиться в полноценную науку. Особенно цен ны коли че ст вен ные оцен ки в од ном из на правле ний си нергети- ки — теории катастроф.
Ко неч но, ма те ма ти че ский ап па рат си не рге ти ки, ос но ван ный на принципах теоретической физики, нелинейной и неравновесной тер¬модинамики, математической статистики, очень сложен, и мы не бу¬дем вас с ним знакомить. Вместе с тем вы получили первое представле¬ние о синергетике — современной науке о самоорганизации физиче-ских, биологических и социальных систем, науке об универсальных законах эволюции Природы. Теперь, когда вы услышите непривычные термины «бифуркация» или «аттрактор», вы не будете поспешно ме¬нять тему разговора, а сможете высказать своё достаточно компетент¬ное мнение.
Од на ко спе ци алис ты пред уп реж да ют, что ин тен сив ное вне дре ние модных подходов синергетики в науки, особенно в общественные, чре¬вато появлением необоснованных утверждений, выдаваемых за науч¬ные, и отри ца ни ем ис тори че ски на ра бо тан ных поло же ний, по ня тий и методов конкретных наук. Такое формальное и поверхностное «об¬ращение к синергетике», по мнению одного из видных специалистов в этой области, Г. Н. Дульнева, грозит стать массовым и породить сооб¬щество взаимно довольных, друг друга поддерживающих и никем не критикуемых деятелей, занимающихся схоластической псевдонаукой.

В заключение отметим, что единство мира требует и единства нау¬ки. Синергетика объединяет различные ветви не только естествозна¬ния, но и гуманитарной сферы. В современном естествознании проис¬ходят интенсивные процессы гуманизации, а в гуманитарных науках всё более принимается логика естественных наук.
В процесс самоорганизации обычно вовлечено множество объектов, и протекающие в системе процессы зависят от их совокупного, сов¬местного действия.
Еще раз напомним, что окружающий нас мир можно рассматривать на нескольких структурных уровнях:
— на мегауровне, или уровне мегамира, — мир галактик, звёзд и других небесных тел;
— на макроуровне, или уровне макромира, — мир окружающих нас объектов и предметов;
— на микроуровне, или уровне микромира, — мир молекул, ато¬мов и элементарных частиц.
Распределение и структуру материи на мегауровне изучает астро- фи зи ка, на мак роуров не — фи зи ка твёрдо го те ла, фи зи ка жид кос тей и га зов, на мик роуровне — атом ная, ядер ная фи зи ка, фи зи ка эле мен- тарных частиц. Следовательно, изучение материального мира начина¬ет ся с рас смотре ния фи зи че ской фор мы дви же ния ма те рии, ко торая эволюционирует в химическую и далее в биологическую и социаль¬ную. Единство этих форм и рассматривает синергетика — междисцип¬линарное направление научных исследований, задачей которого явля¬ется изучение природных и социальных явлений на основе самоорга¬низации систем.
При внимательном рассмотрении окружающего нас мира мы часто за даём се бе воп росы, на ко торые не мо жем чётко и мо ти ви рованно от¬ветить. Например: почему фундаментальные законы физики не могут пред ска зать пове де ние би ологи че ских объ ектов? По че му це лое мо жет обладать свойствами, которыми не обладает ни одна из его частей? По¬чему существующие в природе системы так сильно отличаются от тех, которые созданы руками человека? Совсем недавно эти вопросы мож¬но было отнести лишь к области философии. Сейчас они встают при ре¬шении конкретных задач в области физики, химии, биологии и др. На эти и многие другие вопросы пытается ответить новая наука — си¬не ргетика.
Е»
Завершая курс естествознания, последний параграф
учебника мы посвятим красоте — красоте окружаю-
щего нас мира и воплощению её в произведениях ис-
кусства, многовековым поискам гармонии художни-
ками, зодчими, ваятелями. И найдём подтверждения
и доказательства, что наука и искусство всегда и во
всём тесно связаны, обогащая и дополняя друг друга.

Теперь вы знаете
что такое синергетика и самоорганизация сложной системы принципы, которым подчиняется это интегрированное научное направле¬ние
какую роль играет синергетика в изучении природных и социальных яв- ле ний
Теперь вы можете
► описать уровни организации материального мира и разделы физики, кото рые их изуча ют
► сформулировать, что такое синергетика и самоорганизация сложной систе мы
► раскрыть значение синергетики для познания материального мира и соци аль но го раз ви тия об ще ст ва
Выполните задания
1. Покажите, как синергетика связана с естественными и гуманитарными наука ми.
2. Установите основное отличие процессов, протекающих в простейших термодинамических системах, от процессов, происходящих в сложных неравновесных системах. Что такое самоорганизация сложной системы?
3. Назовите и проиллюстрируйте примерами несколько основных принци¬пов сине ргети ки.
4. Смесь азота и водорода ввели в соприкосновение с нагретым катализато¬ром. Напишите уравнения возможных химических реакций, зная, что синтез аммиака из азота и водорода является обратимым процессом. Спрог нози руй те по ведение систе мы с те че ни ем вре ме ни.
5. В неком государстве в результате выборов к власти пришла оппозиция. Можно ли рассматривать сложившуюся ситуацию как точку бифуркации? Спрогнозируйте возможные пути развития событий в этой стране. Опи¬шите наиболее реальные аттракторы.
6. Вспомните отрывок из поэмы А. С. Пушкина «Руслан и Людмила». Соперники одной дорогой
Всё вместе едут целый день.
Днепра стал тёмен брег отлогий;
С востока льётся ночи тень;
Туманы над Днепром глубоким;
Пора коням их отдохнуть.
Вот под горой путём широким Широкий пересёкся путь.
«Разъедемся, пора! — сказали, —

Безвестной вверимся судьбе».
И каждый конь, не чуя стали,
По воле путь избрал себе.
Назовите имена этих «соперников». Куда и зачем они скачут? Дайте ха¬рактеристику ситуации, описанной в отрывке, с позиции синергетики.
1. Объясните, что имел в виду А. С. Пушкин, вложив в уста Сальери слова: «Поверил я алгеброй гармонию».
2. Проанализируйте выражение: «Красота спасёт мир» — с двух точек зрения: толкования его Ф. М. Достоевским и в вашем собственном по¬нимании.
3. Докажите, что творения зодчих — это синтез искусства и наук (математи¬ки, физики, а иногда и астрономии, и географии), приведите примеры.
4. Сформулируйте постулаты Н. Бора.
БОЖЕСТВЕННАЯ ПРОПОРЦИЯ И ПОНЯТИЕ «ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ». Чело¬веку свойственно искать гармонию во всём — в окружающем его инте¬рьере, предметах быта, украшениях. Но что может быть более гармо¬ничным, чем великая и неповторимая природа? Наблюдая окружаю¬щий нас мир, мы восхищаемся совершенством форм, многообразием расцветок, уникальным сочетанием свойств всего того, что рождено гениальным создателем — Природой!
Особенно тонко чувствуют прекрасное, создают величайшие шедев¬ры, переживающие века и поколения, люди искусства — художники, архитекторы, скульпторы, музыканты, писатели. Своё вдохновение большинство из них черпали и продолжают находить в окружающей нас природе.
Уловить тонкую материю гармонии окружающего мира — значит научиться создавать бессмертные произведения искусства. Вот почему гениальных художников можно назвать и талантливыми естество¬испытателями.
Оказывается, что один из величайших секретов природы, универ¬сальный показатель красоты и гармонии, известен человеку с древ¬нейших времён. Это так называемая божественная пропорция, в осно¬ве которой лежат симметрия и золотое сечение. Такое уникальное со¬четание способствует наилучшему зрительному восприятию и ощуще¬нию красоты и гармонии.
38 . Естествознание
и искусство
\

Немецкому астроному И. Кеплеру (1571—1630) принадлежит из¬вестное изречение: «Геометрия владеет двумя сокровищами: одно из них — теорема Пифагора, другое — деление отрезка в крайнем и сред¬нем отношении. Первое можно назвать мерой золота, второе же боль¬ше напоминает драгоценный камень». Пифагор (ок. 570—496 до н. э.), прожив в Египте 22 года и обучаясь там у жрецов, начал пости¬гать законы гармонии и красоты: к примеру, знаменитая пирамида Хеопса была построена по принципу золотого треугольника (мы ещё поговорим о нём чуть позже). Пропорции храмов, барельефов, предме¬тов быта и украшений из гробниц фараонов также свидетельствуют о том, что египтяне знали секрет золотого сечения.
Термин «золотое сечение» ввёл в обиход в 1835 г. немецкий матема¬тик М. Ом (1792—1872). Так что же такое золотое сечение? При чём здесь деление отрезка и пирамида Хеопса?
Золотое сечение (золотая пропорция) — это такое деление отрезка на две неравные части, при котором длины большей и меньшей частей относятся друг к другу так же, как длина боль¬шей части относится к длине всего отрезка; это число выража¬ется бесконечной иррациональной дробью 0,6180339887… .
ш=^=0618
\ВС\ \АВ\ 0,618…
Удивительно, но величина, обратная этой дроби, отличается от неё
ровно на единицу (в математике её часто обозначают греческой буквой ф):
ф = oi = 1,618-
ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ В ПРОИЗВЕДЕНИЯХ ИСКУССТВА И АРХИТЕКТУРЫ.
Именно с золотым сечением связано много геометрических загадок.
Например, прямоугольник с таким соотношением сторон стали назы-
вать золотым прямоугольником: если от него последовательно и до
бесконечности отрезать квадрат, то всегда
останется золотой прямоугольник. Существу-
ет и так называемый золотой треугольник
(равнобедренный), у которого отношение дли-
ны боковой стороны к длине основания равня-
ется 1,618. В совершенной пентаграмме — пя-
тиконечной звезде — каждая из составляю-
щих её пяти линий делит другую в золотой
пропорции, а концы звезды образуют золотые
треугольники (рис. 159).
Ну и что же здесь красивого и гармонич- Рис 159 Звезда — со- ного? вершенная пентаграмма

иет1 1
№ III л
■ |l ■■

Рис. 160. Золотое сечение в искусстве и архитектуре: а — пирамида Хеопса; б — Парфенон; в — собор Парижской Богоматери; г — «Джоконда» Леонардо да Винчи
Оказывается, божественные пропорции лежат в основе многих ве¬ликих творений человечества — произведениях архитектуры, живо¬писи, скульптуры. О пирамиде Хеопса мы уже говорили, можно ещё назвать древнегреческий храм Парфенон в Афинах, собор Парижской Богоматери в Париже, «Джоконду» Леонардо да Винчи (рис. 160), причём для композиционного построения картины Леонардо исполь¬зовал и золотой треугольник, и золотой прямоугольник. При раскоп¬ках археологи обнаружили циркули, которыми пользовались архи¬текторы и скульпторы античного мира. Оказалось, что в них также за-ложены пропорции золотого сечения.
В Средние века многое, что почиталось в античном мире, в том чис¬ле и золотое сечение, было предано забвению. Интерес к этому удиви¬тельному геометрическому феномену возобновился в эпоху Возрожде¬ния. В 1509 г. в Венеции была издана книга итальянского математика Л. Пачоли (1445—1517) «Божественная пропорция». Есть предполо¬жение, что роскошные иллюстрации к ней сделал Леонардо да Винчи. Книга была своеобразным гимном золотому сечению!
А. Дюрер (1471—1528), немецкий художник и теоретик искус¬ства, разрабатывая теорию пропорций человеческого тела, также отво¬дил важное место золотому сечению (рис. 161). Тело человека делится в золотых пропорциях линией пояса, линией, проведённой через кон¬чики средних пальцев опущенных рук, нижняя часть лица — ртом и т. д. Пропорции золотого сечения были разработаны и для соотноше¬ния длины плеча, предплечья и кисти, кисти и пальцев и т. д.

Рис. 161. Пропорции человеческого тела по А. Дюреру
ЗОЛОТЫЕ ПРОПОРЦИИ В ПРИРОДЕ. Кеплер первым обратил внимание на значение золотой пропорции для ботаники. Естествоиспытатели всё чаще и чаще находили в природных объектах воплощение этого само¬го гармоничного соотношения (рис. 162).
Рис. 162. Золотые пропорции в природе (яйцо, ящерица, спираль раковины, ветка цикория)

В середине XIX в. немецкий исследователь
А. Цейзинг (1810—1876) объявил золотое се-
чение универсальным для всех явлений при-
роды и произведений искусства. Он проверял
свою теорию на греческих статуях, вазах, ар-
хитектурных сооружениях, растениях, жи-
вотных, птичьих яйцах, музыкальных тонах,
стихотворных размерах. Однако к утвержде-
ниям о повсеместности золотого сечения
в природе и искусстве следует относиться
с осторожностью. Часто это может оказаться
простым совпадением или результатом под-
гонки.
Лабораторный опыт \
Измерьте параметры кисти своей руки, как показано на рисунке 163. Вычислите отношения величин a : b; b : c; c : d; d : e. Какое из от¬ношений наиболее близко к золотому сечению? Сравните результаты ваших измерений с результатами одноклассников.
ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ В КИНЕМАТОГРАФЕ, ПОЭЗИИ, МУЗЫКЕ. Полагают, что С. Эйзенштейн также построил свой фильм «Броненосец “Потём¬кин”» по правилам золотого сечения. Он разбил ленту на пять равных по времени частей. В первых трёх действие происходит на корабле, в двух последующих эпизодах показано восстание. Этот переход точно совпадает с точкой золотого сечения.
Другим примером использования золотого сечения в кино, фотогра¬фии, живописи является расположение главных объектов изображе¬ния в особых точках — зрительных центрах, которые находятся на 3 5
расстоянии и от рамки кадра или полотна.

Исследование золотого сечения в музыке впервые провёл музыко¬вед, пианист и композитор Э. К. Розенов (1861—1935). В 1925 г. он изложил результаты этого исследования в статье «Закон золотого сече¬ния в поэзии и музыке». Розенов показал, что многие музыкальные произведения эпохи барокко и классицизма, в том числе композиции Баха, Моцарта, Бетховена, построены на основе божественной пропор¬ции.
РЯД ФИБОНАЧЧИ, СПИРАЛЬ АРХИМЕДА И ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ. С исто¬рией золотого сечения связано имя первого крупного математика сред¬невековой Европы Леонардо Пизанского, известного под именем Фи¬боначчи (1180—1240).

В 1202 г. в своей выдающейся «Книге абака» он собрал помимо большого количества математических сведений все известные тогда задачи. В их числе была и очень занятная задача про кроликов, вот её условие:
«Пару кроликов поместили в огороженный вольер. Сколько пар кроликов родится в вольере в течение года, если через месяц каждая пара кроликов производит на свет другую пару, а потомство кролики приносят со второго месяца после своего рождения?»
Поскольку первая пара кроликов — новорождённые, то на второй месяц они не дадут приплода, и останется одна пара. На третий месяц они произведут одну пару: 1 + 1 = 2. На 4-й месяц из двух пар потом¬ство даст лишь одна пара (вторая ещё не даёт приплода): 2 + 1 = 3 па¬ры. На 5-й месяц две родившиеся на 3-й месяц пары дадут потомство: 3 + 2 = 5 пар (рис. 164). На 6-й месяц потомство дадут только те пары, которые родились на 4-м месяце: 5 + 3 = 8 пар и т. д.
Размышляя над подобным явлением, Фибоначчи вывел следующий ряд цифр:
Месяцы 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 и т. д.
Пары кроликов 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 и т. д.
ё
ё
Рис. 164. Задача о кроликах

Таким образом, из данной задачи выводится устойчивая закономер-
ность, и эти числа образуют знаменитую последовательность: 1, 1, 2,
3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233… Сами числа называются числами
Фибоначчи, а их последовательность — последовательностью Фибо-
наччи.
Всё достаточно просто, как всё великое. В чём же необычность этой
последовательности, почему она пережила столетия, какова её связь
с золотым сечением?
Оказывается, каждый член последовательности, начиная с третье-
го, равен сумме двух предыдущих: 2 + 3 = 5; 3 + 5 = 8; 5 + 8 = 13;
8 + 13 = 21; 13 + 21 = 34 и т. д., а отношение смежных чисел ряда при-
ближается к отношению золотого сечения 0,618.
Ряд Фибоначчи остался бы всего лишь математической последова-
тельностью, если бы естествоиспытатели и искусствоведы неизменно
не приходили бы к этому ряду как к арифметическому выражению за-
кона золотого сечения.
Представление о последовательности Фибоначчи и золотом сече-
нии дополняет спираль, очень распространённая в природе. Если уве-
личение шага спирали вести в соответствии с последовательностью
Фибоначчи, мы получим идеальную спираль, полностью повторяю-
щую геометрию завитой раковины. Подобную раковину и соответству-
ющую ей спираль изучал ещё Архимед. Выведенное им уравнение
спирали и сама спираль с тех пор носят его имя (рис. 165). В настоящее
время закономерность спирали Архимеда широко применяется в тех-
нике.
В природе многие процессы развиваются именно по спирали. На-
пример, по спирали метель закручивает снежные массы, по спирали
зарождается и раскручивается ураган, спира-
леобразно паук плетёт свою паутину, спираль
прослеживается в расположении семян под-
солнечника, двойной спиралью закручена мо-
лекула ДНК. Гёте называл спираль «кривой
жизни». Наверное, потому что и сама наша
жизнь течёт по спирали: и добро, и зло обяза-
тельно возвращаются к человеку на следую-
щем её витке.
Рис. 165. Спираль Архимеда
БИОНИКА, ЕЁ СУТЬ И ЗАДАЧИ. АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ БИОНИ¬КА. Возможно, кто-то из вас мечтает о профессии архитектора, строи¬теля, дизайнера. Представителей этих профессий тоже можно назвать людьми искусства — искусства воплощения красоты и функциональ¬ности в камне, металле и бетоне. Одним из научных направлений, свя¬зывающих естествознание с архитектурой, стала бионика.

Бионика — наука, представляющая собой синтез биологии и техники, решающая инженерные задачи на основе изучения и ис¬следования структуры и жизнедеятельности организмов.
С помощью бионики люди пытаются использовать достижения при¬роды, уникальные свойства и структуру живых систем в решении тех¬нических вопросов.
Основоположником бионики считают Леонардо да Винчи. Он пер¬вый при разработке своего летательного аппарата пытался скопиро¬вать принцип работы и строения птичьего крыла, которое за счёт взма¬хов создаёт подъёмную силу.
Впоследствии достижения естествознания, открытия в биологии, химии, экологии поражали учёных гениальностью «устройства» при¬родных объектов. Для создания сверхпрочных конструкций инжене¬ры изучали строение крыльев насекомых, некоторые оптические си¬стемы основаны на строении нашего глаза, а система сотовой связи потому так называется, что покрывает территорию доступа в сеть, подобно пчелиным сотам.
Считается, что принципы бионики при сооружении зданий пер¬вым использовал каталонский архитектор конца XIX — начала XX в. А. Гауди (1852—1926). Он не просто привнёс в архитектурные соору¬жения декоративные элементы природы, а придал постройкам ха¬рактер окружающей среды. Архитекторы, ландшафтные дизайнеры и просто ценители прекрасного до сих пор не перестают восхищаться гениальными архитектурными решениями Гауди при сооружении Парка Гуэля — чего стоит только своеобразная колоннада, выполнен¬ная в стиле античных портиков и представляющая собой подобие срос¬шихся стволов деревьев (рис. 166).
С развитием научных методов, углубления знаний о природе архи¬текторы пришли к выводу, что решение большинства проблем, над ко-
Рис. 166. Парк Гуэля в Барселоне. 1900—1914

торыми человечество билось тысячелетиями, находилось у нас под са-
мым носом — в окружающей природе. Поэтому главной задачей био-
ники в архитектуре является поиск в природных биологических
системах оптимальных решений. Изучение формирования тканей
и строения живых организмов позволяло специалистам понять прин-
ципы экономии материала, энергии, обеспечения надёжности. Напри-
мер, у некоторых глубоководных моллюсков была позаимствована
«технология» создания слоистых конструкций. Их раковины состоят
из чередующихся жёстких и мягких слоёв. Для строительства приме-
нение этого принципа означает, что в случае деформации верхнего,
жёсткого, слоя следующий, мягкий, слой погасит разрушение и тре-
щина останется на поверхности, не распространяясь в глубь конструк-
ции. Эйфелева башня имеет конструкцию, сходную по строению
с берцовой костью человека, и благодаря этому обладает достаточной
прочностью. Современные высотные промышленные сооружения
и трубы выдерживают сильные порывы ветра потому, что принцип их
возведения позаимствован у стеблей злаковых растений, которые при
ветре гнутся, но не ломаются и быстро восстанавливают вертикальное
поло жение.
Именно привлечение в архитектуру знаний бионики сделало воз-
можным начало реализации одного из самых грандиозных строи-
тельных проектов современности — шанхайского «Города-башни»
(рис. 167). В 2023 г. в Шанхае
запланирована сдача в эксплуа-
тацию колоссального здания —
целого города с соответствую-
щей инфраструктурой. Население
башни составит не менее 100 тыс.
человек. «Город-башня» будет
иметь форму кипариса, высоту —
более 1200 м. В здании будет
300 этажей, расположенных в
12 вертикальных кварталах по
80 этажей в каждом. Конструк-
ция сооружения аналогична
строению ветвей и всей кроны
кипариса. Стоять башня будет на
свайном фундаменте, напомина-
ющем корневую систему дерева.
Воздух будет проходить сквозь
конструкцию башни, не встречая
сопротивления, поэтому она вы-
держит самые сильные порывы
Рис. 167. Макет «Города-башни» в Шанхае

ветра. Власти Китая, перед которыми остро стоит проблема перенасе-
ления, планируют построить несколько подобных сооружений.
ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВА НА НАУКУ И ИХ ТЕСНАЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ. Как это
ни парадоксально, но искусство, в свою очередь, оказывает влияние на
развитие научной мысли, в том числе и в области естественных наук.
Вы знаете, что в начале XX в. учёные ломали голову над загадкой стро-
ения атома. Модель Резерфорда, представляющая атом как миниатюр-
ную Солнечную систему, противоречила законам физики. Необходим
был абсолютно новый, не обременённый знанием классических пред-
ставлений подход к решению вопроса. Достоверно известно, что гени-
альному Нильсу Бору в открытии своей модели строения атома помог-
ло созерцание выдающихся произведений живописи. Бор был очаро-
ван абстрактным миром кубистов — П. Пикассо, Ж. Брака, Х. Гриса.
Он любил объяснять сущность кубизма посетителям выставок. Для
Бора очарование абстракционистов состояло в возможности разру-
шить классическое представление об объекте. Это позволило ему соз-
дать одну из величайших абстракций естествознания — свои постула-
ты. Вопреки всем законам физики при движении в ядре электрона эта
заряженная частица не излучает и не поглощает энергию. Поведение
электронов в атоме в представле-
нии Бора бросало вызов привыч-
ным устоям человеческого и на-
учного понимания. Понятно, что
объяснить дуализм электрона
(электрон одновременно является
и частицей, и волной) простыми
словами невозможно: подобно
картинам кубистов, научная аб-
стракция превращает действи-
тельность в ирреальное пятно,
действующее на подсознание от-
нюдь не словами, а созерцанием.
Сам Бор говорил: «Когда дело до-
ходит до атомов, язык может ис-
пользоваться только в качестве
поэзии». Электрон — это не «ма-
ленькая планета», а противоре-
чивые пятна мазков на картинах
кубистов, которые открывают
свой смысл только пристальному
наблюдателю с развитым вообра- Рис- 168 Л С- П°п°ва. П°ртрет
жением (рис. 168). философа. 1915

Многим знатокам изобразительного искусства известны работы голландского художника-графика М. К. Эшера. Он известен прежде всего своими гравюрами и литографиями, в которых мастерски ото¬бражал неожиданные аспекты понятий бесконечности, симметрии, а также особенности психологического восприятия трёхмерных объ¬ектов на плоскости. Однажды Эшер дал самому себе удивительно точ¬ную характеристику: «Хотя я абсолютно несведущ в точных науках, мне иногда кажется, что я ближе к математикам, чем к моим коллегам- художникам». Классическим произведениям Эшера присуще удиви- тeльное coчетaние виртуозной художественной техники и остроумное отображение логических и пространственных парадоксов (рис. 169).
Это ли не художественное воплощение теории относительности Эйнштейна, ступенька к пониманию фрейдовского психоанализа, ку¬бизма и иных достижений в области соотношения пространства и вре¬мени? И если ваша будущая профессия не будет связана с одной из естественных наук, восполнить знание о природе вам помогут произ-ведения искусства.
Два мира, две культуры — наука и искусство — должны взаимопро¬никать друг в друга, обогащая нас новыми идеями и новым понимани¬ем окружающего мира. Все мы только выиграем от того, что художни¬ки узнают о втором законе термодинамики, а учёные — о том, как были построены великие сооружения древними и средневековыми зодчими, что такое перспектива в живописи или приём сфумато (бук¬вально: исчезающий, как дым), разработанный Леонардо да Винчи.
Ваше изучение курса естествознания подошло к концу. Мы надеем¬ся, что с его помощью вы поняли: чем бы вам ни пришлось заниматься во взрослой жизни, неисчерпаемая глубина и красота окружающего мира поможет найти ответы на самые сложные жизненные вопросы.
Теперь вы знаете
► в чём заключается божественная пропорция и понятие золотого сечения
► как используется золотое сечение в произведениях искусства и архитек¬туры
► проявление золотых пропорций в природе
► как используется золотое сечение в кинематографе, поэзии, музыке
► понятия «ряд Фибоначчи», «спираль Архимеда» и «золотое сечение»
► что такое бионика, её суть и задачи, архитектурно-строительная бионика
► в чём заключается влияние искусства на науку и их тесная взаимосвязь
Теперь вы можете
► дать определение золотого сечения, привести примеры его использова¬ния в искусстве и архитектуре

► описать применение золотого сечения в кинематографе, поэзии, музыке, в природе
► объяснить, что такое ряд Фибоначчи, спираль Архимеда и как они связа¬ны с золотым сечением
► сформулировать, что такое бионика и где находят воплощение её прин¬ципы
► проиллюстрировать взаимосвязь природы и техники на примерах из био¬ники
► проанализировать взаимосвязь искусства и науки и их влияния друг на друга
Выполните задания
1. Объясните, что такое божественная пропорция и почему она является универсальным показателем красоты и гармонии.
2. Измерьте длину и ширину экрана вашего телевизора, монитора, экрана ноутбука, найдите отношение ширины к длине, в каком случае это отно¬шение ближе к золотому сечению, сравните это соотношение для техни¬ки прошлых лет и современной, сделайте вывод.
3. Приведён фрагмент последовательности Фибоначчи: …987, 1597, 2584…; вычислите два предыдущих и два последующих члена последовательно¬сти, запишите отношение двух соседних чисел, которые ближе к значе¬нию золотого сечения.
4. Найдите в Интернете и распечатайте изображение телебашни архитекто¬ра Шухова и шуховского маяка, объясните, какие природные аналоги можно считать прототипом их конструкции.
5. Многие технические решения позаимствованы человеком у природных объектов. Например, принцип работы зacтёжки-«липучки» нe что иное, как свойство обычного репейника. Найдите другие примеры подобных решений.
6. Мы уже обращались к известным строкам А. С. Пушкина:
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух,
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель.
Скажите, как теперь вы понимаете это стихотворение и какую роль здесь сыграло естествознание.
Темы для рефератов
1. КОАПП (Комитет по охране авторских прав природы) — детские радиопе¬редачи 1960—1970-х гг. о проблемах бионики. 2. Божественные пропорции

в живописи художников эпохи Возрождения. 3. Золотое сечение в ландшафт¬ном дизайне, композиции парков. 4. Золотое сечение в живой природе. 5. Гар¬мония — одна из форм прекрасного во все времена. 6. Красота природы в произведениях изобразительного искусства и литературы. 7. Искусство, че¬ловек, Вселенная: научная и художественная литература. 8. Нейробионика и искусственный интеллект. 9. Научная деятельность Фибоначчи и его волшеб¬ные числа. 10. Искусство и наука — двигатели цивилизации.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ 9 Изучение явления электромагнитной индукции
Цель работы: исследовать явление электромагнитной индукции и на¬учиться получать индукционный ток.
Оборудование: полосовой магнит, электромагнит разборный, милли¬амперметр, лабораторный источник питания, ключ, реостат, соедини¬тельные провода.
Ход работы
1. Соедините миллиамперметр с одной из катушек электромагнита.
2. Внося электромагнит в катушку, фиксируйте появление индук¬ционного тока в катушке и его направление. Повторите опыт, выдви¬гая магнит из катушки.
3. Изменяя скорость движения полосового магнита внутри катуш¬ки, исследуйте влияние скорости на значение силы индукционного тока.
4. Соберите цепь, состоящую из последовательно соединённых ис¬точника электрического тока, второй катушки электромагнита, рео¬стата и ключа. Расположите рядом с этой катушкой катушку электро¬магнита, соединённую с миллиамперметром.
5. Замыкая и размыкая цепь, проследите, возникает ли электриче¬ский ток в катушке, соединённой с миллиамперметром, при замыка¬нии и размыкании цепи и каково его направление.
6. Замкните цепь второй катушки, с помощью реостата изменяйте в ней силу тока. Проследите, возникает ли электрический ток в ка¬тушке, соединённой с миллиамперметром, при изменении силы тока в цепи и каково его направление.
7. Сделайте выводы относительно условий возникновения индукци¬онного тока, его направления и силы.

10 Золотое сечение и его отражение в произведениях искусства
Цель работы: научиться выполнять золотое сечение отрезка, чертить золотой треугольник и прямоугольник; освоить правило третей; на¬учиться анализировать произведения искусства на предмет соответст¬вия золотому сечению и правилу третей; научиться выстраивать ком¬позицию фотографии или рисунка с учётом правила третей. Оборудование: компьютер, подключенный к сети Интернет, цифро¬вой фотоаппарат, иллюстрации произведений живописи, архитекту¬ры, скульптуры и др.; бумага, линейка, циркуль, карандаш, альбом с репродукциями картин.
Ход работы
1. Построение золотого сечения отрезка.
Формально с помощью непосредственных измерений линейкой раз- де лить от ре зок в точ ке золо то го се че ния не воз мож но, по сколь ку чис ло Ф — иррациональное, равное 1,618033… Сделать это можно с исполь¬зованием циркуля и линейки, причём были найдены различные спосо¬бы построения. Применим для деления отрезка в золотой пропорции два наиболее простых.
Способ А. На листе бумаги начертите произвольный отрезок АВ.
Проведите перпендикуляр к отрезку АВ в точке В (рис. 170). Отло¬жите на нём отрезок BD = 2АВ. Из точки D проведите окружность ра¬диусом DK, где DK = АВ. Разделите отрезок АК пополам, отметьте точку Е,при этом АК = 2АЕ. Проведите циркулем дугу с центром в точке А и радиусом АЕ. Дуга пересечёт отрезок АВ в точке золотого се¬чения С.
D
А
В
А
Е
В
С
Способ А
С
Способ Б
Рис. 170. Деление отрезка в золотой пропорции двумя способами

Способ Б. На листе бумаги начертите произвольный отрезок АВ.
Разделите отрезок АВ пополам. Для этого из точек А и В проведите
циркулем две пересекающиеся дуги произвольного радиуса. Из полу-
ченной точки K опустите перпендикуляр на отрезок АВ. Он пересечёт
АВ ровно посередине, в точке М. Из точки В восставляется перпенди-
куляр. С помощью циркуля отложите на нём отрезок АЕ, равный по-
ловине АВ (проведите циркулем дугу из точки М с центром в точке В).
Полученную точку Е соедините с точкой А. На полученной линии от-
ложите циркулем отрезок ED, равный ЕВ. Отрезок AD перенесите
циркулем на прямую АВ. Полученная при этом точка С делит отрезок
АВ в соотношении золотой пропорции.
Произведите проверку. Измерьте длины отрезков АВ и АС на обоих
чертежах. Найдите отношения АВ/АС, АС/СВ и обратные им величи-
ны. Чему равны эти отношения с точностью до сотых?
2. Построение золотого треугольника.
Проведите вертикальную прямую, отметьте на ней точку А
(рис. 171). От точки А отложите на прямой трижды отрезок с произ-
вольной величины, через полученную точку Р проведите перпендику-
ляр к линии АР. На перпендикуляре вправо и влево от точек В и В1 от-
ложите отрезки с. Полученные точки ВиВ1
соедините прямыми с точкой А. Вы постро-
или золотой треугольник АВВ1.
Отложите с помощью циркуля отрезок
ВВ1 (откладываем на сторону АВ). Получен-
ная точка С делит отрезок АВ в пропорции
золо то го се че ния. Про ведите про вер ку, най-
дя соотношение АВ/АС.
3. Построение золотого прямоугольника.
Начертите квадрат и разделите его на два
равных прямоугольника (рис. 172, а). В од-
ном из прямоугольников проведите диаго-
наль АВ (рис. 172, б). Циркулем проведите
окружность радиусом АВ с центром в точке А
(рис. 172, в). Продолжите основание квадра- Рис. 171. Построение
та до пересечения с дугой в точке Р и прове- золотого треугольника
N
М
г
Рис. 172. Построение золотого прямоугольника

ди те под прямым углом вторую сторо ну золо то го пря моуголь ни ка
MNKP (рис. 172).
Проверьте соотношение длин сторон МР/РK, убедитесь, что оно
близ ко к золо то му се че нию.
Более того, прямоугольник со сторонами ВK и РK получился тоже
золотым! Невероятно, но, отрезав от него квадрат со стороной ВK,
вы получите новый золотой прямоугольник и так до бесконечности.
Выполните две-три стадии такого деления и проведите соответствую-
щие рас чёты в под тверж де ние соблюде ния золо той про пор ции.
Вы научились находить, казалось бы, совершенно ординарную точ-
ку на обычном отрезке, строить неприметные на первый взгляд тре-
уголь ник и прямоуголь ник. Меж ду тем эти фи гу ры обес пе чи ва ют кра-
соту, гармонию и соразмерность в окружающем нас мире.
4. Правило третей.
Ещё в эпоху Возрождения художники открыли, что любая картина
име ет оп ре де лён ные точ ки, не воль но при ко вы ваю щие на ше вни ма-
ние, так называемые зрительные центры. При этом абсолютно неваж-
но, ка кой фор мат име ет кар ти на — гори зон таль ный или вер ти каль-
ный. Та ких то чек все го че ты ре, они де лят величи ну изобра же ния
по гори зон та ли и вер ти ка ли в золо том се че нии, т. е. рас положе ны на
рас стоя нии при мер но 3/8 и 5/8 от со от вет ст вую щих кра ёв плоскости
(рис. 173).
Данное открытие у художников того времени получило название
«золотое сечение картины». Поэтому, для того чтобы привлечь внима-
ние к глав но му элемен ту изобра же ния, не об ходи мо сов мес тить этот
элемент с одним из зрительных центров.
Принцип построения композиции, основанный на упрощённом зо-
лотом сечении картины, называют правилом третей. Оно заключается
в том, что при оп ре де ле нии зри тель ных цент ров изо бра же ние де лит ся
линиями, параллельными его сторонам, в пропорции 5 : 8, или 3 : 5,
или 1 : 2 (т. е. сосед ние чис ла последова тель нос ти Фи бо нач чи).
Найдите в сети Интернет и изучи-
те пра ви ло тре тей и его при ме не ние в
построении композиций фотографий, ри-
сун ков, кар тин, реклам ных изо бра же-
ний. Для этого можно воспользоваться
материалами «Википедии», а также сай-
та ми:

5. Анализ произведений искусства на соответствие правилу тре¬тей.
Из альбома с репродукциями проанализируйте на соответствие пра¬вилу третей не менее 10 картин. Композиция какой из них наиболее соответствует золотому сечению картины?
Для выполнения данного задания можно воспользоваться возмож¬ностями Интернета. На сайте найдите цифровой об¬разовательный ресурс «Золотое сечение. Практическая исследова¬тельская работа». Выполните содержащееся там задание.
6. Практическое использование правила третей.
Снимите цифровым фотоаппаратом различные объекты, например человека, природу, здание, скульптуру, интерьер и т. д. При постро¬ении композиции используйте правило третей, а именно:
а) при фо то гра фи ро ва нии пей за жей ис поль зуйте гори зон таль ные ли нии сет ки для гори зон та, сты ка воды и зем ли (побе режье озе ра, мо¬ря и т. д.);
б) в фотографировании портретов используйте горизонтальные ли¬нии для расположения глаз или, в групповых снимках, голов;
в) ис поль зуйте вер ти каль ные ли нии сет ки для та ких ве щей, как де¬ревья, водопады, специфические детали архитектуры или просто для че ло ве ка с фо ном за ним;
г) ста рай тесь по мес тить спе ци аль ные фо кус ные точ ки в углах сред¬не го прямоуголь ни ка (на пе ре се че ни ях ли ний).
Перенесите фотографии на компьютер, выберите пять лучших. Проанализируйте их на предмет выполнения правила третей.
Проведите в классе конкурс на лучшую фотографию.

Учебник по Естествознанию 11 класс, часть 8

Назовите природные и полученные искусственным путём радиоактив¬ные элементы, а также имена учёных, занимавшихся исследованием радиоактивности.
2. Перечислите достоинства и недостатки атомной энергетики.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТО¬РА. Год от года в мире растёт потребление электроэнергии. Это и понят¬но: развивается промышленное производство, увеличивается выпуск энергоёмкой продукции, даже в быту мы используем всё больше и больше электроприборов, делающих нашу жизнь удобной и комфорт¬ной. При этом нас больше волнует стоимость «потраченного» киловат¬та, нежели проблемы производства электроэнергии и её передачи на колоссальные расстояния от производителя до потребителя. Мы пола¬гаем, что потребляем уже произведённую электроэнергию, значит, по нашим представлениям, выгоднее её продавать, чем экономить. Вме¬сте с тем всё нарастающий спрос на электроэнергию при непрерывном истощении природных ресурсов для её производства постепенно пре¬вращается в глобальную проблему человечества.
Для начала давайте вспомним, что же такое электрический ток и каким образом он образуется в металлических проводниках.
Электрический ток — это направленное движение заряжен¬ных частиц под действием электрического поля.

» Напомним, что свободными за-ряженными частицами в ме¬таллах являются электроны.
В этом параграфе мы будем рассматривать электрический ток в ме
таллах.
Заставить электроны совершать
направленное движение в металли-
ческом проводнике можно различ-
ными способами: под действием маг-
нитного поля (электрогенераторы),
за счёт протекания химической ре-
акции (химические источники тока), преобразованием солнечной
энергии в электрическую (солнечные батареи) и т. д.
В 1831 г. английский физик М. Фарадей (1791—1867) открыл яв¬ление электромагнитной индукции. Он изготовил из мягкого железа кольцо, обмотал его изолированной медной проволокой, по которой пропускал ток от гальванического элемента. Вокруг обмотки появ¬лялось магнитное поле, которое пронизывало железное кольцо и ин¬дуцировало в нём направленное движение электронов, т. е. электри¬ческий ток. При этом обязательным было условие: магнитное поле, которое пронизывает кольцо, должно быть не постоянным, а изменяю¬щимся. Только при изменении магнитного поля, пронизывающего по¬верхность, ограниченную замкнутым контуром, в нём возникает элек-трический ток.
Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при изменении маг-нитного поля, проходящего через него.
Для получения электрического тока можно использовать и посто-
янный магнит, только для того, чтобы пронизывающее рамку маг-
нитное поле изменялось, она должна в магнитном поле вращаться
(рис. 137). На этом рисунке схематично показана конструкция устрой-
ства, которое позволяет получать электрический ток, — электрогене-
ратора. Только в реальном генераторе метал-
лическая рамка не одна, а множество, но все
они имеют одну ось вращения (подвижная
часть генератора называется ротором, а не-
подвижная часть с постоянным магнитом —
статором). Остаётся только решить вопрос,
кто же будет вращать ротор электрогенерато-
ра за условную ручку, показанную на рисун-
ке 137, чтобы в промышленном масштабе пре-
образовывать механическую энергию в элек-
трическую.
Рис. 137. Схема устрой-ства электрического генератора

ВИДЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ. В зависимости от того, какие силы «вдыха¬ют жизнь» в электрогенерирующее устройство — иначе говоря, в за¬висимости от источника энергии, — различают гидроэнергетику, те¬пловую энергетику, атомную энергетику, а также альтернативную (не¬традиционную) энергетику (ветровую, геотермальную, водородную и др.).
На гидроэлектростанциях (ГЭС) лопасти турбин вращает поток падающей воды (рис. 138). Для строительства ГЭС необходимо пере¬крывать русло, обеспечивать значительный перепад высот между уровнем водохранилища и «продолжением» реки, тем самым серьёзно вторгаясь в естественные природные процессы.
На тепловых электростанциях (ТЭС) за счёт сжигания органиче¬ских природных ископаемых (природный газ, каменный уголь) или продуктов нефтепереработки (мазут) нагревают воду, получают водя¬ной пар или раскалённые газы, которые вращают лопатки турбины, соединённой с электрогенератором (рис. 139). Помимо электрической энергии, ТЭС вырабатывает тепло, которое подаётся в наши дома в виде горячей воды для потребления и отопления. Понятно, что для ра¬боты тепловой электростанции требуется огромное количество топли¬ва, а при его сжигании образуются дымовые газы, загрязняющие ат¬мосферу.
Конечно, каждый из вас знает, что одним из самых современных способов получения электроэнергии является превращение энергии радиоактивного распада (ядерной энергии) в электрическую на атом¬ных электростанциях (АЭС). Проблему атомной энергетики сегодня активно обсуждают все — от домохозяек до руководителей ведущих держав. Объяснение этому очень простое: с одной стороны, альтерна-

Подготовка
газа
15…30%
Котёл-утилизатор
Потребители
тепла
100%
Топливо
35…55%
Электроэнергия
Паровая 30…40%
турбина
Тепловая
энергия
Рис. 139. Схема устройства тепловой электростанции
тивы атомной энергетике для промышленно развитых стран в настоя¬щее время нет, с другой стороны, ужасные катастрофы Чернобыля и Фукусимы — весомые аргументы противников строительства и экс¬плуатации АЭС.
РАДИОАКТИВНОСТЬ, ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. Чтобы составить своё соб¬ственное, аргументированное и обоснованное мнение по проблеме атомной энергетики, вам необходимо знать основополагающие прин¬ципы использования энергии ядерных реакций.
Атомы большинства химических элементов могут существовать сколь угодно долго, т. е. являются стабильными. Однако в природе встречаются элементы, атомы которых самопроизвольно распадают¬ся, при этом образуют «осколки» меньшей атомной массы (это атомы других химических элементов) и выбрасывают р- и (или) а-частицы. Такие элементы (как и вещества, их содержащие) называют радиоак¬тивными.
Превращение атомов одних элементов в другие называют ядерной реакцией, в ходе таких реакций выделяется огромное количество энергии.
Например, к природным радиоактивным элементам относятся тех¬неций (Тс), радий (Ra), уран (U), а также все расположенные в перио¬дической таблице за ураном элементы (их называют трансурановые). Кроме того, искусственным путём с помощью ядерных реакций полу-

чены элементы, никогда не встречающиеся в природе, например элемент № 101 менделе¬вий (Md).
Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком, лауреатом Но¬белевской премии А. А. Беккерелем (1852— 1908) при исследовании природного минерала урана — уранинита (или урановой смолки). Двумя годами позже М. Склодовская-Кюри (1867—1934) открыла ещё два радиоактивных элемента — радий ^а) и полоний (Ро). Для получения 1 г радия Марии Кюри пришлось вручную переработать 8 т руды!
Протеканию ядерной реакции может спо¬собствовать внешнее воздействие на атом, на¬пример бомбардировка его нейтронами.
В 1939 г. произошло открытие, положившее начало использованию энергии радиоактивно¬го распада. Австрийский физик Л. Мейтнер (1878—1968) и немецкий химик О. Ганн (1879—1968) обнаружили, что при поглоще¬нии атомом урана одного нейтрона ядро распа-дается на два «осколка» — атомы более лёгких элементов (бария (Ва) и криптона (Kr)), при этом снова выбрасывается 2—3 нейтрона и вы¬деляется гигантское количество энергии — в 50 млн раз больше, чем при сжигании такого же количества угля! Упрощённо уравнение протекающей ядерной реакции можно запи¬сать так:
U + n —► Ba + Kr + 3n + Q.
Высвобождающиеся нейтроны способны инициировать распад новых атомов урана. При достаточном количестве радиоактивного вещества (его масса называется критической массой) протекает неуправляемая ядерная ре¬акция, приводящая за доли секунды к выбро¬су гигантского количества энергии, т. е. ядер¬ному взрыву. Помимо огромной разрушитель¬ной силы ядерный взрыв приводит к зараже¬нию больших территорий радиоактивными продуктами распада, губительными для всего

живого. Так выдающееся открытие положило
начало созданию самого изуверского оружия
XX в. — атомной бомбы.
В те годы мир стоял на пороге Второй миро-
вой войны. К счастью, ни фашистская Герма-
ния, ни СССР до 1945 г. не смогли создать
ядерное оружие, вероятность применения ко-
торого была бы чрезвычайно велика. Но, к не-
счастью, создать атомную бомбу и испытать её
6 августа 1945 г. на японском городе Хироси-
ма, а 9 августа того же года — на Нагасаки
смогли Соединённые Штаты Америки. Моно-
полизм США в создании ядерного оружия
длился недолго: 29 августа 1949 г. на полигоне
в Семипалатинске Советский Союз провёл первые испытания соб-
ственной атомной бомбы. Был достигнут паритет, значительно умень-
шивший вероятность повторного применения ядерного оружия.
Но для наработки радиоактивной «начинки» для атомной бомбы необходимо было построить реактор, в котором протекает контроли¬руемая ядерная реакция. Запуск первого ядерного реактора состоялся в декабре 1942 г. под трибунами стадиона университета в Чикаго.
ПРИНЦИП РАБОТЫ АТОМНОЙ СТАНЦИИ. Уже в ходе первых экспери¬ментов на ядерном реакторе выяснилось, что энергию, которая выде¬ляется в ходе ядерной реакции, можно использовать не только в воен¬ных, но и в мирных целях, в частности для превращения её в энергию
электрическую. Не удивительно,
что именно в СССР, познавшем
все тяготы войны и выступавшем
за запрет применения ядерного
оружия, в 1954 г. была запущена
первая в мире атомная электро-
станция в г. Обнинске Калужской
области.
Сердцем АЭС (рис. 140) являет-
ся атомный реактор, в котором
протекает контролируемая ядер-
ная реакция, например деление
урана. Ещё раз взгляните на при-
ведённое выше уравнение ядер-
ной реакции. Чтобы замедлить её
скорость и контролировать про-
цесс, необходимо «выключить из
Рис. 140. Внешний вид Балаковской АЭС

игры» лишние выделяющиеся нейтроны. С этой целью используют так называемые замедлители нейтронов — графитовые стержни. Они тормозят скорость движения нейтронов до такой степени, что те стано¬вятся неспособными вызывать деление урана. Чем глубже введены стержни в зону реакции, тем ниже её скорость.
Ядерное топливо находится в тонкостенных металлических труб¬ках, собранных в батарею. Энергия, выделяющаяся в ходе реакции, нагревает воду, омывающую трубки. Вода закипает, превращается в пар. Подавать такой пар непосредственно на турбину, соединённую с электрогенератором, опасно, поскольку он радиоактивен, поэтому его нежелательно выводить за защитную оболочку реактора. Полученный пар нагревает и испаряет воду во втором водяном контуре, именно этот вторичный теплоноситель вращает лопасти паровой турбины, соеди¬нённой с валом генератора. Затем пар охлаждается, превращается в воду и по замкнутому циклу вновь подаётся в реактор. Таким образом, большинство АЭС по принципу генерации электроэнергии мало чем отличаются от ТЭС и представляют собой… своеобразную паровую ма¬шину!
Однако преимущества АЭС состоят в том, что они сжигают в сотни тысяч раз меньше горючего, чем ТЭС, не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания, гораздо более производительны и экологичны, чем станции на органическом топливе.
АЭС НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ. Достаточно трудоёмкой и дорогостоя¬щей процедурой является выработка ядерного топлива для АЭС, ведь изотопа урана с относительной атомной массой 235 в природной руде всего 0,7%. Урановую руду приходится обогащать. А вот урана-238 — 99,3%, однако под действием так называемых медленных нейтронов достичь его распада не удаётся. Физики, инженеры, конструкторы нашли способ заставить уран-238 делиться, для этого нужно исполь¬зовать нейтроны, обладающие большой энергией, — быстрые нейт¬роны.
Быстрые нейтроны поглощаются атомами урана-238, которые по¬сле серии ядерных реакций превращаются в атомы плутония (Ри) — элемента с высокой радиоактивностью. В свою очередь, плутоний мо¬жет быть использован в качестве ядерного горючего, а также служить «начинкой» атомного оружия. Получается, что реактор на быстрых нейтронах производит не только электроэнергию, но и новое ядерное топливо! Вот только теплоносителем в «быстрых» реакторах вода уже быть не может: наряду с графитом она является замедлителем нейтро¬нов. Альтернативный вариант, который выбрали учёные, таков: в ка¬честве теплоносителя в первичном контуре используется не газ, не вода, а расплавленный металл, чаще всего натрий (его температура

плавления составляет всего +97,8 °С). Металл, обладая очень высокой теплопроводностью, быстро нагревается и передаёт энергию теплоно¬сителю смежного контура — воде. Но ведь натрий — очень активный щелочной металл, он энергично взаимодействует с водой с выделением водорода, который горюч, а в смеси с кислородом или воздухом взры¬воопасен:
Значит, натриевый контур должен быть гарантированно изолиро¬ван от попадания влаги. Несмотря на высокую степень риска, эксплуа¬тация «быстрых» АЭС очень выгодна. Главное их преимущество в том, что они производят больше ядерного топлива, чем сжигают. Из каж¬дых 100 кг урана после ядерной реакции образуется 120—140 кг ра-диоактивного плутония, который также можно использовать в каче¬стве топлива для АЭС. Благодаря этой особенности такие реакторы на¬зывают бридерами (от англ. breeder — производитель). Кроме того, мировых запасов урана-238 в 140 раз больше, чем урана-235, их хва¬тит на ближайшие 10 тыс. лет. Реакторы на быстрых нейтронах позво¬ляют использовать в качестве топлива торий (Th), количество которо¬го в земной коре в 4 раза больше, чем урана.
Первая советская АЭС на быстрых нейтронах была запущена в 1972 г. в г. Шевченко (ныне Актау, Казахстан). Россия и поныне яв¬ляется мировым лидером в этой области атомной энергетики. Более 30 лет без сбоев работает блок на быстрых нейтронах на Белоярской АЭС в Свердловской области.
АТОМНОЕ СУДОХОДСТВО. РИТЭГИ. Атомная энергия служит человече¬ству не только на АЭС. В 1954 г. в США была спущена на воду первая в мире атомная подводная лодка «Наутилус», а три года спустя — ана¬логичная субмарина К-3 «Ленинский комсомол» в Советском Союзе. Два атомных реактора, разместившихся в корпусе подлодки, вращают не только роторы электрогенераторов для обеспечения судна электро¬энергией, но и валы гребных винтов.
Годом позже ходовые испытания прошёл первый отечественный атомный ледокол «Ленин». Три его реактора вырабатывали электро¬энергию для электродвигателей, приводивших в действие три гребных винта. Всего в нашей стране было построено 9 атомных ледоколов, проложивших во льдах Северного Ледовитого океана пути для тысяч судов. Основное преимущество атомного судоходства состоит в том, что силовая установка расходует в десятки тысяч раз меньше топлива, чем обычные суда, может автономно работать без пополнения топлив¬ных запасов месяцами и даже годами.
2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н2; 2Н2 + О2 = 2Н2О.

Это же стало основополагающим при создании долго живущих ис-
точников тока.
Вспомним явление, которое лежит в основе одного из типов источ-
ника тока. Возьмём два проводника из разных металлов и соединим
их концы. В цепь включим прибор, позволяющий регистрировать на-
личие электрического тока. Одно из соединений металлов будем нагре-
вать, а другое — охлаждать. Гальванометр покажет наличие тока в
цепи. Такое устройство называется термоэлементом. А теперь пред-
ставьте, что нагревать одно из соединений мы будем за счёт энергии
ядерной реакции, а для охлаждения другого достаточно температуры
окружающей среды. Поскольку ядерная реакция может продолжать-
ся годами и десятилетиями, мы получим долго живущий источник
тока! Именно на этом принципе и основана работа радиоизотопных
термоэлектрических генераторов — РИТЭГов. Такие источники
тока устанавливаются на навигационных маяках и радиомаяках, рас-
положенных в тысячах километрах от населённых пунктов, на косми-
ческих аппаратах, десятки лет летящих к далёким планетам Солнеч-
ной системы, на глубоководных станциях.
ВОПРОС БЕЗОПАСНОСТИ. КРУПНЕЙШИЕ АВАРИИ НА АЭС. Одной из
глобальных проблем человечества является ответ на вопрос: насколь-
ко безопасна атомная энергетика? Как велик риск ядерной катастро-
фы в результате техногенных аварий или природных явлений на атом-
ных электростанциях? Стоит ли
развивать атомный энергетиче-
ский комплекс или искать альтер-
нативные, более безопасные пути
получения электрической энер-
гии?
У противников АЭС есть весь-
ма серьёзные аргументы — ава-
рии на действующих электростан-
циях. Первый звоночек прозвенел
28 марта 1979 г. на АЭС «Три-
майл-Айленд» в штате Пенсиль-
вания (США). В результате отказа
насосов системы охлаждения в ре-
акторе стала резко повышаться
температура. Были включены ре-
зервные насосы, но по роковой
ошибке персонала задвижки на
пути охлаждающей жидкости
оказались закрыты. Температура
Рис. 141. Разрушенный энергоблок Чернобыльской АЭС

поднялась до +2200 °С. Хотя ядерное топливо частично расплавилось,
оно не прожгло корпус реактора, и радиоактивные вещества остались
в основном внутри. Для снижения давления блока сработал аварий-
ный клапан, и в атмосферу было выброшено большое количество радио-
активного пара, благородных газов и водорода. Территория станции
также была загрязнена радиоактивной водой, вытекшей из первого
контура. Эта авария считается одной из крупнейших в мире.
Семь лет спустя, 26 апреля 1986 г., произошла Чернобыльская ка-
тастрофа, потрясшая весь мир.
Примерно в половине второго ночи на 4-м энергоблоке Чернобыль-
ской АЭС произошёл взрыв, кото-
рый полностью разрушил реактор
(рис. 141). Здание энергоблока ча-
стично обрушилось, начался по-
жар. Смесь из расплавленного ме-
талла, песка, бетона и ядерного
топлива растеклась по помеще-
ниям. В результате взрыва прои-
зошёл выброс в окружающую среду радиоактивных веществ, в том
числе урана и плутония. Облако радиоактивных веществ прошло над
большей частью территории Европы, выпадение радиоактивных осад-
ков отмечено на значительных территориях Украины, Белоруссии
и России.
Более 30 человек погибли в течение первых трёх месяцев после ава¬рии. Отдалённые последствия облучения, выявленные за последую¬щие 15 лет, стали причиной гибели десятков человек. Более 115 тыс. жителей были эвакуированы из 30-километровой зоны вокруг стан¬ции. В ликвидации последствий аварии принимало участие более 600 тыс. человек.
Чернобыльская авария расценивается как крупнейшая в своём роде за всю историю ядерной энергетики — как по предполагаемому коли¬честву погибших и пострадавших от её последствий людей, так и по масштабам экономического ущерба.
Третья крупнейшая авария на АЭС по характеру развития напоми¬нает американскую трагедию. 11 марта 2011 г. вблизи японского острова Хонсю произошло сильнейшее землетрясение магнитудой 9 баллов. Подземные толчки привели к сбоям в системе охлаждения нескольких энергоблоков атомной электростанции «Фукусима-1». Температура внутри реакторов начала быстро расти, перегретый водя¬ной пар стал реагировать с металлом тепловыделяющих элементов с образованием водорода. Когда давление достигло критического значе¬ния, водород вырвался в атмосферу и, соединившись с кислородом воздуха, взорвался. Весь мир облетели кадры огненного столба над
Нуклиды, цезий, фон, Чернобыль… Кружилась, никла голова.
И так нам нужно было, чтобы Сном стали все эти слова.
В. Глущенко

зданием станции, частично разрушившего строительные конструк¬ции. Но сам реактор устоял. Расплавленное ядерное топливо стекло на дно корпуса. Для его охлаждения использовались все возможные силы и средства: энергоблок поливали из пожарных и военных машин, сбрасывали тонны воды с вертолётов. Удалось решить главную зада¬чу — не допустить образования трещины в реакторе и расплавления его бетонного основания раскалённой лавой.
Приведённые примеры ярко показывают, насколько опасно халат¬ное, не отвечающее правилам техники безопасности использование ядерной энергетики. Тем не менее, несмотря на серьёзную опасность, развитие общества уже немыслимо без использования энергии атома: масштабы применения радиоактивных веществ в энергетике, косми¬ческой технике, медицине, биологии, геологии растут с каждым днём.
В 2011 г. атомные электростанции работали в 30 государствах мира, в общей сложности эксплуатируется 436 энергоблоков. В ближайшее время вступить в ядерный клуб собираются ещё 14 держав. Доля атом¬ной энергетики в энергетическом комплексе России в 2011 г. составля¬ла 16%, до 2030 г. эту цифру планируется увеличить до 30%. В энерго-балансе Японии на атомную энергетику приходится 28%, Франции — 78%. Экономика развитых стран уже не в состоянии отказаться от атомного электричества. Выход один: повышать степень безопасности имеющихся, а особенно строящихся АЭС. После японской трагедии ряд стран приостановили свои ядерные программы. Правительство Германии приняло решение о запрете эксплуатации АЭС, построен¬ных до 1980 г. Следующий шаг в решении вопроса, быть или не быть ядерной энергии на службе человечества, — за вашим поколением.
Теперь вы знаете
► как получают электрический ток с помощью электрогенератора
► какие существуют виды электростанций
► что такое радиоактивность, ядерные реакции
► принцип работы атомной станции
► как работает АЭС на быстрых нейтронах
► как решаются вопросы безопасности на АЭС
Теперь вы можете
► объяснить устройство и принцип работы электрогенератора
► дать сравнительную характеристику разных видов электростанций ГЭС, ТЭС и АЭС

► перечислить трансурановые элементы таблицы Д. И. Менделеева
► описать принцип действия термоэлектрического генератора
Выполните задания
1. Опишите явление электромагнитной индукции.
2. Опишите устройство ГЭС, ТЭС и АЭС.
3. Охарактеризуйте ядерный взрыв и контролируемый ядерный процесс.
4. Назовите области применения атомной энергии.
Темы для рефератов
1. История открытия радиоактивности. 2. Ядерный клуб. 3. Развитие атомной энергетики в нашей стране. 4. Чернобыль и Фукусима — сравнительный ана¬лиз. 5. Мирный атом и атомная война в литературе и кинематографе. 6. Радиа¬ция: генетические последствия.
w . Продовольственная проблема
и пути её решения
\
1. Сравните голод в России в 1921 —1922 гг. и голод в СССР в 1932— 1933 гг., назовите их причины и масштабы.
2. Назовите страны с самым большим по численности населением, пока¬жите их на карте.
3. Приведите примеры произведений литературы, искусства, кинемато¬графа, в которых «главным героем» является голод.
4. Объясните, как вы понимаете слова Ф. Шиллера «любовь и голод пра¬вят миром».
ГЕОГРАФИЯ ГОЛОДА И ЕГО ПРИЧИНЫ. Вдумайтесь в страшные факты:
• более 1,5 млрд человек, а это каждый пятый житель планеты, страдает от хронического недоедания;
• около 650 млн человек находятся на грани голодной смерти;
• каждые 30 с на земном шаре от голода умирают десять детей.

Проблема мирового голода, нехватки про¬довольствия является одной из самых острых глобальных проблем человечества (рис. 142).
География голода достаточно обширна: на карте мира она охватывает большую террито¬рию, включая почти всю Африку к югу от Са¬хары, Западную Азию, Южную и Юго-Вос¬точную Азию, Карибский бассейн, часть Юж¬ной Америки. Подлинным «полюсом голода» давно уже являются африканские страны, ли¬дирующие как по численности голодающих,
так и по остроте форм проявления голода. Именно в этом регионе в те¬чение последних двух-трёх десятилетий наблюдалось беспрецедентное обострение продовольственной проблемы, явившееся последствием катастрофических засух. Более 150 млн человек в той или иной степе¬ни страдали от пищевой дистрофии и её последствий.
Давайте порассуждаем о причинах возникновения этой глобальной проблемы и путях её разрешения.
Из курса истории вы знаете,
/
В мире есть царь: этот царь беспощаден, что первобытный человек на-
Голод названье ему. чал заниматься сельским х°-
Н. А. НеКрасов зяйством примерно 12 тыс. лет
назад. Только охотой и собира¬тельством уже трудно было обеспечить питание человеческой популяции, которая насчитывала тогда около 15 млн. В свою очередь, улучшение питания за счёт пере¬хода к земледелию и развития сельского хозяйства способствовало увеличению численности людей к началу новой эры до 250 млн чело¬век. К середине XVII в. население планеты удвоилось, достигнув 500 млн. Для следующего такого скачка, удвоения до 1 млрд, пребова- лось всего 150 лет, — это произошло к началу XIX в. Ещё через 150 лет человечество перешагнуло двухмиллиардный рубеж. В прошлом веке ускорение темпов роста населения, несмотря на многочисленные раз¬рушительные войны с многомиллионными потерями, продолжилось, и, по данным ООН, к 1974 г. оно достигло 4 млрд человек. Достижение отметки 8 млрд землян ожидается в 2025 г., на 2011 г. население Зем¬ли составляло 7 млрд человек. В десятку самых многонаселённых стран мира в настоящее время входят Китай (свыше 1,3 млрд человек), Индия (1,2 млрд), США (313,2 млн), Индонезия (более 245 млн), Бра¬зилия (196 млн), Пакистан (175 млн), Бангладеш (162,2 млн), Нигерия (154,7 млн), Россия (143 млн) и Япония (127,9 млн).
Согласитесь, что вслед за ростом населения такими же темпами должно возрастать и производство сельскохозяйственной продукции, однако оно ограничено естественными природными ресурсами, пре-
Рис. 142. Голод — глобальная проблема человечества

жде всего возможностью расширения пахотных земель. И не только. У мирового голода есть достаточно и других причин:
• бедность и нищета стран Африканского и Азиатского континен¬тов, из-за которой население не имееет возможности приобрести семе¬на, сельхозтехнику, удобрения, средства защиты растений;
• губительные природные факторы — жестокие засухи, наводне¬ния, нашествия саранчи;
• социальные бедствия — вооружённые конфликты, войны, мигра¬ция, делающие невозможным мирный сельскохозяйственный труд;
• экономические факторы — стремление поддержать высокие цены на продовольствие, дискриминация мелких сельхозпроизводителей;
• политические причины — глобализация системы производства и торговли, борьба за сферы влияния, рынки сбыта продовольствия.
Сочетание всех этих факторов и является причиной грядущей про¬довольственной катастрофы.
ТРИ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯ В РЕШЕНИИ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ ПРОБЛЕМЫ. Борьба с голодом, угрожающим сокращению человече¬ства, представляет собой серьёзную научную проблему, и в первую очередь для таких естественных наук, как биология, химия, генетика.
Очевидно, что производство сельскохозяйственной продукции не может быть существенно увеличено просто за счёт освоения новых зе¬мель. В большинстве стран вся пригодная земля уже обрабатывается. Кроме того, расширение культивируемых площадей требует больших капиталовложений и ставит под угрозу местную экологию. Чтобы уве-личить мировые пищевые ресурсы, необходимо усовершенствовать производство и хранение пищи, обеспечить сохранность питательных веществ в почве, снабдить производителя водой и топливом, повысить эффективность использования солнечной энергии в процессе фотосин¬теза. Естественные науки играют в решении этих задач главную роль, поскольку позволяют разобраться в тех биохимических процессах, ко¬торые лежат в основе жизненных циклов. Мы начинаем понимать на молекулярном уровне роль тех факторов, которые можно контролиро¬вать с целью увеличения производства продуктов питания.
Естествознание предлагает три основных направления в решении проблемы мирового голода.
Первое направление — использование химических веществ для по¬вышения плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных куль¬тур, защиты их от вредителей, для придания растениям и животным устойчивости к болезням.
Второе направление — получение пищевых продуктов и их заме¬нителей альтернативным сельскохозяйственному производству путём, т. е. создание искусственных продуктов питания.

Третье направление — принципиально новые методы создания вы-сокопроизводительных сортов растений и пород животных путём гене¬тических изменений, придания живым организмам новых качеств и свойств, нехарактерных для данного биологического вида.
Рассмотрим достижения современного естествознания в решении продовольственной проблемы по каждому из перечисленных направ¬лений.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. Химическая наука разра¬ботала вещества для эффективного повышения плодородия почв, сред¬ства для борьбы с вредителями сельского хозяйства, обеспечения со¬хранности поголовья скота, получения новых высокоурожайных культур и т. п. Вместе с тем под постоянным контролем находятся во-просы экологической и генетической безопасности, пренебрежение которыми может привести к не менее трагическим последствиям, чем нехватка продовольствия. Например, существенный ущерб урожайно¬сти наносят вредители. Ранее главная задача химиков состояла в по¬лучении химических соединений, которые должны уничтожать насе¬комых или других вредителей. Однако при этом существует риск на¬рушения природного баланса и привнесения в окружающую среду посторонних веществ. Сегодня ставится цель контролировать воздей¬ствие вредных насекомых на урожай, а не истреблять их, чтобы избе¬жать опустошительных последствий грубого вмешательства в эколо¬гию. Исследуя биохимию организмов этих вредных насекомых, хими¬ки в состоянии ограничить наносимый вредителями урон новыми химическими средствами, которые уже не представляют опасности для природы при сколь угодно долгом их использовании.
В настоящее время в сельском хозяйстве применяются тысячи раз¬нообразных химических веществ, примерная классификация которых приведена на схеме.
УДОБРЕНИЯ Как вы думаете, долго ли проживёт растение, если вместо почвы его посадить в горшок с мелкими стеклянными шариками и при этом регулярно поливать? Ответ очевиден, ведь в процессе роста и раз¬вития растение вытягивает из земли не только влагу, но и самые раз¬нообразные питательные вещества. Они содержат химические элемен¬ты, необходимые растительному организму в сравнительно больших количествах: макроэлементы — азот (N), фосфор (P), калий (K) и ми¬

кроэлементы — бор (B), железо (Fe), медь (Си), марганец (Мп), цинк (Zn) и др. Микроэлементы, как вы уже знаете, потому так и на¬званы, что содержатся в организмах в незначительных количествах (менее тысячной доли процента), но совершенно необходимы для их нормальной жизнедеятельности.
Сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на одних и тех же площадях, постепенно обедняют почву. Выдающийся немецкий хи¬мик Ю. Либих (1803—1873) говорил: «Продавая урожай со своего поля, крестьянин продаёт и само поле». Для поддержания плодородия почвы необходимо пополнять в ней запас питательных веществ. Такую подпитку проводят внесением органических и неорганических ве¬ществ, называемых удобрениями.
В зависимости от химического состава удобрения делятся на орга¬нические и минеральные (неорганические). Если удобрение содержит один питательный элемент, оно называется простым, если два и бо¬лее — комплексным.
Природа питательного элемента определяет тип удобрения: азот¬ное, фосфорное, калийное, удобрение с микроэлементами.
Удобрения, как правило, вносят в почву. Кроме того, раствором удобрений можно опрыскивать сами растения, обрабатывать семена.
При правильном применении удобрения улучшают питательный, водный, воздушный и тепловой режим почвы, её агрономические свойства, повышают урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции.
РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА. Они представляют собой химические соединения, которые в малых концентрациях оказывают влияние на размер, внеш¬ний вид и форму растений и животных. Это природные соединения, синтезируемые в организме, а также некоторые вещества естественно¬го происхождения, попадающие в организм извне. Однако регулятора¬ми роста являются также многие сходные соединения, полученные в лаборатории. Обычно их создают по природным образцам, и неко¬торые из них действуют не менее эффективно, но без нежелательных побочных эффектов. Как правило, регуляторы роста относятся к гор¬монам — природным химическим соединениям, обладающим регуля¬торным действием. Образно говоря, гормон — это химически закоди-рованное сообщение, рассылаемое в органы и ткани организма как приказ к определённому действию.
ФЕРОМОНЫ. Химическая сигнальная система играет в жизни насеко¬мых, в том числе и сельскохозяйственных вредителей, чрезвычайно важную роль. Выделяя во внешнюю среду особые химические веще¬ства, одни особи оказывают влияние на поведение, а иногда на рост и

развитие других особей того же вида. Такие вещества называют феро-
монами. Например, с помощью феромонов, выделяемых самкой, сам-
цы насекомых находят её за многие километры.
В сельском хозяйстве феромоны применяются в борьбе с вредителя-
ми, поскольку с их помощью можно управлять поведением насеко-
мых. Феромоновые ловушки используются для регуляции численно-
сти вредителей. Они помогают точно определить сроки применения
инсектицидов и, таким образом, сократить количество применяемых
ядохимикатов. Другая их функция — заманивание насекомых. На-
пример, в лесах Норвегии и Швеции было установлено более миллиона
ловушек, дававших в течение 4 лет ежегодный «улов» в 4 млрд особей
жучка, паразитирующего на коре хвойных деревьев. Синтетические
феромоны распыляют на небольшой площади вдали от посевов сель-
скохозяйственных культур, что позволяет дезориентировать насеко-
мых, сбить их с естественного пути следования и собрать в огромные
массы. Если это вредные насекомые, то такое массовое скопление мож-
но прицельно обработать ядохимикатами, при этом ограничивается
площадь применения пестицидов, их количество, сохраняются от ги-
бели полезные насекомые, например пчёлы.
ПЕСТИЦИДЫ. Так называют химические средства борьбы с сельскохо-
зяйственными вредителями (рис. 143). В зависимости от того, что уни-
чтожают пестициды, различают несколько их групп: инсектициды
(средства уничтожения насекомых), гербициды (средства борьбы с сор-
няками), фунгициды (средства борьбы с возбудителями заболеваний
растений), зооциды (вещества, уничтожающие вредных грызунов)
и др. Кроме того, к пестицидам относят дефолианты (вещества, сти-
мулирующие опадение листвы) и десиканты (вещества, вызывающие
обезвоживание тканей растений, что ускоряет их созревание и облег-
чает уборку урожая). Пестициды используют не только как средства
защиты растений, но и для уничтожения насекомых и грызунов, кото-
рые могут переносить различные
болезни.
Как правило, пестициды — это
синтетические органические ве-
щества. Их использование строго
регламентируется законодатель-
ством во всех странах, посколь-
ку систематическое применение
стойких высокотоксичных ве-
ществ, особенно с нарушением
концентрации или технологии,
может привести к загрязнению
окружающей среды, гибели по-
Рис. 143. Обработка посевов пестици-дами

лезных насекомых, птиц, рыб, зверей и даже отравлению людей непо¬средственно пестицидами или продуктами, в которых они способны накапливаться.
Несмотря на очевидную опасность применения ядохимикатов, пол¬ностью отказаться от их использования было бы равнозначно ежегод¬ной потере от 10 до 20% выращенного урожая, что существенно ослож¬нило бы продовольственную проблему не только развивающихся, но и развитых стран. Недаром говорят, что мы едим только то, что нам оставляют вредители сельскохозяйственных культур.
РЕПЕЛЛЕНТЫ. Представляют собой вещества, которые используются для защиты людей и животных от нападения кровососущих насеко¬мых и профилактики переносимых ими заболеваний. Действие репел¬лентов основано на отпугивании насекомых.
В результате нападения гнуса увеличиваются потери животновод¬ческой продукции из-за уменьшения надоев молока и замедления ро¬ста молодняка. Удои у коров могут снижаться на 15—30%, а привес молодняка — на 20—25%. Известны случаи, когда животные погиба¬ли от интоксикации в результате множества укусов. Вред, причиняе¬мый гнусом, этим не ограничивается. Комары и другие кровососу¬щие насекомые являются переносчиками многих заразных болезней, в частности малярии. На земном шаре ею ежегодно болеет более мил¬лиона человек.
СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ. Это второе направ¬ление в решении продовольственной проблемы. Услышав термин «ис¬кусственная пища», многие полагают, что химики собираются гото¬вить пищевые продукты примерно так же, как они производят бензин или пластмассы, — из нефти или природного газа. На самом же деле речь в основном идёт о том, чтобы придать одним пищевым продуктам вид и вкус других, более дефицитных.
Современная наука и технология пищевой промышленности позво¬ляют выделять белки соевых бобов, из волокон которых получаются ткани, схожие по структуре с мясом. После добавления жиров и ком¬понентов, придающих вкус мяса, эти продукты становятся аналогами или заменителями мяса животных в рационе человека. В различных странах в продаже уже есть ряд аналогов мясных продуктов, напри¬мер ломтики, имеющие вкус копчёной грудинки или имитирующие гамбургеры. Применение таких аналогов может дать колоссальный эффект. Ведь огромное количество зерновых и бобовых расходуется в настоящее время на корм скоту (около 80%) и лишь 20% идёт непо¬средственно в пищу человека. Превращение растительных белков в животные за счёт животноводства не превышает 12% и стоит весьма дорого. Растительные аналоги мясных продуктов сократили бы произ-

водственный цикл, повысили эффективность производства, удешеви¬ли конечную продукцию.
Выдающимся научным достижением конца XX в. считают произ¬водство микробиологического белка. В огромных ферментёрах (ёмко¬стях, заполненных сырьём и ферментами), управляемых ЭВМ, непре¬рывно выращивают нетоксичные микроорганизмы. Например, мета- нотрофы — микроорганизмы, основу питания которых составляет метан. Их перерабатывают в белок с помощью природного газа или от¬ходов нефтепереработки. Полученная белковая масса является пре¬восходным кормом для животных вместо зерновых и бобовых куль¬тур, которые можно высвободить для питания человека. Кроме того, из микробных клеток можно получать белковые волокна для изготов¬ления аналогов мяса так же, как и из соевого белка.
Имеются реальные возможности вводить в пищевой рацион нетра¬диционные продукты. На повестку дня встала переработка даров моря, и прежде всего криля — мелких морских ракообразных, запасы кото¬рого в Мировом океане фантастически огромны. По некоторым дан¬ным, человечество могло бы ежегодно добывать от 50 до 150 млн т кри¬ля. Высушенный криль более чем наполовину состоит из белка и богат витаминами, в особенности витамином А.
Большие потенциальные возможности заключаются в переработке отходов пищевой промышленности. Не нужно морщить нос при упо¬минании слова «отходы», поскольку эмоциональное восприятие тер¬минов может быть ошибочным. Например, к отходам молочного про¬изводства относится молочная сыворотка, содержащая массу полез¬ных веществ. Простейшая технология переработки молочной сыво¬ротки заключается в получении из неё порошка. В 1955 г. в США 25% сырой сыворотки превращалось в продукты питания, а к 1975 г. эта цифра возросла до 75%. На основе углевода лактозы, содержащейся в сыворотке, в Японии производят напитки, фруктовые соки и сиро¬пы, мороженое, пирожные, консервы и сгущённое молоко.
Большим потенциальным ресурсом для получения продуктов пита¬ния являются растительные отходы, содержащие целлюлозу: отруби, жмых, кукурузные початки, фруктовые корки, опилки и т. п. Наибо¬лее распространённый способ их переработки — гидролиз целлюлозы до глюкозы, которая затем сбраживается в спирт. Из 100 кг отходов хвойных деревьев можно получить 25 л спирта и 4—5 кг сухих дрож¬жей, содержащих около 50% белка. Исследуются возможности ути¬лизации целлюлозосодержащих отходов с помощью высших грибов. Уже научились выделять быстрорастущие грибы, которые повышают усвояемость и увеличивают содержание микробного белка в выжатом сахарном тростнике, рисовой соломе и в других отходах, содержащих целлюлозу.

Технология производства продуктов питания вскоре позволит полу¬чить новые виды кулинарных изделий, причём довольно необычных (например, пирожные из водорослей и пирожки из планктона). Но по¬добные фантастические блюда пока ещё в меню далёкого будущего.
Поистине безграничные возможности победы над ми¬ровым голодом предлагает современная область есте¬ствознания — биотехнология. Она достойна того, что¬бы посвятить ей отдельный параграф.
Теперь вы знаете
в чём заключается проблема мирового голода и его причины
три основных направления в решении продовольственной проблемы
роль химических веществ для решения проблемы голода
роль удобрений
что такое регуляторы роста
что такое пестициды
что такое репелленты
роль искусственных продуктов питания
Теперь вы можете
У назвать регионы мира, где нехватка продовольствия является глобальной проблемой, а также причины голода там
У перечислить 10 стран, которые являются самыми многонаселёнными в мире
У объяснить, какие достижения современного естествознания помогают в решении продовольственной проблемы
У проанализировать, что означает термин «искусственная пища», и приве¬сти примеры её производства
Выполните задания
1. Назовите цифры населения земного шара в начале XIX в., в 1974 г. и в на¬стоящее время, а также прогнозируемую цифру на 2025 г.
2. Перечислите природные, социальные, экономические и политические факторы, составляющие причины мирового голода.
3. Объясните, какие химические вещества позволяют повышать эффектив¬ность сельскохозяйственного производства и какие проблемы возникают на пути их применения.

4. Дайте характеристику удобрений с точки зрения их химического состава и питательного элемента.
5. Определите, в чём суть пестицидов, почему их применение строго регла-ментировано, перечислите их группы.
6. Опишите, как получают аналоги мясных продуктов, микробиологический белок, как перерабатывают растительные отходы, содержащие целлю¬лозу, для производства продуктов питания.
Темы для рефератов
1. Регуляторы роста и развития растений и животных. 2. Феромоны и их при¬менение в сельском хозяйстве. 3. Репелленты и их применение в сельском хо¬зяйстве. 4. Пестициды: за и против. 5. Меню далёкого будущего. 6. Мировой океан — кормилец человечества.
§33.
Биотехнология
1. Объясните, что такое искусственный отбор, селекция, гибридизация растений и животных. Приведите примеры гибридов среди растений и животных.
2. Назовите учёных, работавших в области селекции, чей вклад в науку не¬возможно переоценить.
3. Дайте определение мутации, перечислите факторы внешней среды, под влиянием которых происходят мутации живых организмов.
ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ БИОТЕХНОЛОГИИ. Термин «биотехнология» впервые в 1917 г. применил венгерский инженер К. Эреки (1865— 1933).
Газета «Комсомольская правда» в 2001 г. так описывала колоссаль¬ные возможности биотехнологии:
«Японские медики приступили к беспрецедентному эксперименту по выращиванию человеческих органов из клеток зародышей — опло¬дотворённых яйцеклеток… Культивировать «запчасти» будут из так называемых эмбриональных стволовых клеток, из которых состоит зародыш любого живого существа на начальном этапе развития. Клет¬ки обладают полной генетической информацией и являются предше¬ственниками всех органов человека. Если поместить такую клетку в

необходимую питательную среду, из неё можно вырастить какой угод¬но орган — будь то сердце, печень или нервные волокна».
Биотехнология — это интеграция естественных и техниче¬ских наук с целью использования живых организмов и биологиче¬ских процессов в производстве, энергетике и охране окружающей среды.
Можно выделить три этапа становления биотехнологии как отрасли производства, а затем и науки: ранняя биотехнология, новая биотех¬нология и новейшая биотехнология.
Ранняя, или стихийная, биотехнология связана со знакомыми че¬ловеку с древнейших времён микробиологическими процессами. Из¬давна люди пекли хлеб, готовили сыры и кисломолочные продукты, заквашивали овощи, варили квас и пиво, делали вино. В основе техно¬логии производства всех этих продуктов лежат процессы брожения.
Брожение — это биохимическая реакция, протекающая при участии микроорганизмов или с помощью ферментов.
Как вы знаете, в живых организмах ферменты ускоряют множество биохимических процессов. Оказывается, многие ферменты сохраняют свою биологическую активность и вне живой клетки, что стало осно¬вой их использования на заре биотехнологии.
Период новой биотехнологии датируется началом XX в., когда впер¬вые удалось вырастить вне живого организма клетки и ткани растений и животных. Начиная с середины 70-х гг. XX в. учёные нашли спосо¬бы, а инженеры — технические решения по использованию биологи¬ческих методов для борьбы с загрязнением окружающей среды, произ¬водства ценных биологически активных веществ (антибиотиков, фер¬ментов, гормональных препаратов, витаминов и др.), для защиты растений от вредителей и болезней. На основе микробиологического синтеза были разработаны промышленные методы получения белков и аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок.
Современный этап развития биотехнологии можно назвать новей¬шей биотехнологией. Специалистам-биотехнологам стали доступны методы изменения генотипа животных и растений с целью придания им новых свойств и качеств, методы выращивания тканей и органов вне живого организма, получения точных копий родительского орга¬низма из одной-единственной его клетки. Достижения новейшей био¬технологии базируются на интеграции таких биологических дисци¬плин, как физиология, микробиология, биохимия, биофизика, моле¬кулярная генетика, иммунология.

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. В современной биотехнологии выделяют три раздела, три относительно самостоятельных направления; генная (или генетическая) инженерия, клеточная инженерия, биологическая ин¬женерия.
Генная инженерия — это раздел биотехнологии, связанный с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов, внедрённых в живые клетки и способ¬ных синтезировать определённый продукт.
Когда мы хотим отметить какую-либо характерную особенность че¬ловека, унаследованную им от родителей, например склонность к творчеству, высокий интеллект или, напротив, вредную привычку, мы сокрушённо вздыхаем: «Что поделаешь, это гены!» Что же это за таин¬ственные гены, делающие нас похожими на своих родителей?
Напомним, что в ядрах клеток живых организмов содержатся хро¬мосомы. Основу любой хромосомы составляет макромолекула дезо¬ксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) очень большой длины. Как вы знаете, полимерная молекула ДНК состоит из двух параллельных ни¬тей-макромолекул, связанных друг с другом водородными связями. Каждая «нить» представляет собой последовательно соединённые друг с другом нуклеотиды и напоминает очень длинные бусы. Например, в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 млн «бусинок»-нуклеотидов. Макромолекула ДНК скручена в спираль (рис. 144), поэтому её размер обычно не превышает 20 мкм, а в растя-нутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо ДНК в состав хромосомы входят молекулы белков.
Вы знаете, что под влиянием факторов внешней среды у всех видов живых организмов происходят мутации.
Можно ли провести мутацию искусственным путём, т. е. внедрить в ДНК новый, несвойственный данному организму ген? Ведь таким об¬разом можно «привить» живому организму полезное качество, кото¬рого у него не было. В 1973 г. американские учёные С. Коэн и Э. Чанг встроили в ДНК бактерии участок ДНК лягушки. Свершилось небыва¬лое: бактерия стала вырабатывать белок, характерный для лягушки, и даже передавать лягушечью ДНК потомкам! Так была показана принципиальная возможность встраивать чужие гены в геном опреде¬лённого организма.
Растения и животные, в геном которых введены синтезирован¬ные гены или гены других организмов, называются генетически модифицированными организмами (ГМО), а продукты их пе¬реработки — трансгенными продуктами.

Рис. 144. Зашифрованная наследственная информация в геноме человека
Последние десятилетия генная инженерия поистине творит чудеса. Японским учёным удалось ввести в ДНК свиней ген шпината, в ре¬зультате чего мясо стало менее жирным. Генетически модифицирован¬ные растения произрастают уже на миллионах гектаров сельскохозяй¬ственных угодий. Они отличаются от своих «собратьев» большей уро-жайностью, устойчивостью к вредителям, болезням и засухе, большим содержанием полезных питательных веществ.
Трансгенная кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулоч¬ные изделия, безалкогольные напитки; модифицированная соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, со¬усов для салатов, майонезов, макаронных изделий, варёных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже в состав детского питания.
Создание генетически модифицированных растений, устойчивых к сорнякам и вредителям, в несколько раз уменьшает расход гербици¬дов и ослабляет тем самым химическую нагрузку на окружающую сре¬ду. В сельскохозяйственную практику входят трансгенные сорта с по¬вышенными потребительскими свойствами, например гороха, сои, злаков с улучшенным составом белков. Созданы трансгенные помидо¬

ры без зёрнышек, на подходе бес-
косточковые черешня, цитрусо-
вые. Выведен даже сорт кубиче-
ских арбузов (рис. 145), которые
экономически выгодно транспор-
тировать и складировать за счёт
более плотной укладки. Метода-
ми генной инженерии канадски-
ми учёными получен виноград,
которому пересажен ген моро-
зоустойчивости от дикой капу-
сты, и в Канаде появились вино-
градники.
В животноводстве с помощью
генной инженерии получены вы-
сокопродуктивные породы живот-
ных — овец, свиней, кур.
В фармакологии методы ген-
ной инженерии дали возможность получить высокоэффективные
вакцины против герпеса, туберкулёза, холеры; в нефтехимической
промышленности — новые формы дрожжей и бактерий, способных
уничтожать разливы нефти.
Рис. 145. Генно-модифицированные арбузы
Вспомним, что гены — это участки ДНК хромосомы (несколько по¬следовательно соединённых нуклеотидов), несущие информацию о строении одной молекулы белка или молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), характерных для данного живого организма. Сово¬купность всех генов организма, содержащихся в хромосомах, назы¬вается геномом. По сути, геном — это зашифрованная информация об организме, инструкция по его рождению, росту, внешнему виду и поведению, размножению, старению и гибели. Представьте, что пе¬ред вами разобранный до мельчайших деталей игрушечный косми¬ческий корабль. К нему придана инструкция по сборке — свое¬образный «геном». Шаг за шагом, следуя инструкции, вы собираете космический аппарат. Естественно, в конечном счёте он должен вы¬глядеть так, как показано на рисунке, а не превратиться в трактор или автомобиль. Если сборка проведена верно, ваш корабль будет представлять собой точную модель натурального объекта, который может взлететь и полностью выполнить программу космического полёта. Живой организм, в отличие от неодушевлённой конструк¬ции, должен ещё оставить потомство, передав ему точную копию «технической характеристики» и «инструкцию по сборке» последу¬ющих поколений.

Клеточная инженерия — это метод конструирования кле-
ток нового типа.
КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. В самом начале XX в. учёные-ботаники
впервые высказали мысль о том, что если живую клетку извлечь из ор-
ганизма, то в питательной среде она сможет существовать, функцио-
нировать и даже размножаться. Спустя несколько лет эту гипоте-
зу удалось экспериментально подтвердить на животных клетках,
а в 30-х гг. прошлого столетия — на клетках растений.
Суть метода клеточной инженерии схематично можно описать так.
От живого организма, например растения, берётся небольшой кусочек
ткани, скажем, листовой пластинки. Мы помним, что каждая клетка
хранит в себе полный набор генов (геном) этого растения, но функции
клеток дифференцированны, т. е. клетки листочка отличаются от кле-
ток стебля, корня или цветка. Следовательно, задача клеточной инже-
нерии на первом этапе — сделать так, чтобы клетки листа «забыли» о
своей миссии и превратились просто в набор растительных клеток. По-
лученная масса клеток делится, размножается, растёт их число, обра-
зуется целая клеточная колония, называемая каллусной тканью. Её
можно разделить на несколько частей, а далее вновь превратить клет-
ки каллусной ткани в клетки нужного органа растения: корня, листа
или верхушечной почки. Достигается это введением в питательную
среду особых химических веществ — фитогормонов. И вот уже каж-
дый отдельный кусочек каллусной ткани приобретает вид маленького
растения, способного к самостоятельному росту и развитию. Из неболь-
шого кусочка листа мы получили десяток новых растений — точных ко-
пий родительского организма.
Вершиной достижений клеточной инже-
нерии можно считать клонирование организ-
мов — создание точной копии живого суще-
ства. Выведенные российским генетиком и
селекционером академиком В. А. Струнни-
ковым (1914—2005) клоны шелкопряда из-
вестны на весь мир: искусственно получен-
ные насекомые трудятся над производством
шёлковой нити куда лучше своих природных
собратьев. Наиболее известный феномен кле-
точной инженерии — клонирование домаш-
них животных. В 1997 г. весь мир облетела
весть об овечке Долли — клоне своей матери
(рис. 146). Долли появилась на свет в июле
1996 г. благодаря клеточной инженерии. Од-
Владимир
Александрович
Струнников

нако клонирование животных на сегодняш-
ний день представляет главным образом
научный интерес. А вот выращивание но-
вых тканей организма из отдельных кле-
ток — уже реальность. Из клеток почки чело-
века можно вырастить новый полноценный
орган, который, в отличие от донорской поч-
ки, при пересадке не будет отторгаться ор-
ганизмом. Более того, появляется возмож-
ность производить ремонт повреждённого
органа или выращивать запасной непосред-
ственно в организме, а не в пробирке. Поисти-
не клеточная инженерия способна творить
чудеса!
Наиболее перспективным направлением сегодня является кло¬нирование с использованием так называемых эмбриональных ство¬ловых клеток. Вы прекрасно понимаете, что все клетки эмбриона в момент зачатия одинаковы. Главным свойством таких клеток явля¬ется то, что генетическая информация, заключённая в их ядре, нахо¬дится как бы в состоянии покоя, т. е. эмбриональные стволовые клет¬ки ещё не запустили программы дифференциации в ту или иную ткань или орган. Удивительная способность этих клеток стать любы¬ми клетками организма продиктована наличием в их ДНК всех ге-нов, отвечающих за рост зародыша на ранней стадии развития эм¬бриона, т. е. генома. После получения специального сигнала эмбрио¬нальные стволовые клетки начинают своё превращение в клетки мозга, печени, сердца и т. д. Уникальность эмбриональных ство-ловых клеток также позволяет использовать их для выращивания огромного массива тканей и в принципе любого человеческого ор¬гана.
В биотехнологическом производстве клоны клеток используют как своеобразные химические фабрики для промышленного получения биологически активных веществ. Например, гормона эритропоэтина, который стимулирует образование красных кровяных телец, а также используется для предотвращения образования тромбов в кровенос¬ных сосудах. Методами клеточной инженерии получены факторы свёртываемости крови для лечения страшного заболевания — гемофи¬лии, инсулин для лечения диабета.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. Вам хорошо известно, что все встреча¬ющиеся в природе живые организмы содержат ферменты — биологи¬ческие катализаторы белковой природы, ускоряющие и регулирую¬щие протекание миллионов биохимических реакций.
Рис. 146. Клонирован¬ная овечка Долли — точ¬ная копия материнского организма

Биологическая инженерия — это методы использования ми-кроорганизмов в качестве биореакторов для получения промыш¬ленной продукции.
Задача биологической инженерии состоит в разработке технологии промышленного получения практически важных веществ или осу¬ществления промышленных процессов при участии ферментов, как содержащихся в микроорганизмах, так и выделенных в свободном со¬стоянии.
Ферментативные процессы сегодня используются во многих отрас¬лях промышленности:
в пищевой — для выпечки хлеба, получения кисломолочных про¬дуктов, производства сыров, осветления соков и др.;
в кожевенной и текстильной — для отделения шерсти от шкур и вы¬делки кожи;
в фармацевтической — для получения лекарственных препаратов; в сельском хозяйстве — для защиты растений от вредителей и про¬филактики заболеваний.
Микробиологические технологии используют сегодня в такой не¬обычной для биотехнологии сфере, как металлургия. Например, из¬вестно, что более 75% запасов золота находится в природе не в виде самородков или золотого песка, а в виде вкраплений внутри крис¬таллических решёток сульфидных минералов — пирита (FeS2) и ар¬сенопирита (FeAsS). Такое золото совершенно невозможно увидеть невооружённым глазом, а для его извлечения требуется химическое разрушение кристаллической решётки минерала — так называемое вскрытие породы. Как правило, вскрытие сульфидных минералов проводят обжигом руды. Но при этом в атмосферу выбрасывается огромное количество оксидов серы, потенциально опасных для окру¬жающей среды и человека. Как альтернатива обжигу была разработа¬на технология микробиологического вскрытия пород. Для этого руду измельчают и помещают в раствор кислоты с добавлением особых ми¬кроорганизмов. Они окисляют ионы двухвалентного железа до трёх¬валентного, а атомы серы — до анионов серной кислоты. Продукты окисления растворяются в воде, а в нерастворимом осадке остаётся чи¬стое золото. Процесс протекает с минимальными энергозатратами при комнатной температуре и значительно более эффективен, чем химиче¬ские технологии. В Канаде, ЮАР и Португалии практикуется анало¬гичное извлечение урана из урансодержащих руд.
Стоит отметить также законченную в Институте микробиологии РАН работу над новым способом удаления метана в шахтах с исполь¬зованием метанотрофных (питающихся метаном) бактерий. Нужно ли

говорить об актуальности этой работы на фоне сообщений средств мас¬совой информации о трагедиях на угольных шахтах!
Наиболее перспективным направлением биологической инженерии является создание иммобилизованных ферментов.
Иммобилизованными ферментами называются искус¬ственно получаемые препараты ферментов, молекулы которых связаны полимерным носителем, нерастворимым в воде.
Такие ферменты широко применяются на
производстве. Например, получаемая из
дрожжей (рис. 147) инвертаза используется
для изготовления искусственного мёда, лак-
таза — для производства концентрированных
кисломолочных продуктов без консервантов,
а уреаза — для очистки крови в аппарате «ис-
кусственная почка». К иммобилизованным
ферментам относятся бактериальные протеа-
зы, которые применяются для производства
синтетических моющих средств (энзимы, со-
держащиеся в них, позволяют удалять с тка-
ней пятна крови, чая и т. д.), в кожевенном
производстве (для удаления шерсти и дубле-
ния кож), резинотехнической промышленности (для получения губ-
чатого латекса путём ферментативного разложения пероксида водо-
рода).
Поистине прав был М. В. Ломоносов, сказав: «Широко распрости¬рает химия руки свои в дела человеческие!»
Далее речь пойдёт о нанотехнологии, мы выясним, что она собой представляет, где применяется и какое имеет значение для развития энергетики, электрони¬ки, сельского хозяйства.
Теперь вы знаете
► три этапа в развитии биотехнологии
► задачи генной инженерии
► что такое клеточная инженерия
► задачи биологической инженерии
Теперь вы можете
► дать определение процесса брожения

► охарактеризовать генетически модифицированные организмы и транс¬генные продукты, а также способы их получения
У объяснить, что такое клонирование и в чём уникальность эмбриональных стволовых клеток
► описать технологию микробиологического вскрытия пород и перечис¬лить области применения иммобилизованных ферментов
Выполните задания
1. Назовите биологические дисциплины, на интеграции которых базируют¬ся достижения новейшей биотехнологии.
2. Дайте характеристику этапов становления биотехнологии как отрасли производства.
3. Сформулируйте, что такое генная инженерия, клеточная инженерия и биологическая инженерия, иммобилизованные ферменты.
4. Приведите примеры генетически модифицированных растений и живот¬ных, в чём их преимущества.
5. Объясните, что такое каллусная ткань и фитогормоны и в каких процес¬сах они задействованы.
6. Проанализируйте процесс выращивания новых тканей организма из от¬дельных клеток и сделайте вывод о его перспективах для человечества.
7. Перечислите химические элементы, которые входят в состав минералов пирита и арсенопирита, упомянутых в параграфе, расскажите об их ме¬стоположении в Периодической системе химических элементов, рассчи¬тайте массовую долю каждого элемента в составе данных минералов.
Темы для рефератов
1. Генная инженерия: успехи и перспективы. 2. Генно-модифицированные про¬дукты: за и против. 3. Клеточная инженерия: чудеса современной медицины.
4. Биологическая инженерия в металлургии. 5. Стволовые клетки на службе человека.

§34.
Нанотехнология
1. Объясните, как происходит синтез белков, жиров, углеводов.
2. Дайте характеристику полимеров, композитных материалов.
3. Приведите примеры экологических катастроф и загрязнения окружаю¬
щей среды в XXI в.
Л
ПОНЯТИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ. В сказках, легендах, преданиях разных
народов мира вы наверняка встретите героев, отличающихся необык-
новенно малыми размерами: Дюймовочка, Мальчик-с-пальчик,
Нильс, лилипуты, Крошечка-хаврошечка. И это не случайно, посколь-
ку благодаря своему малому росту такой герой мог совершать то, что
не под силу обычному человеку: жить в бутоне цветка, путешествовать
на спине гуся, залезать в одно ушко, а вылезать из другого.
Почему мы вдруг заговорили о народном эпосе? Да потому что
возможности той области науки, о которой мы сейчас будем гово-
рить, фантастические. Вы и сами не раз убеждались в том, что бла-
годаря современному естествознанию от сказки до реальности порой
всего один шаг.
Наверное, вам приходилось соби-
рать из школьного набора атомов мо-
дели молекул. Модель молекулы ме-
тана CH4 (рис. 148, а) вы можете со-
брать из одного атома углерода и
четырёх атомов водорода.
Модель более сложной молеку-
лы — глюкозы С6Н12О6 (рис. 148, б) —
вы собрали бы из атомов-шариков за
пару минут. Тем не менее химиче-
ский синтез глюкозы из более про-
» Напомним, что метан — это один из важнейших энергоно¬сителей, главная составляю¬щая природного газа, добыча, транспортировка и экспорт которого составляют основу экономического благополучия многих стран мира.
Рис. 148. Модели молекул: а — метана; б — глюкозы
и

стых веществ ученые и технологи до сих пор не могут проводить в про-
мышленном масштабе. Лучше, чем это делают клетки зеленых расте-
ний в присутствии хлорофилла (процесс фотосинтеза), синтезировать
глюкозу еще не научился никто.
Теперь представьте, что вы, словно сказочный герой, уменьшились
до размеров атомов и молекул, т. е. до наноразмеров.
Размеры крупных молекул составляют порядка десятков наноме-
тров, а радиусы атомов, как правило, менее 1 нм. И вот перед вами це-
лый набор-конструктор атомов самых разных химических элементов,
из которых можно сконструиро-
вать молекулы любых полезных
веществ — антибиотиков, краси-
телей, полупроводников, полимер-
ных материалов, компонентов пи-
щи, наконец. Вы можете создать
любое нужное вам вещество! Но где же взять эти исходные атомы? Ведь вы знаете, что изолированные атомы (за исключением атомов благородных газов) в природе не встречаются. Вспомните, что все окружающие нас вещества состоят из атомов менее чем 100 химиче¬ских элементов, — это весьма ограниченный набор. Таким образом, теоретически вы (будучи наночеловечком) можете разбирать на атомы молекулы ненужных вам веществ и материалов (бытового мусора, про¬мышленных выбросов, сельскохозяйственных отходов) и собирать из них молекулы практически ценных веществ. Фантастика, сказка? Оказывается, нет. Это одно из направлений новейшей области естест¬венно-научных исследований, которая называется нанотехнология.
» Напомним, что 1 нм = 1^10-9 м,
это одна миллиардная часть мил¬лиметра.
Под нанотехнологиями понимают управляемый синтез молекулярных структур для получения веществ и материалов непосредственно из атомов и молекул с помощью специальных устройств, действующих на основе искусственного интеллекта; к нанотехнологиям относят процессы манипулирования объекта¬ми, имеющими размер от 1 до 100 нм.
По своим размерам наночастицы занимают промежуточное положе¬ние между макрообъектами, на которые распространяются законы классической механики, и объектами микромира (атомами, молекула¬ми, фундаментальными частицами), в котором действуют законы квантовой механики. Поэтому наночастицы обладают специфически¬ми физическими и химическими свойствами, обусловливающими их невероятные функциональные возможности.
ДВА ПОДХОДА В НАНОТЕХНОЛОГИИ. В нанотехнологии существуют два подхода. Их принято условно называть «сверху — вниз» и «сни¬зу — вверх».

Первый подход — «сверху — вниз» основан на уменьшении разме¬ров обрабатываемого сырья или материалов до микроскопических па¬раметров. Так, например, получают полупроводниковые устройства, обрабатывая заготовки для них лазерными или рентгеновскими луча¬ми. Другим примером дробления вещества до наноразмеров может служить так называемая импринт-литография. На резиноподобный полимер наносят наноузор с помощью особых инструментов, который затем покрывается своеобразными молекулярными чернилами. От¬тиски такой «резиновой печати» можно делать на любой поверхности (например, для получения компьютерных чипов наноскопических размеров). В результате получается нужная конфигурация электриче¬ской схемы. Разрешающая способность устройства определяется дли¬ной волны лазера. Таким образом получают схемы с размером элемен¬тов до 100 нм.
Второй подход нанотехнологии — «снизу — вверх» состоит в том, что необходимая конструкция осуществляется сборкой из более мел¬ких элементов (атомов, молекул и т. д.). Для этого типа нанотехноло¬гии применяются инструменты зондового сканирования. Они могут двигать атомы или молекулы по поверхности подложки, толкая или поднимая их. В этом случае зонд сканирующего инструмента выступа¬ет в роли своеобразного пинцета наномира.
Основными методами такого подхода в нанотехнологиях являются молекулярный синтез, самосборка, наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ СИНТЕЗ И САМОСБОРКА. В технологии поэлементной сборки наноустройств рассмотрим сначала методы молекулярного синтеза и самосборки.
Молекулярный синтез заключается в создании молекул с за¬ранее заданными свойствами путём их сборки из молекулярных фрагментов или атомов.
Таким образом производятся медикаменты. Множество современ¬ных лекарств, включая антибиотики нового поколения, являются продуктами молекулярного синтеза. Кроме синтеза самих лекарств нанотехнология решает вопросы их доставки непосредственно в пора¬жённые участки организма. Доза лекарственного препарата заключа¬ется в особую молекулярную оболочку, позволяющую транспортиро¬вать лекарство к месту назначения.
Самосборка — это метод нанотехнологий, основанный на спо-собности атомов или молекул самостоятельно собираться в более сложные молекулярные структуры.

Принцип самосборки основан на принципе минимума потенциаль¬ной энергии — постоянном стремлении атомов и молекул перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, то такое со¬единение будет происходить самопроизвольно; если же для этого нуж¬но изменить свое положение в пространстве, то молекулы переориен¬тируются. Своеобразной иллюстрацией принципа минимума потенци¬альной энергии может служить древнегреческий миф о Сизифе, кото¬рый с трудом поднимал камень на вершину горы, а тот упорно стре¬мился скатиться вниз по склону, т. е. занять наименьший уровень потенциальной энергии.
В живых организмах самосборка является основой процессов ас¬симиляции, т. е. процессов синтеза белков, жиров, углеводов, поли¬нуклеотидов, необходимых конкретному живому организму. Структу¬рирование и сборка биологических тканей происходит на атомно¬молекулярном уровне, причем живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Наноконструкторы помещают определен¬ные атомы или молекулы на поверхность подложки. Далее исходные молекулы ориентируются в пространстве, собираясь в определенную наноструктуру. Отпадает необходимость медленного и нудного кон¬струирования такой структуры с помощью зондового инструмента. В этом и состоит преимущество самосборки. В настоящее время с по¬мощью самосборки возможно создание компьютерных запоминающих устройств. Таким же образом изготовлены опытные образцы гидро¬фильного (любящего воду) и гидрофобного (боящегося воды) стекол, которые могут найти широкое применение, например, в автомобиле¬строении, производстве прозрачных строительных материалов, в оп¬тике.
НАНОСКОПИЧЕСКОЕ ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ И ПОЛИМЕРИЗА¬ЦИЯ. Кремниевые блоки, используемые для создания микрочипов, производятся наноскопическим выращиванием кристаллов.
Наноскопическое выращивание кристаллов — это нано¬технология, при которой кристаллы можно получать из раство¬ра, используя кристаллы-зародыши (центры кристаллизации).
Этот метод можно использовать и для выращивания длинных, стержнеподобных углеродных нанотрубок. Они представляют собой совершенно новый материал, обладающий уникальными свойствами. Нанотрубки могут быть полупроводниковыми или металлическими.
Наибольший интерес представляют углеродные полупроводнико¬вые нанотрубки, которые имеют форму крошечных цилиндров с диа¬метром от 0,5 до 10 нм и длиной примерно в 1 мкм. Однослойные на-

нотрубки можно представить себе в виде свёрнутого в рулон одного слоя графита. Такие цилиндрики способны поглощать и удерживать водород в больших количествах, поэтому представляют собой ценный материал для создания двигателей на водородном топливе и водород¬ных батарей.
Многослойные нанотрубки имеют высокий предел прочности на растяжение — в 50—60 раз больше, чем у высококачественных ста¬лей, и в тысячи раз выше, чем у традиционных волокон. Это позволяет использовать их при изготовлении материалов для пуленепробивае¬мых жилетов и стёкол, а также для производства сейсмоустойчивых строительных материалов.
Углеродные нанотрубки имеют очень низкую плотность, что позво¬ляет получать из них высокопрочные композиционные материалы, потребность в которых испытывают военная и авиационно-космичес¬кая промышленность, а также автомобилестроение. Специалисты компании «High Lift Systems» (США) задумали грандиозный проект —
Океанические платформы, к которым будет приезжать лифт
Рис. 149. Нанотехнологии и космос будущего

космический лифт. Идея проста, как всё гениальное. Трос длиной 35 тыс. км и диаметром 20 см одним концом прикреплён к океаниче¬ской платформе, а за второй его конец «привязана»… орбитальная космическая станция! По этому тросу от Земли в космос будет двигать¬ся лифт, способный поднять на орбиту до 50 т груза, в том числе кос¬мических туристов (рис. 149). Трос поддерживается в натянутом со¬стоянии за счёт двух противоположно направленных сил: силы земно¬го притяжения и центробежной силы, действующей на космическую станцию. Материалом для изготовления троса предположительно должны служить нанотрубки, имеющие колоссальную прочность и в то же время чрезвычайно лёгкие. Такой лифт позволил бы сэконо¬мить значительные средства, поскольку доставка на орбиту Земли 1 кг груза обычной космической техникой обходится в 50—80 тыс. долла¬ров! Вот только стоить строительство такого моста к звёздам будет не менее 10 млрд долларов.
Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нано¬трубок обладает большой каталитической активностью. Считается, что при сворачиваний графитового листа из атомов углерода в трубку концентрация электронов на её внутренней и внешней поверхностях становится неодинаковой, что и обусловливает каталитический эф¬фект. Если ввести внутрь углеродной трубки наночастицу переходного металла, например родия (Rh), каталитический эффект усиливается. Смесь оксида углерода (II) СО и водорода H2, называемая синтез-газом, при прохождении через такой каталитический комплекс превращает¬ся в этанол (этиловый спирт). Эту реакцию невозможно осуществить в иных условиях.
Полимеризация — это метод нанотехнологий, в основе кото¬рого лежит получение наноматериалов в виде полимеров из исход¬ных мономеров с помощью реакций полимеризации или поликон¬денсации.
Для осуществления этого метода применяют так называемые ген¬ные машины, позволяющие синтезировать из отдельных фрагментов дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), необходимые для производ¬ства медикаментов, ферментов или белков заданного строения. Синте¬зированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК бактерий, которые затем производят множество копий нужного вещества. Это позволяет эф¬фективно строить белковые фабрики для получения практически любого выбранного протеина. Примером практического применения данной нанотехнологии является получение инсулина для лечения диабета.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ НАУКИ И ТЕХНИКИ. Нано-
технологии сегодня — эффективно и динамично развивающаяся об-

ласть науки и техники, в которой тесно переплетаются теоретические разработки и экспериментальные исследования. Развитие нанотехно¬логий и разработку методик создания и изучения нановещества назы¬вают одним из самых перспективных направлений научной и кон¬структорской мысли. Не случайно один из создателей американской водородной бомбы, Э. Теллер (1908—2003), ещё в середине XX в. сде¬лал прогноз: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займёт веду¬щее место в техносфере следующего столетия».
В России исследования в области нанотехнологий быстрыми темпа¬ми начали развиваться с 2000 г. В Российской академии наук в 2002 г. был создан научный совет по наноматериалам, в федеральную научно¬технологическую программу в качестве одного из приоритетов было внесено направление «Индустрия наносистем и материалов» с финан-сированием более 3 млрд рублей.
Общество уже может гордиться первыми результатами использова¬ния нанотехнологий в различных сферах деятельности.
Э н е р г е т и к а. Альтернативой использования ископаемого то¬плива (природного газа, нефти, угля и др.) является применение фото¬электрических элементов, которые непосредственно превращают сол¬нечный свет в электрическую энергию, — так называемых солнечных батарей. В основе таких устройств лежит кремний, реже — германий. Кремниевые фотоэлементы используются в жилищном строительстве и промышленном производстве, в калькуляторах и т. п. Солнечный свет фокусируется на полупроводнике, в роли которого выступает один кристалл кремния или его поликристалл. Получение таких кри¬сталлов и является задачей нанотехнологии.
Другой альтернативой использования энергии, получаемой от сжи¬гания ископаемого топлива, является создание новых топливных эле¬ментов, в роли которых могут выступать углеродные нанотрубки, об¬ладающие высокой адсорбционной способностью к водороду.
Э л е к т р о н и к а. Важнейшим техническим достижением второй половины ХХ столетия является развитие электроники. В наши дни компьютеры пришли не только во все сферы деятельности общества (банки, почта, транспорт, производство, наука), но и в большинство семей.
В современной науке возникло новое понятие для обозначения кро¬шечного объёма вещества кубической или сферической формы, в кото¬ром можно хранить небольшое количество электронов, — квантовая точка. Если в большинстве полупроводниковых устройств и прибо¬ров (например, в транзисторах) процессы включения и выключения («on — оff») управляются потоком от сотен тысяч до одного миллиона электронов, то квантовые точки управляют движением малоэлектрон¬ных или даже одноэлектронных транзисторов. Это позволяет сделать

полупроводниковые устройства микроскопически миниатюрными и снизить затраты энергопотребления в тысячи раз.
Уже сейчас нанотехнология позволяет изготавливать полупровод¬никовые элементы размером 100 нм. В перспективе габариты таких элементов будут снижены до 35—50 нм. Такую возможность предоста¬вит использование в электронной промышленности углеродных нано¬трубок и запоминающих устройств нового типа. В свою очередь, это позволит повысить скорость передачи информации примерно до 10 Гбит/с. Кроме этого, важное значение имеет совершенствование техники хранения информации. Эта задача решается путем создания терабитовых запоминающих устройств — степень плотности записан¬ной с их помощью информации в 1000 раз больше, чем на обычных носителях.
М е д и ц и н а. Нанотехнологии позволяют организовать массовое производство биодатчиков, способных длительное время осущест¬влять мониторинг внутри организма человека. Это даст возможность проводить раннюю диагностику некоторых заболеваний. Кроме того, нанотехнологии позволят использовать для диагностики и лечения особые устройства, называемые нанороботами. Введенные в организм человека, они смогут очистить сосуды от атеросклеротических отло¬жений, уничтожить молодые раковые опухоли, исправить повреж¬денные молекулы ДНК, доставить лекарство к конкретным органам и даже клеткам.
С помощью нанотехнологии создаются наноинструменты, исполь¬зуемые в медицине. Так, уже появились наноманипуляторы и нано¬иглы. Например, для изготовления нанопинцета применяются две углеродные нанотрубки диаметром в 50 нм, расположенные парал¬лельно на подложке из стеклянного волокна. Эти трубки сходятся и расходятся при подаче на них напряжения, имитируя пинцет. Ученые из Новосибирска сделали наноиглы, способные производить инъекции внутрь клеток.
А в и а ц и я и к о с м о н а в т и к а. В авиации нанотехнологии применяются прежде всего при создании новых конструкционных ма¬териалов. С помощью нанотехнологий создаются термостойкие кера¬мические композитные материалы (т. е. материалы, состоящие из двух и более компонентов), способные выдерживать температуру +1000—1600 °С, и полимерные композиты, выдерживающие темпера¬туру +200—400 °С. В космонавтике требования к композитам ещё выше: они должны быть термостойкими (выдерживать температуры около +3000 °С), сверхлёгкими и сверхпрочными. Именно такие мате¬риалы были использованы при изготовлении космических кораблей многоразового использования: нашего «Бурана» и американских «Шаттлов».

С е л ь с к о е х о з я й с т в о. Продовольственная проблема являет¬ся глобальной для человечества. Мы с вами становимся свидетелями неуклонного роста цен на продукты питания. Одно из решений продо¬вольственной проблемы человечества заключается, как уже было ска¬зано, в широком применении генной инженерии и биотехнологии для создания сортов растений с повышенной урожайностью и питательной ценностью, а также в создании высокопродуктивных пород животных и штаммов микроорганизмов.
Наноинструменты и ферментативные методики, применяемые в биотехнологии и генной инженерии, позволяют решать эти задачи бо¬лее быстрыми темпами. Так, бурно эволюционирует производство всё новых сортов хорошо известной каждому генно-модифицированной сои. Традиционные сорта помидоров, картофеля, кукурузы, гороха, пшеницы, риса и т. д., а также экзотических батата и папайи в сель¬скохозяйственной практике уступают место созданным с помощью генной инженерии сортам, устойчивым к сорнякам и вредителям и об¬ладающим повышенной урожайностью.
Э к о л о г и я. К проблемам защиты окружающей среды, которые можно решить с помощью нанотехнологий, относятся повышение тем¬пературы атмосферы Земли, разрушение озонового слоя, загрязнение среды диоксином, кислотные дожди.
Средняя температура Земли только за 40 лет прошлого столетия выросла на 0,5 °С. Прогнозируется, что в новом столетии средняя тем¬пература возрастёт ещё на 3 °С. Последствия этого грозят человечеству многими бедами: уровень Мирового океана поднимется на 65 см (будут подтоплены прибрежные территории многих стран), произойдёт кар¬динальное изменение климата, смещение природных зон и т. п. Нано-технологии дают возможность уменьшить температурные воздействия на атмосферу Земли с помощью альтернативных источников энергии, совершенствования солнечных батарей и уменьшения оксида углеро¬да (IV) в выхлопных газах.
С применением нанотехнологий синтезируют новые материалы, способные заменить хлорсодержащие полимеры; создают биодатчики длительного и точного мониторинга за окружающей средой; произво¬дят нанопорошки для борьбы с загрязнением окружающей среды (и в первую очередь с разливами нефти); делают нанофильтры, позво¬ляющие предотвращать поступление диоксина и других отходов в окружающую среду (в том числе оксидов серы и азота). Для достиже¬ния последней цели немаловажную роль могут сыграть и созданные с помощью нанотехнологии катализаторы и носители для них.
О п т и к а. Уменьшение размеров кристаллических зёрен до нано¬размеров позволяет создавать из стеклообразных веществ новые опти¬ческие материалы с очень высокими и регулируемыми коэффициента¬ми преломления, изменением окраски, прочности и т. п. Такие мате-

риалы называют наностёклами. Они могут
использоваться для создания высокоэффек-
тивных устройств хранения и передачи циф-
ровой информации, а в сочетании с коротко-
волновыми лазерами позволят производить
сверхмощные оптические запоминающие уст-
ройства и плёночные материалы с повышен-
ной чёткостью изображения. Наностёкла мо-
гут применяться для изготовления оптиче-
ских переключателей и тонких оптических
волноводов. В сознании обывателя очки-
«хамелеоны» и изменяющие интенсивность
затемнения автомобильные стёкла редко свя-
зываются с представлениями о наномире,
а ведь это именно так.
Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизаций, выполняя не только производственные, но и со¬циальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличался ка¬менный век от бронзового, век пара от века электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению экспертов, нынешний век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Знаменитый американский физик Р. Ф. Фейнман (1918—1988), ко¬торый в 1959 г. первым высказал идею конструирования веществ и ма¬териалов путём манипулирования отдельными атомами, утверждал, что проникновение в наномир — это бесконечный путь человечества, на котором он практически не ограничен материалами, а следует лишь за собственным разумом.
Вместе с тем опыт последних двух тысячелетий развития человече¬ства показывает, что лучшие научные достижения находят примене¬ние в первую очередь в разрушительных целях. Так было и с порохом, и с паровой машиной, и с атомной энергией. Чтобы нанотехнологии не превратились из всеобщего блага в страшную машину уничтожения всего живого на Земле, потребуется ваш разум, ваша гражданская по¬зиция, ваше понимание законов естествознания.
Следующий параграф будет посвящён комнатным и декоративным растениям и их значению в жизни че¬ловека.
Теперь вы знаете
► что такое нанотехнологии
► два подхода в нанотехнологии
► что такое молекулярный синтез и самосборка

► как происходит наноскопическое выращивание кристаллов и полимери¬зация
► какова роль нанотехнологии для различных областей науки и техники
Теперь вы можете
► объяснить, почему наночастицы обладают специфическими физически¬ми и химическими свойствами, обусловившими их уникальные функцио¬нальные возможности
► описать метод импринт-литографии
► определить практическое значение нанотехнологий для развития элек¬троники, медицины, сельского хозяйства, экологии, оптики, авиации, космонавтики и других областей человеческой деятельности
Выполните задания
1. Назовите методы в нанотехнологиях, применяемые в подходе «снизу — вверх», «сверху — вниз». Охарактеризуйте практическое применение каждого метода.
2. Объясните, что представляют собой нанотрубки. В каких областях чело¬веческой деятельности они могут использоваться?
3. Диаметр углеродной нанотрубки равен 0,000000052 м. Переведите эту величину в сантиметры, миллиметры, нанометры, каждое из чисел пред¬ставьте в стандартном виде.
4. В 1982 г. знаменитый польский фантаст Станислав Лем в своём романе «Проверка на месте» описал сверхминиатюрных роботов размером с мо¬лекулу, которые «трудятся», например, в организме человека, улучшая его здоровье. Приведите примеры веществ молекулярного и немолеку¬лярного строения, назовите типы химической связи, которые вы знаете.
5. Расскажите о грандиозном проекте космического лифта, который хотели осуществить с помощью углеродных нанотрубок.
Темы для рефератов
1. Научная деятельность нобелевского лауреата Р. Фейнмана. 2. Квантовые точки, их методы получения и применение. 3. Нанотехнологии в произведени¬ях научной фантастики (литература, кино). 4. Развитие наноиндустрии в Рос¬сии: успехи и трудности.

Естествознание 11 класс, часть 7

1. Назовите температурные шкалы, которые вы знаете, и формулы для перевода показателей одной шкалы в другую.
2. Вспомните произведения научной фантастики, в которых описаны про¬тотипы современных приборов и аппаратов, применяемых сегодня в ме¬дицине и других областях.
N
АНТРОПОМЕТРИЯ. Среди многообразных и сложных процессов, проте¬кающих в организме человека, можно выделить некоторые процессы, имеющие физическую природу. Например, дыхание связано с движе¬нием газа, которое изучает такой раздел физики, как аэродинамика, с теплоотдачей, которую рассматривает термодинамика, с испарени¬ем, которое является примером фазовых превращений веществ.
Большинство измерений, проводимых с целью диагностики и ис¬следования организма человека, являются физическими измерениями или измерениями физико-химических величин. Нередко физические факторы применяются для воздействия на организм с целью лечения. И в том, и в другом случае используются особые физические приборы.
Антропометрия — это измерение основных физических по¬казателей человека (взвешивание, измерение длины тела, основ¬ных показателей дыхания и т. д.).
Для измерения длины тела используют ростомер, представляющий собой вертикальную планку с нанесённой на ней сантиметровой шка¬лой, укреплённую на площадке. На рост человека влияют многочис¬ленные социальные и экологические факторы, наследственность, бо¬лезни, возраст, пол, а также принадлежность к той или иной группе народов. Так, средний рост китайцев-горожан — 170 см (у мужчин) и 158 см (у женщин), средний рост россиян составляет 176 см и 164 см соответственно, голландцев — 184,8 см и 168,7 см.
Измерение массы тела производят на медицинских весах. Для опре¬деления оптимального веса человека предложен ряд формул. Часто ис¬пользуют так называемые весоростовые индексы, характеризующие нормальный вес человека в сравнении с длиной тела. Например, ин¬декс Брока: из значения длины тела (в см) вычитают 100, т. е. P = L — — 100, где Р — масса тела (в кг), L — длина тела.

Для измерения основных показателей ды-
хания используют специальный прибор спи-
рометр (рис. 122). Человек делает глубокий
вдох и, зажав нос, выдувает воздух через спи-
рометр. Специальная шкала показывает, ка-
кой объём воздуха выдыхает человек.
При спокойном вдохе и выдохе через лёг-
кие проходит сравнительно небольшой объём
воздуха. Это дыхательный объём, который
у взрослого человека составляет примерно
500 мл. Акт вдоха проходит несколько бы-
стрее, чем акт выдоха. Обычно за одну минуту
совершается 12—16 дыхательных циклов.
При форсированном (глубоком) вдохе человек может дополнительно
вдохнуть ещё определённый объём воздуха. Этот резервный объём вдо-
ха, максимальный объём воздуха, который способен вдохнуть человек
после спокойного вдоха, равен примерно 1,8—2,0 л.
Жизненная ёмкость лёгких — это объём воздуха, выдохну-
того из лёгких после максимального вдоха при максимальном вы-
дохе, который составляет в среднем у мужчин 3,5—5,0 л, у жен-
щин — 3—4 л.
ТЕПЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ТЕПЛОТЕРАПИЯ. Точные измерения темпера-
тур — это неотъемлемая часть медицинской диагностики. С этой це-
лью используют специальные устройства — термометры. Температу-
ра тела человека является показателем теплового состояния организ-
ма и остаётся относительно постоянной. В норме температура тела
человека, измеренная в подмышечной впадине, колеблется в пределах
36,4—36,8 °С.
Кроме хорошо известного всем ртутного
термометра в практику всё более входят со-
временные термометры, например электрон-
ный (рис. 123). Такой термометр измеряет
температуру тела при помощи специального
встроенного чувствительного датчика, а ре-
зультат измерений отображает в цифровом
виде на дисплее. Электронный термометр
имеет ряд преимуществ по сравнению с ртут-
ным: он безопасен (не содержит ртути), его не-
возможно разбить, времени на измерение тем-
пературы уходит меньше, его можно исполь-
зовать даже в темноте, он имеет память с
последними измерениями (от 1 до 25).
/
Рис. 123. Ртутный и электронный термо-метры
Рис. 122. Определение жизненной ёмкости лёг-ких с помощью спиро-метра

Повышенные и низкие температуры широко применяются в меди-
цинской практике. Для лечения используют нагретую воду до +45 °С,
торф и грязи (до +50 °С), парафин (до +60—70 °С). Такой диапазон на-
грева объясняется различной теплоёмкостью этих веществ. Как уни-
версальное охлаждающее средство в медицине используется лёд. При-
менение низких температур для лечения носит название криогенного
метода.
УЛЬТРАЗВУК. ИЗМЕРЕНИЕ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ. Ультразвук ис-
пользуют для диагностики заболеваний человека.
Механические колебания и волны с частотами более 20 кГц на-
зываются ультразвуком.
Метод определения опухолей и отёков головного мозга называется
энцефалографией. Измерение размеров сердца в динамике производят
с помощью метода ультразвуковой кардиографии. При операциях
ультразвук применяют как своеобразный скальпель, способный рассе-
кать и мягкие, и костные ткани. Способность ультразвука измельчать
лекарственные вещества, помещённые в жидкость, используется для
получения аэрозолей, которые применяют для лечения туберкулёза,
бронхиальной астмы, катара верхних дыхательных путей.
Органом, который создаёт непрерывное движение крови по сосу-
дам, а следовательно, и давление в них, является сердце. Этот удиви-
тельный орган, неустанно рабо-
тающий на протяжении всей
жизни человека, во все времена
восхищал поэтов и вдохновлял
их на замечательные стихи.
Как вы уже знаете, артери-
альное давление — это давление
крови в крупных артериях чело-
века. Оно складывается из двух
показателей: верхнего (систолического) давления — показывает уро¬вень давления крови в момент максимального сокращения сердца и нижнего (диастолического) — показывает уровень давления крови в момент максимального расслабления сердца. Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Напомним, что оптимальное значение величины артериального давления у чело¬века составляет 120/80. Это означает, что величина верхнего давления равна 120 мм рт. ст., а нижнего — 80 мм рт. ст. Вы уже знаете, что на¬рушения артериального давления характеризуются гипертонией и ги¬потонией.
Гипертония — стойкое повышение артериального давления от 140/90 мм рт. ст. и выше. Симптомами гипертонической болезни по-
Что такое сердце?
Камень твёрдый?
Яблоко с багрово-красной кожей? Может быть, меж рёбер и аортой Бьётся шар, на шар земной похожий?
Э. Межелайтис
\

Рис. 124. Разные виды тонометров
мимо резкого повышения артериального давления (криза) являются
головные боли, головокружение, тошнота, нарушение слуха. Гиперто-
ния — это причина болезней сердца, головного мозга, сосудов глаз, по-
чек. Повышение давления на каждые 10 мм рт. ст. увеличивает риск
развития сердечно-сосудистых заболеваний на 30%. У людей с повы-
шенным давлением в 7 раз чаще развиваются нарушения мозгового
кровообращения (инсульты), в 4 раза чаще бывает ишемическая бо-
лезнь сердца, в 2 раза чаще — поражение сосудов ног.
Гипотония — низкое артериальное давление от 100/60 мм рт. ст. и
ниже. Она приводит к недостаточному кровоснабжению и кислородно-
му голоданию головного мозга, в результате чего появляются слабость,
вялость и утомляемость.
Измерение артериального давления связано с именем русского хи-
рурга Н. С. Короткова (1874—1920), который предложил для этой
цели простой прибор — тонометр, состоящий из механического ма-
нометра, манжеты с грушей и фонендоскопа. Метод основан на полном
пережатии манжетой плечевой артерии и выслушивании тонов, воз-
никающих при медленном выпускании воздуха из манжеты. Для из-
мерения артериального давления в настоящее время применяются
также и электронные полуавтоматические и
автоматические тонометры (рис. 124).
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И ЛАЗЕ-
РОВ В МЕДИЦИНЕ. Постоянный ток использу-
ется в лечебной практике для введения через
кожу или слизистые оболочки организма че-
ловека лекарственных средств, этот метод на-
зывается электрофорезом. С использованием
электрического тока работают такие меди-
цинские приборы, как электростимуляторы и
дефибрилляторы, позволяющие спасти жизнь
пациенту.
Электростимуляторы (рис. 125) генери-
руют гармонические и импульсные электро-
магнитные колебания низких частот (напри-
Рис. 125. Схема дей-ствия электрофореза

мер, кардиостимуляторы, которые предна-
значены для воздействия на ритм сердца),
а высоких — дефибрилляторы (рис. 126),
кратковременно подают ток высокого напря-
жения (порядка 4000—7000 B) и приводят к
восстановлению нормальной деятельности
сердца.
Лазер — устройство, преобразующее
различные виды энергии (электрическую,
световую и др.) в энергию когерентного (со-
гласованного) электромагнитного излуче-
ния с высокой направленностью луча.
Лазеры могут давать излучение в весьма
широком диапазоне длин волн — от 100 нм
(ультрафиолетовый свет) до 1,2 мкм (инфра-
красное излучение) и работать как в непре-
рывном, так и в импульсном режиме. Само
слово «лазер» составлено из первых букв ан-
глийского словосочетания light amplification
by stimulated emission of radiation — усиле-
ние света посредством вынужденного излуче-
ния. В отличие от других источников света,
лазер генерирует световые лучи, способные
гравировать, сваривать, резать материалы,
передавать информацию, осуществлять изме-
рения, контролировать процессы, получать
особо чистые вещества, направлять химические реакции. Недаром
прототип лазера был положен в основу романа А. Н. Толстого «Гипер-
болоид инженера Гарина».
Развитие лазерной медицины идёт по трём основным направлени¬ям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика.
Лазерный луч, используемый в качестве скальпеля, например в хи¬рургии глаза (рис. 127) и пластической хирургии, делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагу¬лирует края раны, как бы приваривая встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды.
В основе лазерной терапии лежит влияние направленного светового потока (лазера) на живую ткань, клетки которой обновляются, восста¬навливают свою жизнедеятельность. Лазерный луч расширяет капил¬ляры, улучшает циркуляцию крови, питание тканей, а всё это вместе приводит к тому, что ускоряются процессы заживления в поражённых местах. Лазерная терапия благотворно влияет на иммунитет, умень¬
Рис. 126. Реанимация с помощью дефибрил-лятора
Рис. 127. Операция на сетчатке глаза при помощи лазера

шает вязкость крови, усиливает лимфоток, снижает холестерин, обез-
боливает, обладает антимикробным, антивирусным и противоаллер-
генным эффектом. В лазерной терапии низкоинтенсивные лучи при-
меняют для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца,
для уменьшения размеров опухолей. Особенно эффективна лазерная
терапия для лечения ЛОР-заболеваний: гайморитов, ринитов, синуси-
тов, тонзиллитов и связанных с ними заболеваний дыхательного аппа-
рата, например бронхиальной астмы.
Лазерная диагностика позволяет быстро и точно установить диа-
гноз при заболеваниях глаз, пищеварительной, кровеносной систем
и предложить эффективную программу их лечения.
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА. Для исследова-
ний организма человека используют метод магнитного резонанса —
избирательного поглощения электромагнитных волн, помещённых в
магнитное поле. Постепенно, послойно сканируя исследуемый орган,
врачи получают магнитно-резонансную то-
мографию (МРТ). На снимке можно различать
кости, сосуды, ткани с различными повреж-
дениями. Например, с помощью этого метода
можно отличить серое вещество мозга от бело-
го (рис. 128), опухолевые клетки от здоровых
даже в том случае, если размеры повреждён-
ных участков составляют доли миллиметра.
В 1896 г. весь мир обошёл рентгеновский
снимок кисти жены В. К. Рентгена (1845—
1923). На нём ясно были видны все кости
и даже кольца (рис. 129). Так в медицину во-
шёл метод, который в честь автора называют
рентгеном. Просвечивание внутренних орга-
нов с диагностической целью называют рент-
генодиагностикой. Используют для этого фо-
тоны с энергией 60—120 кэВ. Существенное
различие в поглощении разными тканями
рентгеновских лучей позволяет в теневой про-
екции видеть изображения внутренних орга-
нов и скелета человека. Если исследуемый ор-
ган и окружающие ткани примерно одинако-
во задерживают рентгеновское излучение, то
используются специальные контрастные ве-
щества. Например, при рассмотрении кишеч-
ника и желудка пациентам натощак дают ка-
шеобразную массу сульфата бария — «бари-
товую кашу». Яркость изображения зависит
от интенсивности рентгеновского излучения.
Рис. 128. МРТ — снимок
головного мозга
Рис. 129. Снимок кисти жены В. К. Рентгена фрау Берты

Чтобы уменьшить нежелательные биологические последствия для ор¬ганизма, снижают интенсивность такого излучения, используют дру¬гой вариант рентгенографии — флюорографию, при которой на чув¬ствительной плёнке фиксируется изображение с большого рентгенов¬ского экрана. Рентген используется также для получения послойного, объёмного изображения тела — томографии.
Теперь вы знаете
что такое антропометрия
для чего проводят теплотерапию
как меряют артериальное давление
зачем применяют электрический ток и лазер в медицине
что такое магнитный резонанс и рентгенодиагностика
Теперь вы можете
► перечислить аппараты, используемые в медицине для диагностики и ле¬чения
► объяснить, что такое жизненная ёмкость лёгких и её средние показа¬тели
► дать определение ультразвука, электрофореза, антропометрии
► назвать заболевания, которые успешно диагностируются и лечатся с по¬мощью лазера
Выполните задания
1
Запишите в тетради некоторые свои антропометрические показатели: рост, вес, жизненную ёмкость лёгких, температуру. Как эти показатели соотносятся с нормой? Сделайте вывод и в случае необходимости пред¬ложите соответствующие рекомендации по приведению показателей в норму.
2. Объясните, какое применение в медицине находят ультразвук, электро¬форез, лазеры, магнитный резонанс и рентгеновское излучение.
3. Расскажите, как создаётся кровяное давление, как оно измеряется, как называется прибор для его измерения, каковы оптимальные значения ве¬личины артериального давления.
4. Перечислите симптомы гипертонии и гипотонии.
5. Опишите принцип работы стимуляторов и дефибрилляторов и их назна¬чение в медицинской практике.
6. Проведите сравнительный анализ рентгенограммы и снимка магнитно¬резонансной томографии.

© Темы для рефератов
1. Лазерная терапия при воспалительных заболеваниях ЛОР-органов.
2. Ионогальванизация и фарадизация. Показания к применению. 3. Озокери- тотерапия — один из видов теплотерапии. 4. Нобелевский лауреат В. К. Рент¬ген: научная деятельность и открытие икс-лучей.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ 5 Создай лицо ребёнка
Цель работы: нарисовать лицо ребёнка на основе упрощённой модели наследования некоторых доминантных и рецессивных признаков черт ли ца че ло ве ка.
Оборудование: монетка, цветные карандаши.
Ход работы
1. Определите пол ребёнка, подбросив монету: генотип девочки ХХ (решка), мальчика ХУ (орёл).
2. Определите черты лица ребёнка, используя приложение и монету (орёл — доминантный признак, решка — рецессивный; первый ген — от мамы, второй — от папы). Полученные данные занесите в таблицу.
Признак Ген от мамы Ген от папы Генотип Фенотип
1. Форма лица
2. Очертание подбородка
3. …
3. Нарисуйте лицо «получившегося» ребёнка.
4. Рассчитайте в процентах, сколько доминантных признаков гене¬тически привнёс каждый из родителей.
5. Сделайте вывод о проделанной работе.
Приложение
1. Форма лица:
круглая (RR; Rr) квадратная (rr)

2. Очер та ние под бород ка:
очень вы даю щий ся ме нее вы даю щий ся
(VV; Vv) (vv)
3. Форма подбородка наследуется только в том случае, если подбо¬родок очень выдающийся, и не наследуется, если менее (так как имеет место ре зультат суп рес сии ге нов, на зы ваю щий ся эпи стазом): круглый квад рат ный
(RR; Rr) (rr)
4. Ямочка на подбородке:
при сут ст вует от сут ст вует
(АА; Аа) (аа)
5. Цвет кожи наследуется полимерными генами А, В, С, которые обладают аддитивным эффектом. За каждого родителя подбрасываем монету три раза для определения генотипа каждого из генов. Напри¬мер, первая пара может иметь следующие генотипы: АА; Аа; аа — со¬ответственно такие же пары образуются для генов В и С.
Чем больше доминантных генов присутствует в геноме, тем более активно проявляется пигментация кожи:
6 доминантных генов — очень чёрная кожа;
5 доминантных генов — очень коричневая кожа;
4 доминантных гена — тёмно-коричневая кожа;
3 доминантных гена — коричневая кожа;
2 доминантных гена — светло-коричневая кожа;
1 доминантный ген — смуглая кожа;
0 доминантных генов — белая кожа.
6. Цвет волос — подобно цвету кожи наследуется полимерными ге¬нами. Принимая во внимание, что в образовании цвета волос участву¬ют четыре гена — А, В, С, D, — подбрасываем монету четыре раза за каждого родителя.
8 доминантных генов — чёрные волосы;
7 доминантных генов — тёмно-коричневые волосы;

6 доминантных генов — тёмно-каштановые;
5 доминантных генов — каштановые;
4 доминантных гена — светло-русые;
3 доминантных гена — светло-рыжеватые;
2 доминантных гена — блондин (блондинка);
1 доминантный ген — очень светлый блондин (блондинка);
0 доминантных генов — белые (альбинос).
7. Рыжие волосы определяются единственным геном, представлен¬ным двумя аллелями Red (Л) и red (г), и проявляются только в сочета¬нии с доминантным геном.
RR — ярко-рыжие; Rr — светло-рыжие; гг — отсутствие рыжих во¬лос.
Рыжие волосы проявляются, только если у вашего ребёнка меньше шести доминантных генов.
8. Тип волос:
курчавые (СС) вьющиеся (Сс) прямые (сс)
10. Цвет бровей:
очень тёмный (HH), тёмный (Hh), светлый (hh).
Помните, что цвет бровей может быть иным, чем цвет волос.
11. Толщина бровей:
9. Волосы на лбу сходятся впереди в центре:
есть признак (Ww)
нет признака (ww)
густые (ВВ; ВЬ)
тонкие (bb)

соединяются (nn)
12. Рас поло же ние бро вей: не соединяются (NN; Nn)
13. Цвет глаз.
Определяется результатом действия двух пар генов, доминантные аллели формируют пигмент, рецессивные — снижают представитель¬ство цвета. Первый ген представляет переднюю часть сетчатки, а вто¬рой — заднюю. Детерминируют первый ген А, а затем второй — В.
ААВВ — тёмно-карие; ААВв, АаВВ — карие; АаВв — светло-ка¬рие; ААвв, ааВВ — тёмно-синие; Аавв, ааВв — голубые; аавв — свет¬ло-голубые.
Примечание: в действительности цвет глаз определяет намного бо¬лее сложная система, чем предложенная.
14. Расстояние между глаз:
близ ко по са жен ные (ТТ)
сред нее рас стоя ние (Tt)
ши ро ко
рас ставлен ные
(tt)
15. Размер глаз: большие (ЕЕ)
средние (Ее)
ма лень кие (ее)
16. Форма глаз: удлинённая (АА, аа)
17. Расположение: горизонтальное (HH, Hh)
круглая (аа)
угол поднят кверху (hh)

18. Ресницы: длинные (LL, Ll)
корот кие (ll)
19. Размер рта:
большой (ММ)
средний (Мт)
ма лень кий (mm)
20. Тол щи на губ: полные (LL, Ll)
тонкие (ll)
21. Выпуклость губ: очень
пухлые (HH)
умеренно пухлые (Hh)
22. Ямочки на щеках: есть
нет
23. Размер носа: боль шой (NN)
средний (Nn)
не пухлые (hh)
ма лень кий (nn)
cLh

24. Форма носа: круглый (Rr)
за ост рён ный (гг)
25. Форма ноздрей: круглые (RR, Rr)
26. Мочка уха: свободная (FF, Ff)
27. Дар ви новская точ ка:
есть (DD, Dd)
28. Ямка на мочке:
есть (РР, Рр)
сросшаяся (ff)
нет (dd)
нет (рр)

29. Волосы на ушах (волосы на ушах — признак, сцепленный с по¬лом, локализуется в У-хромосоме и проявляется только у мужчин): есть (HH, Hh) нет (hh)
30. Веснушки на щеках:
есть (FF, Ff) нет (ff)
31. Веснушки на лбу:
есть (ZZ, Zz) нет (zz)
6 Оценка биологического возраста
Цель работы: оценить собственный биологический возраст. Оборудование: секундомер, тонометр, спирометр.
Ход работы
1. Определите индекс самооценки здоровья (СОЗ). На 27 вопросов анкеты дайте ответ «да» или «нет», на последний (28-й) — «хорошее», «удовлетворительное», «плохое», «очень плохое». Ответ «да» на пер-

вые 24 вопроса и ответ «нет» на вопросы 25—27 оценивается в 1 балл; прибавьте ещё 1 балл, если на последний вопрос дан ответ «плохо» или «очень плохо».
Анкета «Самооценка здоровья»
1) Беспокоит ли вас головная боль?
2) Можно ли сказать, что вы легко просыпаетесь от любого шума?
3) Беспокоит ли вас боль в области сердца?
4) Считаете ли вы, что у вас ухудшилось зрение?
5) Считаете ли вы, что у вас ухудшился слух?
6) Стараетесь ли вы пить только кипячёную воду?
7) Уступают ли вам место младшие по возрасту в городском транс¬порте?
8) Беспокоит ли вас боль в суставах?
9) Влияет ли на ваше самочувствие перемена погоды?
10) Бывают ли периоды, когда из-за волнений вы теряете сон?
11) Беспокоит ли вас боль в области печени?
12) Бывает ли у вас головокружение?
13) Стало ли вам труднее сосредоточиться, чем в прошлые годы?
14) Беспокоит ли вас ослабление памяти, забывчивость?
15) Ощущаете ли вы в различных областях тела жжение, покалыва¬ние, мурашки?
16) Беспокоит ли вас шум или звон в ушах?
17) Держите ли вы для себя в домашней аптечке валидол, нитрогли¬церин, сердечные капли?
18) Бывают ли у вас отёки на ногах?
19) Пришлось ли вам отказаться от некоторых блюд?
20) Бывает ли у вас одышка при быстрой ходьбе?
21) Беспокоит ли вас боль в области поясницы?
22) Приходится ли вам употреблять в лечебных целях какую-либо минеральную воду?
23) Можно ли сказать, что вы стали легко плакать?
24) Бываете ли вы на пляже?
25) Считаете ли вы, что сейчас вы так же работоспособны, как и прежде?
26) Бывают ли у вас такие периоды, когда вы чувствуете себя ра¬достно возбуждённым, счастливым?
27) Как вы оцениваете состояние своего здоровья?
Запишите ваш индекс СОЗ, он может быть от 0 баллов при идеаль¬ном до 28 баллов при очень плохом самочувствии.
2. С помощью тонометра измерьте своё артериальное давление.
3. По формуле определите пульсовое артериальное давление:
АДП = АДВ — АДН, где АДП — артериальное давление пульсовое; АДВ — артериальное давление верхнее; АДН — артериальное давление нижнее.

4. Определите жизненную ёмкость лёгких (ЖЕЛ) в положении сидя.
5. Определите продолжительность задержки дыхания в секундах после глубокого вдоха (ЗДвд) и глубокого выдоха (ЗД ).
6. Определите длительность статической балансировки (СБ) при стоянии на левой ноге без обуви с закрытыми глазами и руками, опу¬щенными вдоль туловища, без предварительной тренировки. Берите наилучший результат из двух попыток.
7. Вычислите свой биологический возраст (БВ) по формулам:
для мужчин:
БВ = 44,3 + 0,63-СОЗ + 0,40-АДВ — 0,22АДН — 0,22-АДН — — 0,004-ЖЕЛ — 0,11-ЗДвд + 0,08^ЗДВЫд — 0,13^СБ;
для женщин:
БВ = 17,4 + 0,82^ СОЗ — 0,005^АДВ + 0,16^АДН +
+ 0,35-АДП- 0,004^ЖЕЛ + 0,04^ЗДвд — 0,06 ЗДвыд — 0,1ЬСБ.
8. Оцените результаты исследования. Чтобы судить, в какой степе¬ни старение соответствует вашему календарному возрасту (КВ), надо сопоставить вашу величину БВ с величиной БВ (ДБВ), которая харак¬теризует возрастной стандарт и вычисляется по формулам:
ДБВ = 0,661^КВ + 16,9 (для мужчин);
ДБВ = 0,629^КВ + 15,3 (для женщин).
Вычислите индекс старения (ИС) по формуле:
ИС = =
ДБВ
При ИС >1 индивидуальная степень старения выше календарного возраста, при ИС < 1 — меньше календарного возраста.
9. Занесите полученные результаты в протокол исследования.
10. Оцените индивидуальную степень старения. Укажите факторы образа жизни, существенно влияющие на биологический возраст.
7 Оценка индивидуального уровня здоровья
Цель работы: оценить индивидуальный уровень собственного здоро¬вья и здоровья близких родственников.
Оборудование: секундомер, ростомер, весы.
Ход работы
Оценка ведётся в условных единицах — баллах или очках — по сле¬дующим критериям.
1. По возрасту. Каждый год до 20 лет даёт 1 балл. От 20 до 40 лет баллы не прибавляются. После 40 лет за каждый прожитый год отни¬мается 1 балл от 40. Например, для возраста 50 лет даётся оценка 30 баллов (40—10). Оцените в баллах собственный возраст и возраст одного из близких родственников (родителей, бабушки, дедушки).

2. По соотношению роста и массы тела. Согласно формуле: нор¬мальный вес = рост — 100. Если истинный вес (ваш или родственника) превышает нормальный более чем на 5 кг, то от оценки здоровья отни¬мается 30 баллов. Если же истинный вес меньше нормального на 5—10 кг, то оценка увеличивается на 5 баллов.
3. По фактору риска — курению. Некурящие получают дополни¬тельно 30 баллов.
4. По пульсу. Если пульс в состоянии покоя меньше 90 ударов в ми¬нуту, то за снижение его на один удар в минуту к общей сумме всех по¬казателей прибавляется 1 балл. Если пульс в состоянии покоя превы¬шает 90 ударов в минуту, то за каждый лишний удар из оценки здоро¬вья вычитается 1 балл.
5. По скорости восстановления пульса после дозированных нагру¬зок. Необходимо подсчитать пульс в покое и после интенсивных при¬седаний в течение минуты — через четыре минуты отдыха. Если пульс восстановился, к оценке здоровья приплюсовывается 30 баллов. Если пульс выше исходного — значит, восстановление не полное, резервы сердечно-сосудистой системы невелики, и от 30 отнимается избыточ¬ное число ударов, а остаток прибавляется к общей оценке здоровья.
6. По загруженности активной физической деятельностью и вы-носливости организма. Если вы регулярно занимаетесь оздоровитель¬ным бегом, ходьбой, плаваете в бассейне или ездите на велосипеде, вы¬полняете утреннюю гигиеническую гимнастику, то к общей сумме прибавляется 10 баллов. Если вы ведёте малоподвижный образ жизни, привыкли ездить на машине и не ходите пешком, словом, у вас гипо¬динамия, то необходимо уменьшить общую сумму на 20 баллов.
Теперь сложите все 6 полученных показателей. Оценку уровня здо¬ровья можно сделать по модифицированной классификации состоя¬ния человека, показанной в таблице 13.
ТАБЛИЦА 13
Уровень здоровья Количество баллов
Оптимальный уровень здоровья и адаптации, отличное состояние здоровья 101 и более
Хороший уровень здоровья и адаптации, состояние здо¬ровья среднее или хорошее 61—100
Удовлетворительный уровень здоровья с нарушением механизмов адаптации, состояние здоровья удовлетвори¬тельное 41—60
Неудовлетворительный уровень здоровья с недостаточ¬ной адаптацией, практически здоров 21—40
Неудовлетворительный уровень здоровья со срывом адап¬тации, предболезнь 20 и менее
Болезнь < 0

Запишите полученные результаты (отдельно для себя и родственни¬ка), оцените индивидуальный уровень здоровья. При неудовлетвори¬тельных результатах проведите анализ причин отклонения вашего здоровья от нормы.
8 Определение суточного рациона питания
Цель работы: составить свой суточный рацион питания.
Оборудование: таблица химического состава и калорийности основ¬ных пищевых продуктов, калькулятор.
Ход работы
Суточная энергетическая потребность подростков в возрасте 15— 17 лет составляет 13 440 000—14 700 000 кДж. Единицей измерения энергии является джоуль (Дж). Однако в физиологии и медицине ис¬пользуют внесистемную единицу — калорию или килокалорию. Взаи¬мосвязь этих единиц: 1 ккал = 4,19 кДж.
1. Пользуясь таблицей 14, рассчитайте свой суточный рацион пита¬ния за один (вчерашний) день
ТАБЛИЦА 14
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И КАЛОРИЙНОСТЬ ОСНОВНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
(В РАСЧЁТЕ НА 100 г)
Продукт Количество, г Калорий¬
ность,
ккал
белков жиров углеводов
Хлеб ржаной 6,6 1,2 35,5 181
Хлеб пшеничный 7,6 0,8 49,4 238
Масло сливочное 0,8 72,5 1,3 661
Сыр голландский 23,5 30,9 — 380
Колбаса полукопчёная 16,5 34,0 — 376
Колбаса варёная 12,8 22,2 1,5 257
Шпроты 17,4 32,4 0,4 364
Салат из капусты 1,0 4,7 8,9 84,6
Винегрет 1,0 2,4 7,4 57,5
Борщ (порция) 5,8 23,1 34,9 270
Суп рисовый с мясом (порция) 10,2 9,6 25,6 232

Продукт Количество, г Калорий¬
ность,
ккал
белков жиров углеводов
Котлета домашняя 14,6 11,8 13,6 220
Свинина жареная 20,0 24,2 — 298
Сосиски отварные 11,2 24,9 — 270
Сардельки свиные 10,2 31,6 — 332
Рыба жареная 15,9 5,1 — 122
Курица жареная 26,3 11,0 — 204
Каша гречневая (порция) 9,5 7,9 56,0 334
Картофель жареный (порция) 4,4 30,6 58,8 544
Оладьи со сметаной (порция) 11,8 19,1 62,6 482
Яичница с колбасой (порция) 15,9 24,9 1,0 301
Блинчики с творогом (порция) 25,8 33,1 55,2 640
Яйца варёные 12,8 11,6 0,8 159
Сметана 2,8 20,0 3,2 206
Творог 16,7 9,0 2,0 159
Сырки творожные 7,1 23,0 27,5 341
Молоко 2,8 2,5 4,7 52
Кефир 2,8 3,2 4,1 56
Яблоки 0,4 — 11,3 46
Апельсины 0,9 — 8,4 38
Бананы 1,5 — 22,4 91
Изюм 1,8 — 69,1 262
Пирожное 4,1 29,0 34,8 417
Сдобная булочка 7,6 5,8 56,4 288
Мороженое сливочное 3,3 10,0 19,8 178
Печенье сдобное 10,4 5,2 76,8 458
Крекеры 9,8 14,1 66,2 439
Конфеты шоколадные 6,9 35,7 54,4 550

Продукт Количество, г Калорий¬
ность,
ккал
белков жиров углеводов
Конфеты леденцы Следы 0,1 95,7 370
Мармелад 0,4 Следы 76,6 293
Зефир 0,8 Следы 78,5 304
Чай с сахаром (стакан) — — 19,6 74,8
Кофе с молоком (стакан) 2,5 2,6 14,9 150
Сок яблочный (стакан) 1,0 — 18,2 76
2. Результаты расчётов суточного пищевого рациона этого дня зане¬сите в таблицу 15.
ТАБЛИЦА 15
СУТОЧНЫЙ ПИЩЕВОЙ РАЦИОН ПРЕДЫДУЩЕГО ДНЯ
Режим
питания Продукт Масса, г Содержание в данном количестве продукта, г Калорий¬ность, кДж
белков жиров углеводов
1-й завтрак
2-й завтрак
Обед
Ужин
3. Сравните данные расчётного суточного пищевого рациона с нор¬мативом, сделайте вывод об их соответствии.
4. Предложите оптимальный состав суточного пищевого рациона на учебный день в соответствии с нормативом.

Естествознание на службе человека

. Элементарны ли элементарные частицы?
\
1. Назовите известные вам элементарные частицы.
2. Перечислите фамилии учёных, разрабатывавших атомную теорию строения вещества.
3. Какие модели строения атома вам известны?
ФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ. Вам хорошо известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Ядро атома — тоже сложное образование. Оно состоит из протонов, несущих положительный заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. А можно ли разложить протон на более мелкие частицы? Если да, то являются ли эти мелкие частицы, в свою очередь, неделимыми? И вновь, как во времена Демокрита, научная мысль, отвечая положительно на этот во¬прос, опережала экспериментальные доказательства гипотез и мате¬матических расчётов. Эксперимент блестяще подтверждал одни пред¬положения, опровергал другие, давая пищу для новых поисков ответа на вопрос: как устроены известные в настоящее время человеку самые мельчайшие частицы материи?
Как связаны между собой вопросы тончайшего устройства наноми- ра с проблемами мегамира — рождения Вселенной? Для чего была по¬строена самая большая в мире и самая дорогая экспериментальная установка — Большой адронный коллайдер?
\
Выслушай то, что скажу я, и ты, несомненно, признаешь, Что существуют тела, которых мы видеть не можем… Стало быть, ветры — тела, но только незримые нами… Далее запахи мы обоняем различного рода,
Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают…
И наконец, на морском берегу, разбивающем волны, Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет; Видеть, однако, нельзя, как влага на нём оседает,
Да и не видно того, как она исчезает от зноя.
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза…
Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше, Но отделение тел, из неё каждый миг уходящих,
Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.
Лукреций Кар

Если вещество нагреть до тем-
пературы в несколько миллионов
градусов, то от его атомов оторвут-
ся электроны и вещество, как вы
уже знаете, перейдёт в новое, чет-
вёртое агрегатное состояние —
плазму — ионизованный газ. Од-
нако ядра атомов при этом не раз-
рушатся, так как даже при такой
большой энергии преодолеть силы
ядерного притяжения не полу-
чится. Плазма, полученная таким
путём, называется высокотемпе-
ратурной в отличие от низкотем-
пературной плазмы, получить
которую можно действием элек-
трического поля на вещество.
На свойствах низкотемператур-
ной плазмы основана работа плаз-
менных панелей телевизоров, мониторов и некоторых других прибо-
ров (рис. 130).
ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА. ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ. Для того чтобы раз-
делить ядро атома на ещё более мелкие частицы, необходима очень
большая энергия, гораздо больше энергии, полученной при нагрева-
нии.
Учёные предположили: если столкнуть ядро атома с частицей, не-
сущейся с огромной скоростью и, следовательно, обладающей очень
высокой энергией, ядро может распасться на составляющие его части.
По осколкам можно будет воссо-
здать первоначальное строение
ядра, установить, из каких более
мелких частиц оно состоит. В ка-
честве частиц-«снарядов» для
бомбардировки атомных ядер ре-
шили использовать ионы или за-
ряженные элементарные части-
цы. Почему заряженные? Потому
что в электромагнитном поле им
можно придать направленное
движение с огромной скоростью.
Электрическая составляющая
электромагнитного поля разгоня-
ет частицу, придавая ей всё боль-
Рис. 131. Один из разработчиков ли-нейного ускорителя Р. Видероэ у модели прибора в лаборатории-музее В. К. Рентгена (Вюрцбург, Германия)
Рис. 130. Шаровидная плазменная лам па, принцип действия которой основан на ионизации заполняющего её газа

шую скорость и кинетическую энергию, а магнитная направляет ча¬стицу по заданной траектории. Установка для проведения подобных экспериментов называется линейным ускорителем элементарных частиц. Первые линейные ускорители были сконструированы в 20-х гг. XX в. (рис. 131).
В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик (1891—1974), бомбарди¬руя ядра атома бериллия а-частицами (ядрами атома гелия), выбил из них элементарную частицу нейтрон, наличие которого в составе ядра предсказывали за несколько лет до экспериментального доказатель¬ства его существования. Таким образом, было доказано, что в состав атомных ядер входят два типа элементарных частиц — протоны и ней¬троны. Именно потому, что эти частицы составляют ядро атома, их на¬зывают общим термином нуклоны (от лат. nucleus — ядро).
ДЕЛЕНИЕ ПРОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ. КВАРКИ. Установив, что ядро ато¬ма состоит из нуклонов, учёные задались вопросом: быть может, про¬тон и нейтрон тоже представляют собой комбинацию более мелких ча¬стиц? Для экспериментального подтверждения этой гипотезы нужно было ещё больше увеличить энергию сталкивающихся элементарных частиц. Как это сделать? Один из вариантов — увеличить длину про¬бега в линейном ускорителе частицы-«снаряда», чтобы в момент стол¬кновения она обладала достаточным запасом энергии.
Любые макроскопические аналогии процессов, происходящих в мире элементарных частиц, не вполне корректны, но позволяют луч¬ше представить себе суть происходящего. Чтобы её понять, вспомним некоторые основные законы механики.
Представьте, что яблоко с яблони упало вам на голову. Ничего страшного не произойдёт, а в случае с Ньютоном, если верить истори¬кам, такое падение принесло даже пользу — был открыт закон всемир¬ного тяготения. Но тогда яблоко под действием гравитационных сил двигалось с ускорением свободного падения (9,8 м/с) всего несколько метров, поэтому не успело приобрести значительную кинетическую энергию.
А теперь поднимем яблоко массой 200 г на высоту 100 м. Его потен¬циальная энергия составит:
где m — масса яблока, g — ускорение свободного падения, h — высота.
Отпустим яблоко. Оно устремится вниз, набирая всё большую ско¬рость. В момент встречи с землёй, по закону сохранения энергии, по¬тенциальная энергия яблока полностью перейдёт в кинетическую:
Е
п
mgh,

Приравняем выражения для кинетической и потенциальной энер-
гии и найдём скорость движения яблока в момент падения на землю:
,2
mv‘
= mgh, v = \2gli = 44,3 м/с.
2
Представляете, это практически максимальная скорость движения легкового автомобиля — 160 км/ч. Энергия нашего «снаряда» будет составлять:
Ек = 0,2‘а4,32 = 196 Дж.
Это уже довольно большое значение энергии, достаточное, чтобы проломить крышу того самого автомобиля.
Вернёмся к линейному ускорителю. Расчёты показали, что для до¬стижения желаемого результата увеличивать длину разгона элемен¬тарных частиц технически невозможно: ускоритель в этом случае дол¬жен иметь размеры, равные расстоянию от Москвы до Новосибирска.
Решение проблемы оказалось, как всегда, простым и гениальным. Надо обеспечить движение заряженных частиц не по прямой, а по окружности! Тогда разгонять частицы до момента столкновения мож¬но сколь угодно долго.
Циклический ускоритель заряженных частиц получил название циклотрон.
Эксперименты, проведённые на циклических ускорителях, под¬твердили расчёты учёных-физиков: протоны и нейтроны представля¬ют собой сложные частицы, в состав которых входят кварки. Элемен¬тарные частицы, состоящие из кварков, называют адронами.
Интересный факт: до сих пор остаётся неясным происхождение сло¬ва «кварк» и его связь с физикой больших энергий. По одной из вер¬сий слово было заимствовано М. Гелл-Манном (1929—1969), пред¬сказавшим в 1964 г. существование кварков, из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где оно обозначает звукоподражание крику чаек (quark).
Согласно современным представлениям, любое вещество Вселенной состоит из 12 фундаментальных частиц: 6 лептонов, к которым среди прочих относится знакомый вам электрон, и 6 типов кварков. Все эти частицы обладают массой.
ФОТО Н Ы, БОЗО НЫ, АНТИ ЧАСТИ ЦЫ. Однако кроме этих «массовых» ча¬стиц есть и некие виртуальные, обеспечивающие все известные типы взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, слабое, силь¬ное. Виртуальные частицы — это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность, поскольку их до сих пор никто никогда не видел. Однако в разных экспериментах физики могут заме-

тить следы их существования, поскольку оно, увы, весьма недолговечно. Они рождаются только в момент какого-либо взаимодействия, после чего или распадаются, или поглощают¬ся какой-нибудь из фундаментальных частиц. Считается, что они как бы переносят взаимо¬действие, т. е., контактируя с фундаменталь¬ными частицами, изменяют их характеристи¬ки, благодаря чему взаимодействие, собствен-но говоря, и происходит.
Так, например, при электромагнитных вза-имодействиях, которые изучены лучше всего, электроны постоянно поглощают и испускают виртуальные «безмассовые» частицы — фото¬ны, в результате чего свойства самих электро¬нов несколько изменяются и они становятся способными на такие «подвиги», как направ-ленное движение (т. е. электрический ток) или «перескок» с одного энергетического уровня на другой (при поглощении или испускании света).
Другие частицы, отвечающие за взаимодей¬ствие, называют бозонами. За счёт обмена бо¬зонами кварки, например, удерживаются в со¬ставе протона.
Кроме того, для каждой фундаментальной частицы учёным удалось доказать существо¬вание их противоположностей — антича¬стиц. Так, электрон имеет античастицу — по¬зитрон. Масса позитрона близка к нулю, а за¬ряд равен +1.
ДАЛЬНЕЙШИЕ ПУТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕ¬РИИ. Исследовательский азарт заставлял учё¬ных всё дальше и дальше «разбирать матрёш¬ку» мироздания: вещество — молекула — атом — ядро — нуклон — кварк… (рис. 132).
А что дальше? Как спуститься на следую¬щий, более глубинный уровень организации материи? Как вы догадываетесь, для этого не¬обходимо достичь ещё более высоких значе¬ний энергии сталкивающихся частиц. Каким образом?
Молекула 10’8… 10 10м
-Атомы
Атом
1П-10 10 м
Ядро 10“14… 10 15м
Нейтрон V Vv
дЭч
Протон
Нуклон
1 гг15 10 м
Кварк
Кварк
1Гк19 1Л’20
10 … 10 м
Рис. 132. Субмолекуляр- ные уровни строения вещества

Заряженная частица, движущаяся по окружности, обладает им¬пульсом, значение которого прямо пропорционально радиусу окруж¬ности и модулю вектора магнитной индукции поля.
Чем больше импульс частицы, тем больше её энергия. Скорость све¬та — величина постоянная, заряд для данной частицы тоже. Увели¬чить импульс можно только за счёт двух переменных величин — ин¬дукции магнитного поля и радиуса окружности, по которой движется частица.
Увеличение индукции магнитного поля ограничено проводимостью материалов ускорителей, они должны обладать сверхпроводимостью. Уменьшения электрического сопротивления можно достичь путём охлаждения. Итак, первый путь решения задачи — создание сверх¬проводящих материалов, желательно работающих при температурах много выше нуля.
Второй путь — увеличение радиуса траектории движения частиц. Осуществить это можно только за счёт увеличения размеров ускорите¬ля. Кроме того, учёные предложили ещё один простой и гениальный способ увеличения энергии столкновения: бомбардировать не покоя¬щуюся частицу движущейся, а сталкивать два встречных потока ча¬стиц, летящих навстречу друг другу. При такой «лобовой атаке» энер¬гия столкновения удваивается!
В 2001 г. в подземном тоннеле на границе Франции и Швейцарии, вблизи Европейского центра ядерных исследований, началось строи¬тельство самой грандиозной и дорогостоящей за всю историю челове¬чества экспериментальной установки — Большого адронного коллай¬дера.
Именно о Большом адронном коллайдере пойдёт речь в следующем параграфе.
Теперь вы знаете
► что изучает физика высоких энергий
► из чего состоят протоны и нейтроны
► что такое фотоны, бозоны, античастицы
► каковы дальнейшие пути исследования материи
Теперь вы можете
► объяснить, что такое ускоритель элементарных частиц
► перечислить элементарные частицы и дать их краткую характеристику

© Выполните задания
1. Дайте характеристику протонов, нейтронов и электронов по следующему плану: а) обозначение частицы; б) заряд частицы; в) масса частицы; г) взаимосвязь с положением химического элемента в Периодической си¬стеме Д. И. Менделеева.
2. Объясните, чем характеризуется каждое агрегатное состояние вещества, что такое плазма, какие виды плазмы существуют.
3. Назовите частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, а также 12 фундаментальных частиц, которые образуют вещества Вселенной.
4. Охарактеризуйте фотоны и бозоны. Определите, какова роль бозонов в мире кварков.
5. Определите, что такое кварки и адроны и с помощью каких установок учёные могут «разглядеть» их.
Темы для рефератов
1. Научная деятельность нобелевского лауреата М. Гелл-Манна. 2. Фермио- ны — базовые «кирпичики» всей материи. 3. Гипотетические частицы. 4. Ква¬зичастицы, их типы и свойства. 5. История открытия основных элементарных частиц. 6. Двенадцать фундаментальных частиц и вся Вселенная.
§3С.
Большой адронный коллайдер
V
1. Сравните теории происхождения Вселенной и древние легенды и мифы разных народов о сотворении мира.
2. Назовите основные этапы возникновения и эволюции Вселенной.
МОНТАЖ И УСТАНОВКА КОЛЛАЙДЕРА. Проект создания Большого адронного коллайдера (от англ. collide — сталкиваться, циклический ускоритель на сталкивающихся пучках), который должен был заме¬нить менее мощные установки, появился в 1984 г. Поскольку расчёт¬ная стоимость проекта значительно превышала расходы полёта на Луну, понадобилось долгих 10 лет, чтобы убедить ведущие державы в необходимости финансирования самого дорогостоящего физического эксперимента в истории человечества. Подумать только: в строитель¬ные работы, изготовление, монтаж и запуск коллайдера необходимо

было направить около 9,8 миллиарда долла-
ров! Тем не менее в 2001 г. реализация проек-
та была начата.
К проектным, конструкторским и научным
исследованиям по созданию коллайдера было
привлечено более 10 тыс. учёных из 100 стран
мира.
В качестве площадки для размещения ци-
клического ускорителя был выбран тоннель
длиной 27 км, расположенный на глубине от
50 до 175 м на границе Франции и Швейца-
рии, недалеко от Женевы (рис. 133).
В подземном тоннеле были установлены
два полых кольца — трасса для движения заряженных частиц. Для
разгона протонных пучков и удержания их на круговой орбите на кол-
лайдере были установлены 1624 сверхпроводящих магнита. Магниты
приобретают сверхпроводимость при охлаждении до температуры
1,9 К (-271 °С). Это лишь чуть выше температуры абсолютного нуля,
ниже температуры открытого космоса. Такое глубокое охлаждение до-
стигается за счёт использования
нескольких тонн жидкого гелия,
температура кипения которого
составляет всего 4 К.
На всём протяжении трассы в
точках столкновения встречных
потоков частиц были установле-
ны 6 детекторов различной кон-
струкции и назначения, способ-
ных регистрировать всё происхо-
дящее (рис. 134).
Во второй половине 2008 г. пу-
сконаладочные работы на кол-
лайдере были завершены, и 21 ок-
тября состоялось официальное
открытие ускорителя.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОЛЛАЙДЕ-
РА. Принцип действия ускорите-
ля заключается в следующем.
В коллайдер вводятся протоны,
которые собираются в 2808 пуч-
ков, по 1,15 • 1011 частиц в каждом
пучке. Под действием электро-
магнитного поля положительно
Рис. 134. Монтаж одного из детекторов коллайдера — «ATLAS»
Женевское
озеро
Швейцария
т «у»
Франция
Рис. 133. Аэросъёмка участка земной поверх¬ности, под которой расположен Большой адронный коллайдер

заряженные протоны разгоняются по круговым орбитам во встречных направлениях до фантастической скорости — лишь на 0,000002% меньше скорости света. При таких скоростях 27 км тоннеля (рис. 135) протоны пролетают менее чем за 0,0001 с, т. е. за 1 с они делают около 11 тыс. оборотов.
При выходе коллайдера на максимальную проектную мощность энергия каждого протона достигнет 7 ТэВ (тераэлектронвольт). Много это или мало? Для начала напомним, что возрастание какой-либо фи¬зической величины на каждые 3 порядка (в тысячу раз) обозначается приставками: «кило-», «мега-», «гига-», «тера-». Например, тактовая частота процессора вашего компьютера составляет порядка 2,5 ГГц. Наверное, вы бы не отказались «превратить» её в терагерцы, т. е. уве¬личить в 1000 раз.
Итак, энергия движущегося с максимальной скоростью протона со¬ставляет 7 ТэВ (7^1012 эВ), или 10-6 Дж. Эта величина сравнима с кине¬тической энергией летящего комара. Всего-то? Не торопитесь с оцен¬ками. Вспомните, какое громадное количество протонов сталкивается в коллайдере. А теперь подсчитаем их суммарную энергию:
Получается, что при соударении такого количества протонов выде¬ляется энергия, эквивалентная взрыву 100 кг тротила, а суммарная кинетическая энергия протонов сравнима с кинетической энергией ле¬тящего реактивного самолёта! В результате резкого возрастания тем¬пературы при соударении протоны должны распасться на минимально возможные составляющие, образуя вещество в первозданном состоя¬нии — так называемую кварк-глюонную плазму.
Таким образом, благодаря Большому адронному коллайдеру чело¬вечество сможет проникнуть так глубоко внутрь структуры материи, как никогда раньше.
ЗАДАЧИ, КОТОРЫЕ ЖДУТ РЕШЕНИЯ. На какие вопросы мы получим от¬веты с помощью экспериментов на коллайдере? Какие теоретические гипотезы будут подтверждены или опровергнуты? Почему в средствах массовой информации высказываются сомнения относительно безо¬пасности проведения экспериментов на коллайдере? Сначала опреде-лимся с задачами, которые ждут решения.
1. Происхождение массы.
Казалось бы, парадоксальная постановка вопроса. Тем не менее та¬кое знакомое нам всем понятие, как «масса», ещё мало изучено. Со¬гласно теории А. Эйнштейна, масса и энергия связаны соотношением:
2808 пучков • 1,15^10п протонов х х 10-6 Дж = 323^106 Дж, или 323 МДж.
E = mc2.

Мы уже говорили, что, по мне-
нию учёных, все известные взаи-
модействия обеспечиваются осо-
быми частицами, в частности бо-
зонами. В 1960 г. шотландский
физик П. Хиггс (р. 1929) вы-
сказал предположение, что всё
окружающее нас пространство
заполнено полем, впоследствии
получившим название хиггсов-
ского. В результате взаимодей-
ствия с этим полем, которое про-
ходит через всю Вселенную,
любая элементарная частица
приобретает энергию, а следова-
тельно, в соответствии с форму-
лой Эйнштейна, и массу. Взаимо-
действие поля с частицей происходит благодаря так называемым бозо-
нам Хиггса. Получается, что таинственный бозон Хиггса является
как бы творцом всего во Вселенной. Именно поэтому нобелевский лау-
реат Л. М. Ледерман (р. 1922) назвал этот бозон «частицей-богом».
В средствах массовой информации такое название трансформирова-
лось в не совсем корректные «божественная частица», «частица Бога».
Если бозон Хиггса действительно существует, его надеются зафикси-
ровать с помощью Большого адронного коллайдера (рис. 136).
2. Происхождение Вселенной.
Эксперимент на Большом адронном коллайдере позволит смодели¬ровать состояние вещества в первые мгновения рождения Вселенной.
Напомним, что учёные полагают, будто давным-давно Вселенная была сжата до объёма не больше песчинки. Все частицы, из которых сегодня состоит окружающий нас мир, находились в несвязанном со¬стоянии. Более 14 млрд лет назад произошёл Большой взрыв, в результате чего частицы начали разлетаться в разные стороны, охлаждаться, взаимодействовать между собой и объединяться в более сложные частицы. В первые мгновения из кварков образовались адро¬ны (в том числе протоны и нейтроны). Через секунду после Большого взрыва температура Вселенной понизилась до 109 К, из протонов и нейтронов начали образовываться ядра атомов. Спустя 300 тыс. лет в основном сформировались атомы всех известных химических эле¬ментов, а также состоящие из них вещества, и начали образовываться планеты и галактики. За счёт расширения на протяжении 14 млрд лет своего существования Вселенная остыла до температуры около 2,7 К и приобрела такие колоссальные размеры, что даже свет проходит её
Рис. 136. Моделирование, демонстри-рующее рождение бозона Хиггса

за миллионы лет. При этом расстояния между галактиками продолжа-
ют увеличиваться — Вселенная расширяется.
Столкновение элементарных частиц позволяет в миниатюре воссоз-
дать картину мироздания в первые мгновения после Большого взры-
ва — в состоянии кварк-глюонной плазмы. И учёные, пытаясь таким
образом проникнуть в глубь элементарных частиц, с помощью коллай-
дера решают ещё и загадку рождения Вселенной.
3. Исчезновение античастиц.
Учёные предполагают, что в момент Большого взрыва Вселенная
была симметрична, т. е. наряду с частицами вещества в равном коли-
честве должны были образоваться
частицы антивещества — их зер-
кального отражения. Например,
античастицей для электрона явля-
ется позитрон — частица с противо-
положными свойствами, имеющая
положительный, а не отрицатель-
ный заряд. Однако сегодня во Все-
ленной удаётся обнаружить только
вещество. Куда же девалось антиве-
щество? Полагают, что Большой
коллайдер даст уникальную воз-
можность понаблюдать за рождени-
ем и дальнейшей судьбой антивеще-
ства.
В конце лета 2008 г. завершился
длительный, продолжавшийся не-
сколько месяцев процесс охлаждения электромагнитов, которым
предстояло ускорять, направлять и фокусировать пучки протонов в
вакуумных трубах. Охлаждение обмоток этих электромагнитов до пе-
ревода их в сверхпроводящее состояние необходимо для того, чтобы
выдержать токи, требуемые для создания мощнейшего магнитного
поля. Всё было готово для проведения экспериментов с реальными
пучками протонов, однако неожиданный инцидент отодвинул ожида-
ния учёных более чем на год.
На Большом адронном коллайдере 19 сентября 2008 г. произошла серьёзная авария. Поломка одной из деталей повредила систему охлаждения, и тонна жидкого гелия вылилась прямо в тоннель. Как вы знаете, гелий — это простое вещество, относящееся к семейству благородных газов. Этот газ вполне оправдывает прежнее название родственных веществ, образованных элементами главной подгруппы VIII группы Периодической системы Д. И. Менделеева, — инертные газы. Гелий настолько индифферентен к атомам остальных химиче¬
Непонятны
голоса галактик,
различимые едва-едва.
Непонятно,
кто и как наладит
производство антивещества.
Смотрит в небо жерло телескопа,
от земных волнений отстранясь.
Звёзды
мы поймём ещё не скоро, — слишком далеко они от нас!
Р. Рождественский

ских элементов, что до сих пор не удалось получить ни одного соеди¬нения гелия. Именно поэтому гелий относительно безвреден для орга¬низма человека и животных. Ни один специалист, работавший в то время на коллайдере, не пострадал. Технические же поломки ока¬зались достаточно серьёзными. Выяснилось, что замене подлежало более 20 сверхпроводящих магнитов, масса некоторых из них до¬стигала 30 т. На ремонт и восстановление коллайдера ушло больше года.
Первые столкновения пучков протонов удалось осуществить в нояб¬ре 2009 г. Энергия соударений была в полтора десятка раз меньше максимальной, но переход на новую ступень в исследовании вещества был дан. Год спустя были получены первые научные результаты. Кол¬лайдер заработал ещё не в полную мощность, но столкновения прото¬нов с энергией 3,5 ТэВ привело к образованию частиц, косвенно свиде¬тельствующих о том, что существование бозонов Хиггса — не миф, а реальность. Однако, чтобы с уверенностью говорить о существовании «частицы-бога», необходимо накопить значительный эксперимен¬тальный материал.
Наконец, в июне 2011 г. мир облетело сообщение, что учёным уда¬лось получить и в течение 16 мин удерживать атомы антиводоро¬да — частиц, образованных отрицательно заряженным ядром и поло¬жительно заряженным позитроном.
ВОПРОС БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ КОЛЛАЙДЕРА. Насколько безо¬пасны эксперименты на коллайдере? Опасения некоторых учёных, подхваченные средствами массовой информации, рисуют следующую апокалиптическую картину. Искусственное получение бозонов Хиггса приведёт к неуправляемому скачкообразному росту массы, в результа¬те появится чёрная дыра, куда затянет всю материю если не Вселен¬ной, то, по крайней мере, нашей планеты. Всё живое прекратит своё существование, и вся материя вновь соберётся в мельчайшую песчин¬ку, затем вновь последует Большой взрыв. Появилась даже расхожая шутка: «У физиков есть замечательная традиция: один раз в 14 млрд лет они собираются вместе, чтобы построить Большой адронный кол¬лайдер…»
Учёные, отвечающие за безопасность работы коллайдера, утверж¬дают: пророчества скептиков не могут сбыться, потому что все экспе¬рименты, которые физики надеются провести на коллайдере, проис¬ходят в природе постоянно. Дело в том, что энергии в 7 ТэВ для эле¬ментарных частиц во Вселенной не является необычной. На самом деле частицы такой и даже большей энергии каждую секунду врезают¬ся в скафандр космонавта, вышедшего из космического корабля. С той же частотой они бы бомбардировали и наши тела, не будь у Земли ат-

мосферы. Воздушная оболочка спасает нас от этих частиц, которые зо¬вутся космическими лучами.
Вывод учёных однозначен: бояться нечего. Вероятность гибели че¬ловечества в результате удара астероида, вспышки ближайшей к Зем¬ле сверхновой звезды или новой мировой войны существенно больше, чем шансы уничтожить Вселенную при запуске Большого адронного коллайдера.
Стоят ли научные результаты, которые надеются получить на Боль¬шом адронном коллайдере, таких огромных средств? Вложения в нау¬ку тем и отличаются от вклада в банке, что заранее неизвестно, какой доход вы будете иметь. Постепенно, шаг за шагом научные открытия изменяют нашу повседневную жизнь, подарив нам радио, телевиде¬ние, компьютеры, Интернет, новые методы лечения и диагностики. Уже сегодня физика высоких энергий в этом смысле «чиста» перед об¬ществом — она окупила вложенные в неё средства сполна. В экспери¬ментах на Большом адронном коллайдере принимают участие самые талантливые учёные со всего мира, которых привлекает эта фундамен¬тальная область науки, работающая на краю знания и незнания.
Теперь вы знаете
► в чём заключается принцип действия коллайдера
► задачи, которые ждут решения
► как решаются вопросы безопасности при работе коллайдера
Теперь вы можете
подсчитать суммарную энергию протонов, сталкивающихся в коллай¬дере
перечислить вопросы, которые могут быть решены только с помощью экспериментов, проводимых на Большом адронном коллайдере
доказать, что коллайдер безопасен для окружающего мира и предполо¬жения об апокалипсисе — конце света — в связи с ним несостоятельны
Выполните задания
Опишите, как устроен Большой адронный коллайдер, за счёт чего дости¬гается сверхпроводимость установленных на нём магнитов, в чём состоит принцип его работы.
Длина окружности Большого адронного коллайдера составляет 26 659 м. Рассчитайте его радиус и диаметр.

3. Во время аварии на Большом адронном коллайдере в тоннель вылилась 1 т жидкого гелия. Рассчитайте количество вещества потерянного гелия и объём, который это количество вещества занимает при нормальных усло¬виях.
4. Математики обнаружили интересный факт: отношение массы протона к массе электрона равно 6п5. Ответьте, во сколько раз протон тяжелее электрона.
Темы для рефератов
1. Бозон Хиггса и его значение для науки. 2. Антивещество и антимир. 3. Тай¬на рождения Вселенной. 4. Участие российских учёных в работе Большого адронного коллайдера.

Естествознание 11 класс, часть 6

Назовите литературные произведения, в которых героями являются великаны и карлики.
2. Объясните, какие заболевания лечит врачэндокринолог.
ОСНОВНАЯ ФУНКЦИЯ ГОРМОНОВ. У людей, знакомых с биологией, функция гормонов в живых организмах ассоциируется с ролью дирижёра-виртуоза в большом симфоническом оркестре. Дирижёр координирует работу оркестровых групп всего большого коллектива музыкантов, каждый из которых хорошо знает свою партию, мастерски владеет инструментом. Однако очевидно, что без дирижёра исполнение музыкального произведения очень быстро превратится в бессмысленное чередование звуков, а гениальная музыка — в ужасную какофонию. Любой живой организм — сложнейшая и уникальная система органов и тканей, каждая из которых выполняет свою неотъемлемую и специфическую функцию. Как же осуществляется координация и согласование работы всех органов и систем живого организма? Что вы¬полняет роль той самой дирижёрской палочки, которая подчиняет единой цели и синхронизирует ювелирную биологическую работу каждого органа и их систем? Эту важнейшую функцию и выполняют вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции (или эндо¬кринными, как их называют врачи), они называются гормонами (от греч. hormao — приводить в движение, побуждать).
Гормоны — это биологически активные органические веще¬ства, которые вырабатываются железами внутренней секреции и регулируют деятельность органов и тканей живого организма.
Как вы уже знаете из курса биологии основной школы, жизнедея¬тельность любого организма регулируется с помощью двух систем — нервной и гуморальной (от лат. humor — жидкость).
Гуморальная регуляция — один из механизмов координации процессов жизнедеятельности организма, который осуществля¬ется через его жидкие среды (прежде всего, через кровь) с помощью химических веществ (в первую очередь гормонов).
Как известно, железы, вырабатывающие продукты — секреты, де¬лятся на две группы: эндокринные (или железы внутренней секре¬ции), не имеющие выводного протока, и экзокринные, снабжённые выводным протоком.
Большая часть желёз человека — эндокринные и выводных прото¬ков не имеют. Именно такие железы вырабатывают гормоны, посту¬пающие в кровеносные сосуды. По ним гормоны движутся, пока не по¬падут «в цель» — в те клетки организма, для воздействия на которые они и вырабатываются.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ ПО ЖЕЛЕЗАМ, КОТОРЫЕ ИХ ПРОДУЦИ¬РУЮТ. «Специализация» гормонов. В крови высших животных и чело¬века циркулирует около 50 гормонов. Классифицировать их можно по различным признакам. Проще всего группировать гормоны по отдель¬ным железам внутренней секреции, которые их продуцируют, напри¬мер:
1) щитовидная железа вырабатывает тироксин;
2) поджелудочная железа — инсулин и глюкагон;

—Половые железы женские
Тимус
(вилочковая
железа)
Поджелудочная
железа
Рис. 109. Эндокринная система человека
3) надпочечники — адреналин и норадреналин, а наружные отделы надпочечников (корковый слой) — целый набор гормонов (кортико- стерон и др.);
4) семенники и яичники — половые гормоны (тестостерон и эстро¬ген);
5) гипофиз — это мозговой придаток, один из самых маленьких ор¬ганов человеческого тела, размером с горошину.
Гипофиз является главным регулятором эндокринной системы (рис. 109). Эта железа внутренней секреции — придаток мозга, соеди¬нённый с ним коротким протоком. Гипофиз разделён на две основные части — переднюю и заднюю доли, а деятельность его контролируется гипоталамусом — участком мозга, отвечающим за нервную и эндо¬кринную системы человека. Передняя доля гипофиза вырабатывает 6 основных гормонов, задняя — 2 гормона.
Регулирование гормональной системы человека представляет со¬бой очень тонкий процесс. Железы, вырабатывающие гормоны, тес¬но взаимодействуют между собой и с нервной системой организма. И гормональная, и нервная системы рассылают по телу особые веще¬ства — химические переносчики информации (медиаторы), у каждо¬го из которых своя скорость передвижения и механизм действия (рис. 110).
Наиболее быстро передают информацию нервные клетки, это дви¬жение можно по скорости сравнить с электрическим импульсом. До¬статочно быстро действует гормон опасности и страха — адреналин (рис. 111).

Рис. 110. В. И. Суриков. Смеющаяся девушка. Этюд для картины «Взятие снежного городка». 1890
Рис. 111. М. В. Якунчикова. Страх. 1893—1895
Адреналин вырабатывается надпочечной железой человека, когда тот находится в большом напряжении, и немедленно дей¬ствует на нервную систему. Адре¬налин готовит организм к тому, чтобы противостоять опасности или избежать её. Учащается ды¬хание и частота сердечных сокра¬щений, расширяются зрачки, вы-деляется пот, мышцы приходят в состояние повышенной активно¬сти. Намного медленнее функцио¬нируют гормоны, воздействую¬щие на какой-либо орган, напри¬мер окситоцин (вырабатывается гипофизарной железой), отвечаю¬щий за выделение грудного моло¬ка кормящей матери. Ещё мед¬леннее действуют гормоны, регу¬лирующие такие процессы, как рост человека (соматотропин) или половое созревание (эстради- ол, тестостерон).
Часть гормонов оказывает дей¬ствие на системы организма, на¬ходящиеся на значительном уда¬лении от вырабатывающей гор¬мон железы. Например, гормон инсулин, регулирующий содер¬жание сахара в крови, вырабаты¬вается поджелудочной железой и с током крови попадает во все участки человеческого тела. На¬против, к гормонам локального действия относится секретин. Он вырабатывается в двенадцати¬перстной кишке в ответ на попа¬дание в организм пищи. Секре¬тин, преодолев по кровеносной системе совсем малое расстояние, поступает в расположенную ря¬дом поджелудочную железу и за-

ставляет её вырабатывать желудочный сок, содержащий пищевари-
тельные ферменты.
Другой гормон местного действия —
ацетилхолин — вырабатывается нерв-
ными окончаниями и вызывает сокра-
щение мышц после получения соответ-
ствующего нервного сигнала.
Когда гормон завершает свою рабо-
ту, он либо дезактивируется внутри
клетки, либо поступает в печень, где
расщепляется и выводится из организ-
ма или используется для производства
новых молекул гормонального веще-
ства.
Недостаточное или избыточное вы-
деление гормонов приводит к эндо-
кринным заболеваниям.
СВОЙСТВА ГОРМОНОВ. Понятно , что, выполняя столь многочислен¬ные и разнообразные функции, гормоны обладают соответствующим набором характерных свойств, важнейшие из которых:
— чрезвычайно высокая физиологическая активность — возмож¬ность очень малыми количествами гормонов производить весьма зна¬чительные изменения в работе органов и тканей (например, 1 г экдизо- на может вызвать линьку у 2^108 особей насекомых);
— дистанционное действие — способность регулировать работу органов, удалённых от железы, вырабатывающей гормон (это стано¬вится возможным, потому что гормоны доставляются к этим органам через кровь);
— быстрое разрушение в тканях (оказывая очень сильное влияние на работу органов и тканей, гормоны не должны накапливаться в них);
— непрерывное продуцирование (секреция) соответствующей желе¬зой (вызвано необходимостью постоянного регулирования, более или менее сильного воздействия на работу соответствующего органа в каж¬дый момент времени).
Из анализа характерных свойств гормонов как мощного средства гуморальной регуляции ясно, что их образование эндокринными же¬лезами должно в каждый момент времени точно соответствовать со¬стоянию организма. Обеспечение этого соответствия осуществляется по принципу обратной связи: не только гормон влияет на контролируе¬мую систему органов и процессы в ней, но и состояние самой системы определяет производительность соответствующей железы, скорость образования и количество вырабатываемого гормона. Например, сни¬жение концентрации глюкозы в крови тормозит секрецию инсулина и ускоряет секрецию глюкагона (гормона, стимулирующего рост кон¬
Когда человек боится — Выделяет адреналин.
Это знают собаки И, лая, бегут за ним.
Когда ты вбегаешь в комнату В черёмуховом платье,
За тобой залетают осы —
Ты выделяешь счастье.
Я знаю одного приятеля С тухлым взглядом деляги. Над ним всё летают мухи — Зависть он выделяет.
А. Вознесенский

центрации глюкозы в крови). Таким образом, благодаря принципу об¬ратной связи именно гормоны обеспечивают гомеостаз в организме.
Гомеостаз — это постоянство состава внутренней среды ор¬ганизма, контроль и регулирование содержания в нём воды, углево¬дов, электролитов и т. п.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ ПО ИХ ХИМИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИ¬КАМ. Гормоны классифицируют также по химической природе. Разли¬чают гормоны: белковой (пептидной) природы (инсулин, глюкагон); стероидной (сложной циклической) структуры (эстрогены, андро¬гены); производные аминокислот (адреналин, норадреналин).
Типичный представитель белковых (пептидных) гормонов — инсулин. Он вырабатывается в особых образованиях — островковом аппарате поджелудочной железы (островки Лангерганса), что доказа¬ли работы русского физиолога Л. В. Соболева (1876—1921). Своё на¬звание гормон получил от латинского слова insula — «остров». Остров¬ки Лангерганса продуцируют также и глюкагон.
Гипофункция островкового аппарата поджелудочной железы про¬является в повышении сахара в крови, в заболевании сахарным диа¬бетом. Первые упоминания о сахарном диабете историки медицины находят ещё в древних медицинских трактатах Индии, Китая. Даль¬нейшее его изучение показало, что один из главнейших симптомов ди¬абета — выделение больших количеств сахара с мочой, обезвоживание организма. Ткани утрачивают способность усваивать сахар, начинают вместо этого расходовать жиры и белки, человек худеет. При этом окисление жиров сопровождается образованием токсичных продук¬тов — так называемых кетоновых тел. Истощение и интоксикация приводят в конечном счёте к гибели больного.
Инсулин оказался первым белком, который удалось синтезировать химическим путём, а также одним из первых фармацевтических пре¬паратов, промышленный способ выпуска которых был освоен с помо¬щью методов генной инженерии.
Гиперфункция поджелудочной железы заключается в возможном возникновении шока в результате снижения содержания глюкозы в крови.
К гормонам белковой природы относится и гормон роста — сомато- тропин. Он воздействует на клетки всего организма человека, стиму¬лируя их увеличение в период формирования и замещение после изна¬шивания. Значительные отклонения от среднего роста (рис. 112) мо¬гут быть вызваны заболеванием гипофиза. Самым высоким человеком в мире был Роберт Вадлоу, его рост составлял 2 м 72 см. Вадлоу родил¬ся в 1918 г. и прожил всего 22 года. Его смерть связывают со сбоем в работе гормонального аппарата — аномальном образовании сомато- тропина в организме. Самым маленьким человеком был китаец Хэ

Пинпин — 74,6 см. Он родился в
1988 г. и прожил 21 год. В настоя-
щее время самым маленьким яв-
ляется непалец Хагендра Тапа
Магар, его рост всего 56 см.
Группу стероидных гормо-
нов представляют эстрадиол
(женский половой гормон) и те-
стостерон (мужской половой
гормон). Различие в их химиче-
ском строении очень невелико
(мы не приводим химические
формулы этих гормонов из-за их
сложности), но специфичность
действия на организм колоссаль-
ная. Эстрадиол вырабатывается
яичниками, регулирует функции
половых органов и появление вто-
ричных половых признаков у
женщин. Тестостерон вырабаты-
вается семенниками и определяет
функции половых органов и вто-
ричные половые признаки у муж-
чин.
К аминокислотным гормо¬нам относится адреналин. Как вы уже знаете, этот гормон вырабаты¬вается в надпочечниках. Гипофункция надпочечников выражается в понижении кровяного давления, понижении содержания глюкозы в крови, уменьшении времени свёртываемости крови. Гиперфункция — в сокращении капилляров, повышении содержания глюкозы в крови.
Е»
В следующем параграфе будет рассмотрена ещё одна
группа биологически активных веществ — лекар-
ственные препараты.
Теперь вы знаете
► в чём заключается основная функция гормонов
► какова классификация гормонов по железам, которые их вырабатывают, и по химической природе
Теперь вы можете
► определить, что такое гормоны и каковы их основные функции в орга¬низме человека
► перечислить основные свойства гормонов и группы, на которые они де¬лятся по своей химической природе

© Выполните задания
1. Назовите основные железы внутренней секреции и вырабатываемые ими
2. Сделайте предположение, к каким негативным последствиям может при¬вести продолжительное повышение содержания адреналина в крови.
3. При диабетической коме — тяжёлом осложнении сахарного диабета — человек теряет сознание, возникает угроза жизни. Симптомами прибли¬жения комы являются вялость, сонливость, упадок сил, резкое ухудше¬ние самочувствия. Изучите этот вопрос и предложите меры первой до¬врачебной помощи больному при приближении комы.
4. В приведённом в параграфе стихотворении А. Вознесенского говорится о гормонах счастья, радости, зависти. Решите, верно ли с биологической точки зрения такое толкование поэта или это лишь художественный об¬раз. Обоснуйте свою точку зрения.
5. Напишите синквейн об одном из гормонов по своему выбору.
1. История открытия и изучения гормонов. 2. Фитогормоны — гормоны рас¬тений. 3. Эндорфины — «гормоны счастья». 4. Вклад Л. В. Соболева в изуче¬ние проблемы сахарного диабета.
1. Назовите знаменитого древнегреческого врача, чьё имя связывают с клятвой, которую дают студенты-медики.
2. Расскажите, о каком научном открытии микробиолога Татьяны Власен¬ковой идёт речь в романе В. Каверина «Открытая книга».
3. Вспомните, кто и как создал прививку от оспы.
ФАРМАКОЛОГИЯ АНТИЧНОСТИ И СРЕДНЕВЕКОВЬЯ. Лекарства извест¬ны человеку с глубокой древности. В одном из египетских папирусов (XVII в. до н. э.) описываются лекарственные средства растительного происхождения, некоторые из них (например, касторовое масло) ис¬пользуются и в наши дни.
гормоны.
26. Лекарства
\

Древнегреческий врач Гиппократ (460— 370/356 до н. э.) искал причины болезней уже не в злых духах, а в окружающей среде, климате, образе жизни и питании. Именно он «приземлил» медицину, призывая лечить не болезнь, а больного. Он создал учение о четы¬рёх жизненных жидкостях — крови, слизи, чёрной и жёлтой желчи, преобладание одной из которых в организме и определяет, по Гип¬пократу, темперамент человека. Так, сангви¬ник (от лат. sanguinis — кровь) — человек об-щительный, быстрый, легко меняющийся, подвижный, «текучий», с богатой мимикой и жестами; флегматик (от лат. phlegma — слизь) — медлительный, «вязкий», невозму¬тимый, спокойный, не проявляющий чувств; холерик (от лат. chole — желчь) — неуравно¬вешенный, вспыльчивый, несдержанный; меланхолик (от лат. melanos — чёрный, сго¬ревший и ^ole — желчь) — сдержанный и медлительный, быстро утомляющийся и ра-нимый, замкнутый.
Это имело практическое значение: в зави¬симости от типа темперамента выбирался ме¬тод лечения больного. Кроме профилактичес¬ких мер, причин болезней и их диагностики, Гиппократ описал более 200 лекарственных растений и способов их употребления. Неда¬ром его называют «отцом медицины».
Кроме Гиппократа, огромное влияние на развитие медицины оказал римский врач Клавдий Гален (между 129 и 131 — 201). Он заложил основу «аптекарской науке» — фармакологии, широко применял различные извлечения (вытяжки) из лекарственных рас¬тений, настаивая их на воде, вине или уксусе. Спиртовые вытяжки — экстракты и настой¬ки — находят широкое применение и в совре¬менной медицине. До сих пор фармацевты на¬зывают их «галеновыми препаратами».
Большое количество лекарственных препа¬ратов растительного и минерального происхо¬ждения и способов их приготовления описано в сочинениях среднеазиатского учёного, фи-
Гиппократ — основатель научной медицины
Абу Али Хусейн
ибн Абдаллах ибн Сина
(Авиценна)

лософа и врача эпохи Средневековья Ибн
Сины — Авиценны (980—1037). Многие из
этих средств — камфара, препараты белены,
ревеня и т. д. — с успехом используются до
сих пор.
Труды Авиценны дали начало ятрохимии
(от греч. iatros — врач) — врачебной, меди-
цинской химии, одним из основоположников
которой является швейцарский врач, алхи-
мик, философ, естествоиспытатель Пара-
цельс (1493—1541). Всецело полагаясь на
свои знания химии, Парацельс отказался от
классических взглядов на медицину Галена и
Авиценны. Он считал, что в основе жизни ле-
жат химические процессы, а заболевания —
это результат нарушения их в организме,
который Парацельс сравнивал с большой ре-
тортой. Считая организм химическим «реактором», он начал исполь-
зовать для лечения болезней минеральные воды и многочисленные хи-
мические препараты: соединения сурьмы, мышьяка, меди, свинца,
ртути и других элементов. До сих пор актуально утверждение Пара-
цельса о важности количества применяемого препарата: «Всё есть яд,
ничто не лишено ядовитости, и всё есть лекарство. Лишь только доза
делает вещество ядом или лекарством».
А что у нас, в России? Из древних рукописей известно, что в 1547 г. царь Иван Грозный (1530—1584) направляет посла в немецкую зем¬лю, чтобы привезти «мастера для изготовления квасцов», применяв¬шихся для лечения огнестрельных ран, различных болезней и опухо¬лей. При царе Михаиле Фёдоровиче (1613—1645) врачебный персонал царского двора составляли 7 докторов, 13 лекарей, 4 аптекаря и 3 ал- химиста. Доктора и лекари определяли болезнь и способ её лечения, аптекари продавали простые лекарства и по указанию лекарей изго¬товляли сложные. Алхимисты готовили обычные лекарства в химиче¬ской лаборатории по указанию аптекарей, принимали участие в «над- кушивании» — своеобразной экспертизе и проверке новых лекарств. Через 100 лет названия «алхимист» заменили на «химик».
ОБЕЗБОЛИВАЮЩИЕ ПРЕПАРАТЫ. АЛКАЛОИДЫ. К XIX в. значительно усовершенствовались методы получения, очистки и анализа химиче¬ских веществ. Всё новыми фактами подтверждались идеи Парацельса о химической природе биологических процессов. Так, Г. Дэви, изучая оксид азота (I) N2O, обнаружил, что вдыхание небольших количеств этого газообразного вещества вызывает опьянение, беспричинное весе¬лье и судорожный смех, вдыхание больших количеств (вспомните
Парацельс (настоящее имя — Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм)

идеи Парацельса о важности дозы!) снимает зубную боль. Ещё большие
количества оксида азота (I) вводят человека в состояние наркоза —
полной потери чувствительности и сознания. Открытие Дэви анестези-
рующих, т. е. обезболивающих, свойств этого вещества позволило
применить его в хирургической практике. Химики же до сих пор на-
зывают оксид азота (I) веселящим газом. Развитие идей Галена и по-
иск «действующих начал» — активных компонентов лекарственных
растений, отвечающих за их целебные свойства, — увенчались успе-
хом.
В начале XIX в. были открыты первые алкалоиды.
Алкалоиды — это биологически активные азотсодержащие
органические соединения растительного происхождения.
В 1803 г. были открыты алкалоиды опия (от лат. opium, от греч.
opion — маковый сон) — высохшего млечного сока опийного мака.
Из этой смеси алкалоидов в 1806 г. был выделен в чистом виде один
из них — морфин, названный так по имени бога сна Морфея. По свое-
му болеутоляющему и снотворному действию на организм он сходен
с опием. Немного позже из листьев чайного дерева был выделен алка-
лоид, обладающий стимулирующим действием, — кофеин, который
содержится также в плодах (бобах) кофейного дерева и в семенах дере-
ва кола, а в 1820 г. из коры хинного дерева был выделен алкалоид хи-
нин — эффективное средство для борьбы с малярией. Из листьев ку-
старника кока был получен кокаин, проявляющий анестезирующие
свойства, а из корня красавки — атропин, купирующий (т. е. прекра-
щающий) приступы бронхиальной астмы.
Выделенные алкалоиды стали всё шире применяться в качестве ле-
карственных, в том числе обезболивающих, средств. Работы химиков-
органиков позволили установить строение алкалоидов и разработать
способы их получения. Были синтезированы
и применены для врачебной практики хлоро-
форм (трихлорметан) СНС13, серный (диэтило-
вый) эфир С2Н5ОС2Н5, нитроглицерин (трини-
трат глицерина), облегчающий страдания при
стенокардии, и салициловая (о-гид ро кси бен-
зойная) кислота, обладающая противовоспа-
лительным действием.
ВАКЦИНЫ. Во второй половине XIX в. в ра-
ботах выдающегося французского учёного
Л. Пастера (1822—1895) нашли блестящее
подтверждение идеи Авиценны о «мельчай-
ших животных», вызывающих и перенося-

щих заболевания. В наши дни даже ребёнку знакомы слова «бакте¬рия», «микроб», «вирус». Учитель химии и физики по образованию, Пастер существенно продвинул вперёд науку — он изучал симметрию молекул органических веществ (мы бы сказали: пространственную изомерию и стереохимию) и брожение, открыл анаэробные (не нужда-ющиеся в кислороде) бактерии и способ обеззараживания и сохране¬ния пищевых продуктов, названный в его честь пастеризацией, разра¬ботал пути формирования иммунитета, создал необходимые для этого лекарственные средства — вакцины.
Французские врачи пренебрежительно относились к открытиям «какого-то химика Пастера», пока он на практике не доказал, что за¬ражение неизлечимой в то время сибирской язвой и смерть от неё мо¬гут быть предотвращены с помощью созданной человеком вакцины. Триумфом лекарственных препаратов — вакцин и вакцинации как способа предупреждения заболеваний и их последствий стало спасе¬ние в марте 1885 г. мальчика, искусанного бешеной собакой. Других способов избежать смерти при заражении бешенством медицина не знает до сих пор. Вакцинация позволяет избежать кори, оспы, полио¬миелита, других болезней и их осложнений. Однако, к сожалению, да-леко не всегда организм способен самостоятельно справиться с заболе¬ванием или инфекцией даже с помощью вакцин. Медицина нуждалась не только в средствах, мобилизующих защитные силы организма, но и в препаратах, способных самостоятельно справиться с болезнью.
ХИМИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ И АНТИБИОТИКИ. В 1909 г. не¬мецкий учёный П. Эрлих (1854—1915) получил соединение мышья¬ка — сальварсан, первое эффективное средство против сифилиса. Работы Эрлиха заложили основы химиотерапии — лечения инфекци¬онных, паразитарных заболеваний и опухолей лекарствами, подавля¬ющими жизнедеятельность возбудителя болезни или опухолевых кле-
ток. В отличие от фармакотерапии — лече-
ния препаратами, влияющими на функции
организма или симптомы болезней, химиоте-
рапия является причинной терапией, т. е. её
воздействие направлено на причину, возбуди-
теля болезни. Поэтому химиотерапевтические
препараты характеризуются направленно-
стью, специфичностью и избирательностью
своего действия.
Пауль Эрлих
Идеи Эрлиха получили развитие в работах
русского химика-органика А. Е. Чичибаби-
на (1871—1945) и английского бактериолога
А. Флеминга (1881 —1955).

А. Е. Чичибабин в годы Первой мировой
войны, когда в госпиталях тысячи людей
страдали от отсутствия или нехватки болеуто-
ляющих, антисептических и противовоспали-
тельных препаратов, разработал методы полу-
чения атропина, кодеина, кофеина, опия и
морфина из отечественного сырья, создал в
России технологии производства аспирина,
фенацетина и салола.
Открытие А. Флемингом в 1928 г. пени-
циллина — группы антибиотиков грибка Ре-
nicillium стало триумфом учения об aнmибuo-
зе — явлении антагонизма и смертельной
борьбы микроорганизмов друг с другом: одни
виды бактерий, грибков подавляют (в прямом
смысле слова — травят!) жизнедеятельность
других с помощью выделяемых микроорга-
низмами в окружающую среду специфиче-
ских веществ — антибиотиков.
Антибиотики — органические веще-
ства, образуемые микроорганизмами и об-
ладающие способностью убивать микро-
бов (или препятствовать их росту).
Антибиотики — мощное оружие, и, порой
попадая в организм, они уничтожают не толь-
ко патогенные, но и полезные микроорганиз-
мы, например микрофлору кишечника. Кро-
ме того, болезнетворные микробы, в свою очередь, приобретают устой-
чивость к «знакомым» им антибиотикам, а они, активно помогая
организму бороться с болезнью, позволяют ему «расслабиться», посте-
пенно снижая уровень иммунитета, ослабляя собственные защитные
реакции организма. Поэтому очевидно, что нельзя заниматься самоле-
чением антибиотиками.
Лабораторный опыт \
Возьмите таблетку ампициллина и измельчите её. Поместите поро¬шок в пробирку, налейте туда 5 мл дистиллированной воды и закройте пробкой. Полученную смесь встряхивайте в течение 1—2 мин, а затем профильтруйте.
В пробирку налейте 1 мл полученного раствора ампициллина и столько же 5—10%-го раствора NaOH. В полученную смесь добавьте 2—3 капли 10%-го раствора CuS04. Встряхните пробирку. Появляется фиолетовое окрашивание, характерное для биуретовой реакции, при¬

сущей веществам с пептидными связями. Постепенно окраска изменя¬ется на бурую.
НАРКОТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ. Вещества, влияющие на психику чело-
века, вовсе не изобретение наших дней. Уже в древности жрецы гото-
вили дурманящие ритуальные напитки из различных трав и грибов,
некоторые из них используются шаманами и сейчас (например, на-
стойка мухомора), а рецепты других вошли в обиходную речь — вспом-
ните характерное выражение «белены объелся». Издревле известны и
опиум, и гашиш.
Можно с большой долей уверенности сказать, что человек научился
производить и потреблять опий раньше, чем писать. Опий получали
из сока незрелых коробочек опийного мака (рис. 113). Из опия, в свою
очередь, можно получить и основное его действующее вещество —
морфин. С незапамятных времён опий, а затем и морфин использовал-
ся врачами как обезболивающее, снотворное и успокаивающее сред-
ство, но с тех же пор было хорошо известно, что применять его надо
с большой осмотрительностью. Морфин не только снимает боль, но и
вызывает чувство особого наслаждения, приятные (поначалу) галлю-
цинации. У человека, несколько раз принимавшего морфин, возника-
ет привыкание к нему, он уже не может обходиться без наркотика. Это
привыкание носит двойственный характер: различают привыкание
психологическое — тяга наркомана к ощущениям, вызываемым мор-
фином, и физическое — следствие патологических изменений в орга-
низме наркомана, и прежде всего в нервной системе, при которых не-
получение в срок очередной дозы наркотика ведёт к мучительным
страданиям. Постепенно организм адаптируется к наркотику, для до-
стижения желаемого эффекта дозы приходится увеличивать… Недав-
но ещё цветущий молодой человек превращается в беспомощную и
страшную в своей жажде наркотика развалину.
Особенно быстро и прочно раз-
вивается пристрастие к синте-
тическому производному мор-
фина — диацетилморфину, или
героину. Во многих случаях объ-
ективные признаки привыкания
наблюдаются уже после одной-
двух доз. Несчастный молодой че-
ловек или девушка, часто ещё
школьники, получают эти две
первые дозы от розничного тор-
говца вообще бесплатно, с тем
чтобы уже до конца своей недол-
гой и кошмарной жизни отдавать
—Р i,
Рис. 113. Сун Сэм Парк. Тосканское лето. Конец ХХ в.

ему всё, что имеют, всё, что сумеют достать любыми средствами,
вплоть до грабежей и убийства.
И морфин, и героин действуют
на так называемые центры поло-
жительных эмоций в мозге. Поче-
му? Мозгом вырабатывается ряд
пептидов, управляющих различ-
ными его функциями. Особая их
группа — эндорфины и энкефали-
ны — выполняет, в частности,
роль активатора центра положи-
тельных эмоций. Морфин же взаимодействует именно с этими пепти-
дами. Поэтому такие пептиды даже стали называть опиатными. Даже
сам термин «эндорфины» произошёл от синтеза двух слов — «ЭНДО-
генные моРФИНЫ».
В последнее время всё чаще внедряют в сознание заблуждение, ле¬генду о существовании «лёгких» наркотиков. Любой (!) наркотик фор¬мирует физиологическую и психическую зависимость от него. «Лёг¬кие» наркотики лишь более коварны, они медленнее и незаметнее (но также необратимо!) подчиняют себе сознание человека.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПА¬РАТОВ. Познакомившись с историей развития науки о лекарственных средствах, вы уже знаете, что лечебный эффект лекарственного сред¬ства зависит от многих факторов. К ним относится доза, терапевтиче¬ский диапазон которой индивидуален для каждого лечебного сред¬ства. Меньшая доза не вызывает лечебного действия, слишком боль¬шая повлечёт побочные эффекты и отравление организма (вспомните идеи Парацельса). Обычно дети и пожилые люди более чувствительны к лекарствам — им назначают меньшие терапевтические дозы. Край¬не важны режим приёма и способы применения (проглотить, разже¬вать, до еды, после и т. п.) лекарственных препаратов. Режим (часто¬та) приёма определяется длительностью действия и особенностями циркуляции, накопления и выведения лекарства из организма. Кроме того, необходимо учитывать возможное взаимное влияние назначае¬мых препаратов друг на друга и их действие. Немаловажную роль при приёме лекарств играет состояние организма. Так, например, нару¬шение функции печени и почек может вызывать токсичность безвред¬ного в других случаях препарата. Некоторые лекарства резко усилива¬ют токсичное действие алкоголя, вызывая тем самым тяжёлые отрав¬ления даже небольшим количеством спиртного. Иногда при этом они теряют своё лечебное действие. Особой осторожности требует назначе¬ние и приём лекарств беременными женщинами и кормящими мате¬рями — терапевтическая для женщины доза лекарства может отра¬вить плод или новорождённого.
Кайф, состояние эйфории, диктовать нам будет свои законы. Наркоманы прицепят себе погоны. Шприц повесят вместо иконы Спасителя и Святой Марии.
И. Бродский

Очевидно, что в одном параграфе невозможно рассмотреть всё мно¬гообразие лекарственных средств, их действие на организм, особенно¬сти применения и лекарственные формы этих препаратов. Однако вам понятно, что знакомство с этим миром будет невозможно без знания и понимания естествознания как комплекса наук.
В следующем параграфе пойдёт разговор об образе жизни, о том, как сохранить здоровье по возможно¬сти без лекарств и что для этого нужно делать.
Теперь вы знаете
У как возникла и развивалась фармакология
У как были получены первые химиотерапевтические препараты, антибио-
тики
У что такое алкалоиды, вакцины, химиотерапия, антибиотики У гибельные последствия наркомании
У факторы, влияющие на эффективность лекарственных препаратов
Теперь вы можете
сформулировать, что такое алкалоиды и для чего они применяются
объяснить, что представляют собой эндорфины и энкефалины
назвать учёных, создавших вакцины, химиотерапевтические препараты (сальварсан), пенициллин
перечислить факторы, которые влияют на эффективность лекарственных препаратов
Выполните задания
1. Объясните, что такое «галеновые препараты», как их получали в старину и как изготовляют сейчас. Приведите примеры «галеновых препаратов» из вашей домашней аптечки.
2. Дайте определения терминов: «наркоз», «анестезия», «алкалоид», «па¬стеризация», «антибиоз», «антибиотики», «причинная терапия».
3. Сравните химиотерапию и фармакотерапию.
4. Опишите, на чём основано лечебное действие антибиотиков, каковы возможные побочные действия неграмотного применения этих препа¬ратов.

5. Перечислите, что обязательно должно входить в состав автомобильной аптечки и почему.
6. Прочитайте рассказ М. Булгакова «Морфий». Что вы можете сказать о судьбе главного героя?
7. Напишите синквейн об одном из лекарственных препаратов по своему
1. История великих открытий в фармакологии. 2. «Канон врачебной науки» Ибн Сины — энциклопедия теоретической и клинической медицины. 3. Пара¬цельс — один из основоположников ятрохимии. 4. Из истории вакцинации.
5. Магические грибы и религиозные ритуалы у древних народов.
1. Назовите произведения русских классиков, в которых подробно описа¬ны завтраки, обеды, ужины, вообще — застолье.
2. Приведите примеры произведений мирового искусства, иллюстрирую¬щие красоту человеческого тела, эмоциональность и душевное состоя¬ние человека.
3. Опишите чрезвычайную экологическую ситуацию в Москве в августе 2010 г., когда в связи со смогом концентрации загрязняющих веществ были превышены до 16 раз, а число смертей возросло в 2 раза.
ФИЗИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ. Встречаясь, люди говорят друг другу: «Здравствуйте», — т. е. желают здоровья. По Уставу Всемирной орга¬низации здравоохранения (ВОЗ), «здоровье — это не отсутствие болез¬ни как таковой или физических недостатков, а состояние полного фи¬зического, душевного и социального благополучия». В «Толковом сло¬варе русского языка» под здоровьем понимается нормальное состояние правильно функционирующего, неповреждённого организма.
Различают три вида здоровья: физическое, психическое и нрав¬ственное (социальное).
Физическое здоровье — это такое состояние органов, систем органов и всего организма в целом, при котором он оптимально функционирует и развивается.
выбору.
27. Здоровый образ
жизни
\

Ещё в Древней Греции и Древнем Риме красивое, сильное, здоровое тело было возведено в культ. Посмотрите на скульптуры греческих ма¬стеров Поликлета (вторая половина V в. до н. э.) «Дорифор» («Копье¬носец») (рис. 114), Мирона (конец VI — начало V в. до н. э.) «Диско¬бол» (рис. 115). Они отражают физическое развитие человека в гармо¬нии с его внутренним миpoм, а «Дорифор» являлся ещё и образцом пропорций человеческого тела. Эллины говорили: «Хочешь быть здоровым — бегай; хочешь быть красивым — бегай; хочешь быть умным — бегай!» Именно из стремления к здоровью и родились Олим-пийские игры, девиз которых «Быстрее, выше, сильнее». В мрачное Средневековье физическое здоровье отступило на второй план, и толь¬ко в эпоху Возрождения красота человеческого тела снова стала этало¬ном совершенства и нашла своё отражение в бессмертных творениях великих скульпторов и художников. Например, во фреске Микелан¬джело (1475—1564) «Страшный суд» (рис. 116) разнообразнейшее по¬ложение фигур даёт возможность оценить всю гамму движений тела и, по оценке искусствоведов, является своеобразным анатомическим ат¬ласом, по которому можно изучать мышечную систему человека. При¬мерами античных представлений о соответствии физической красоты и мощи силы духа может служить его же скульптура «Давид».

Рис. 116. Микеланджело Буонарроти. Страшный суд. Фреска на алтарной стене Сикстинской капеллы в Ватикане. 1537—1541
Биологическими параметрами физически здорового человека явля¬ются следующие показатели: частота сердечных сокращений — 60— 90 в минуту, артериальное давление — в пределах 140/90 мм рт. ст., частота дыхательных движений — 16—18 в минуту, температура те¬ла — до 37 °С (в подмышечной впадине).
После физических нагрузок у тренированного человека данные био¬логические параметры возвращаются к норме гораздо быстрее, чем у физически неподготовленного.

ПСИХИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ. Психическое здоровье — ещё одна состав-
ляющая здоровья человека.
Психическое здоровье — это состояние благополучия, при ко-
тором человек может реализовать свой собственный потенциал,
справляться с обычными жизненными стрессами, продуктивно и
плодотворно работать, а также вносить вклад в жизнь обще-
ства.
Такое определение даётся этому виду здоровья в Уставе ВОЗ. Эта ав-
торитетная организация выделяет следующие критерии психического
здоровья:
• осознание и чувство непрерывности, постоянства и идентичности
своего физического и психического «я»;
• чувство постоянства и идентичности переживаний в однотипных
ситуациях;
• критичность к себе и своей собственной психической продукции
(деятельности) и её результатам;
• соответствие психических реакций (адекватность) силе и частоте
средовых воздействий, социальным обстоятельствам и ситуациям;
• способность управлять поведением в соответствии с социальными
нормами, правилами, законами;
• способность планировать соб-
ственную жизнедеятельность и
реализовывать эти планы;
• способность изменять способ
поведения в зависимости от сме-
ны жизненных ситуаций и обсто-
ятельств.
Психическое здоровье зависит
от состояния головного мозга,
оно характеризуется уровнем и
качеством мышления, развитием
внимания и памяти, степенью
эмоциональной устойчивости,
развитием волевых качеств.
Психическое здоровье являет-
ся предметом пристального вни-
мания корифеев мирового ис-
кусства. Например, знаменитая
«Джоконда» (рис. 117) Леонардо
да Винчи, по мнению психолога
З. Фрейда, — образец неисчерпа-
емых размышлений о состоянии
женской души: «…В выражении
лица прекрасной флорентийки…
Рис. 117. Леонардо да Винчи. Джоконда (Мона Лиза). 1503— 1514

самое совершенное изображение антагонизма, управляющего любов-
ной жизнью женщины, сдержанности и обольщения, жертвенной
нежности и безоглядно-требовательной чувственности, поглощающей
мужчину как нечто постороннее». В русской литературе проблема пси-
хического здоровья и психического состояния человека является пред-
метом глубочайших исследований великих писателей — Л. Н. Толсто-
го, Ф. М. Достоевского, Н. В. Гоголя и др. Разумеется, традиция созда-
ния живых характеров, наделённых неповторимыми чертами, берёт
начало в творчестве А. С. Пушкина, в произведениях которого психо-
логизм неразрывно связан с российской действительностью. Энцикло-
педия русской жизни — это прежде всего роман «Евгений Онегин».
Здесь раскрываются психологические черты национального характе-
ра главных героев — Евгения и конечно же Татьяны, «русскою ду-
шою».
НРАВСТВЕННОЕ ЗДОРОВЬЕ. И последней, третьей составляющей здо-
ровья человека является нравственное здоровье.
Нравственное здоровье — это способность человека соблю-
дать нравственные законы и моральные принципы, которые явля-
ются основой жизни человека в обществе.
Основу нравственного компонента здоровья составляет система цен-
ностей, установок и мотивов поведения отдельного человека в соци-
альной среде, она является фун-
даментом духовности человека и
связана с его понятиями о добре и
зле, совести и любви, красоте и
долге. Недаром А. П. Чехов под-
чёркивал: «В человеке должно
быть всё прекрасно: и душа, и
тело, и одежда, и мысли». Имен-
но низким уровнем нравственно-
го здоровья объясняются слож-
ные социальные пpoблeмы — ку-
рение, алкоголизм, наркомания,
проституция, рост криминоген-
ной обстановки. И наоборот, вы-
сокий уровень нравственного здо-
ровья лежит в основе подвига,
патриотизма, гуманизма, поня-
тия красоты и любви. Очень вы-
соко оценивал нравственное вос-
питание Л. Н. Толстой: «Из всех
наук, которые должен знать че-
ловек, главнейшая есть наука о
Рис. 118. Рафаэль Санти. Донна Велата. 1515—1516

том, как жить, делая как можно меньше зла и как можно больше добра». А русский педагог, основоположник педагогики в России К. Д. Ушинский писал: «Конечно, образование ума и обогащение его познаниями много принесёт пользы, но увы, я никак не полагаю, что¬бы ботанические или зоологические познания… могли сделать гого¬левского городничего честным чиновником, и совершенно убеждён, что будь Павел Иванович Чичиков посвящён во все тайны органиче¬ской химии или политической экономии, он останется тем же, весьма вредным для общества пронырой…»
Нравственное здоровье — основа взаимоотношений между мужчи¬ной и женщиной. Лучшие произведения мировой живописи, архитек¬туры, литературы, поэзии, музыки посвящены любви к женщине! На¬пример, на одном из известнейших портретов Рафаэля (1483—1520) изображена прекрасная, царственной красоты молодая женщина, полная какой-то необыкновенной духовности (рис. 118).
ТРИ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЗДОРОВОГО ОБРАЗА ЖИЗНИ. На 50% состояние нравственного, психического и физического здоровья зависит от обра¬за жизни. Другие факторы, определяющие общее здоровье человека: наследственность — 20%, окружающая среда — 20%, уровень меди¬цинской помощи — 10%.
Здоровый образ жизни — это такой способ жизни, который обеспечивает гармоничное развитие и укрепление здоровья, повы¬шение работоспособности людей, душевный комфорт, продление их творческого долголетия.
Здоровый образ жизни предполагает оптимальный режим труда и отдыха, правильное питание, достаточную двигательную активность, личную гигиену, закаливание, профилактику заболеваний, искорене¬ние вредных привычек, любовь к близким, позитивное восприятие жизни.
Соблюдение правильного режима дня существенно влияет на здоро¬вье человека. В режиме дня нужно отводить минимум 8 часов для пол¬ноценного ночного сна, время для личной гигиены. Необходимо чере¬дование умственной и физической работы, нагрузок и отдыха. Должно быть трёх-, четырёхразовое питание, промежутки между приёмами пищи не должны быть слишком большими (не более 5—6 часов), при трёхразовом питании самым сытным должен быть обед, а самым лёг¬ким — ужин.
Полноценное питание также является неотъемлемой частью здо¬рового образа жизни. Конечно, полноценное питание будет зависеть от многих факторов, индивидуальных для каждого человека: рода дея¬тельности, наличия того или иного заболевания, места жительства,

образа жизни и т. д. Питание должно быть разнообразным и сбаланси¬рованным.
Врачи-диетологи рекомендуют раз в неделю есть рыбу и два раза в неделю — мясо (лучше нежирные сорта птицы — курицу или индей¬ку). Эти продукты — важные поставщики в организм белков, жиров, витаминов, микроэлементов и минеральных веществ, которые в таком качестве и количестве не содержатся в других продуктах питания.
Действительно, от правильного питания зависят слагаемые привле¬кательной внешности человека — чистая кожа, блестящие пышные волосы, яркий взгляд, звонкий смех, ухоженные руки, а в конечном счёте — бодрость и здоровье.
В произведениях А. С. Пушкина, Н. В. Гоголя, Л. Н. Толстого, А. П. Чехова, А. И. Куприна и других писателей можно почерпнуть немало сведений о культуре питания того времени, процессах приго¬товления и потребления пищи (сервировка стола, кухонные принад¬лежности, вина, яства, застольные речи).
Длительные и обильные застолья нередко приводят к перееданию, что плохо сказывается на здоровье человека. Переедание является одной из причин атеросклероза, ишемической болезни сердца, гипер¬тонии, сахарного диабета, целого ряда других недугов. Подчеркнём, что более трети россиян, включая детей, имеют лишний вес. И наобо¬рот, стройная фигура, культивируемая в современном обществе как идеал красоты, вызывает желание у многих, особенно у молодых деву¬шек, привести своё тело к желаемым параметрам с помощью разно¬образных диет. Но, прежде чем сесть на любую диету, необходимо про¬консультироваться с врачом, иначе вместо стройной фигуры можно получить целый букет заболеваний.
Для соблюдения режима правильного питания любому современно¬му человеку необходимо знать энергопотребление организма и уметь составлять суточный пищевой рацион. Этому вы научитесь при выпол¬нении соответствующих практических работ.
Физическая активность и занятия спортом, несомненно, полез¬ны для здоровья человека, так как они предупреждают ряд болезней, которые развиваются в пожилом возрасте (атрофия костей, боли в спи¬не, сердечно-сосудистые проблемы), укрепляют лёгкие, спасают от по¬вышенного артериального давления, нарушения обмена веществ. Кро¬ме того, занятия спортом повышают качество жизни человека, по¬скольку спортивные люди более активны и уверены в себе. Однако, чтобы получать от физических занятий удовольствие и радость, необ¬ходимо избегать перегрузок и тренироваться по индивидуальной про¬грамме. Основное правило при спортивных занятиях — это регуляр-ность! Даже небольшие, но регулярные физические нагрузки дают свой положительный эффект, включая такие тривиальные, как утрен¬няя гимнастика, ежедневные прогулки или посещение бассейна, ве¬черняя пробежка или поездка на велосипеде.

Здоровому человеку полезно
ходить по лестнице, не пользуясь
лифтом. По утверждению аме-
риканских врачей, каждая сту-
пенька дарит человеку 4 секун-
ды жизни, а 70 ступенек сжига-
ют 28 калорий. Нормы общей
двигательной активности точно
не определены. Некоторые отече-
ственные и японские учёные счи-
тают, что взрослый человек дол-
жен в день делать минимум 10—
15 тыс. шагов.
Если человек страдает каким-
либо хроническим заболеванием,
то это не означает, что ему нужно
забыть о физических занятиях.
Просто эти занятия должны соот-
ветствовать характеру заболева-
ния и способствовать улучшению состояния. Разумеется, характер
физических упражнений, а иногда и целый курс лечебной физкульту-
ры (рис. 119) определит врач. Совет врача будет не лишним и для здо-
рового человека. С медицинской точки зрения самыми полезными ви-
дами спорта считаются те, что развивают выносливость: велосипед,
плавание, бег трусцой. А вот к тем видам спорта, которые требуют экс-
тремального напряжения (например, тяжёлая атлетика, бодибилдинг,
марафонский бег и спортивная ходьба), нужно подходить с осторожно-
стью. Очевидно, заниматься можно любым видом спорта, но при одном
условии: чтобы это не вредило здоровью.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОСТОЯНИЕ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА. Состоя¬ние окружающей среды, профилактическая вакцинация, вредные

привычки и возможные стрессы, несомненно, сильно влияют на состо-
яние здоровья людей. Как благотворны для человека идиллический
деревенский пейзаж (рис. 120), шум деревьев, пение птиц, звон ручья,
сверкающая гладь озера. А различные формы облучения, шум, загряз-
нение воды и воздуха, наоборот, влияют на самочувствие человека от-
рицательно (рис. 121). Необходимо по мере возможности избегать этих
воздействий, особенно актуальных для городской среды. Для этого
нужно, чтобы в квартире были качественные современные окна, си-
стемы вентиляции воздуха и очистки воды. Нельзя долго находиться
под прямыми солнечными лучами, поскольку это резко увеличивает
вероятность раковых заболева-
ний кожи.
Профилактическая вакцина-
ция играет немаловажную роль в
защите здоровья человека. Благо-
даря ей побеждены коклюш, диф-
терия, столбняк, полиомиелит,
Рис. 121. Загрязнённые атмосфера и вода — угроза здоровью человека

гепатит В, корь, свинка, краснуха. Большинство прививок человеку делают ещё в детском возрасте, примерно до 10—11 лет.
Кроме документов, удостоверяющих личность, современному чело¬веку необходимо иметь медицинский сертификат о прививках, где за¬фиксировано, когда и от каких болезней они сделаны.
Существует и профессиональная профилактическая вакцинация: инфекционным врачам делают прививки от гепатита А и В, врачам, работающим в туберкулёзных диспансерах, — от туберкулёза, ветери¬нарам — от бешенства, лесникам и геологам — от менингоэнцефалита. Многих людей, которые постоянно находятся в больших коллективах (школьники, учителя, сотрудники больших офисов), ежегодно вакци¬нируют от гриппа.
Перед посещением экзотических стран необходимо заранее прокон¬сультироваться о рекомендуемых вакцинациях для данной страны. В странах с жарким климатом вы рискуете заразиться различными вирусными заболеваниями (гепатиты А и В, столбняк и дифтерия, бе¬шенство и тиф).
Вредные привычки и стрессы — факторы, губительные для здоро¬вья человека. По данным Всемирной организации здравоохранения, проблемы, связанные с употреблением алкоголя, никотина, наркоти¬ков, сегодня перестали быть медицинскими или моральными пробле¬мами отдельных лиц, они влияют на здоровье, благополучие, безопас¬ность всего населения и нации в целом.
Курение табака приводит к сокращению жизни курильщика на 7—15 лет, в 90% случаев — к смерти от рака лёгкого, в 75% — от брон¬хита (так называемый бронхит курильщика) и в 25% — от ишемиче¬ской болезни сердца у мужчин в возрасте до 65 лет. Оно вызывает уве¬личение риска заболеваний желудочно-кишечного тракта (язва же¬лудка, гастрит). Курение вредно сказывается не только на состоянии здоровья курильщика, но и на здоровье тех, кто его окружает дома, на работе, в общественных местах. В США пассивное курение — вдыха¬ние окружающего воздуха с содержащимися в нём продуктами куре¬ния табака другими людьми — убивает 53 тысячи некурящих ежегод¬но, что делает пассивное курение третьим по значению предотврати¬мым фактором смертности среди взрослых и детей. Неудивительно, что в Нью-Йорке запретили курение не только в общественных местах, но и в парках, скверах, на улицах.
Длительное злоупотребление алкоголем приводит к необратимым изменениям внутренних органов.
Алкоголизм — заболевание, вызываемое систематическим употреблением спиртных напитков, характеризующееся влече¬нием к ним и приводящее к психическим и физическим расстрой¬ствам.

На фоне хронического алкоголизма развиваются такие заболева¬ния, как гастрит, панкреатит, гепатит, цирроз печени, различные типы анемии, нарушения иммунной системы, возрастает риск онколо¬гических заболеваний различных отделов пищеварительной системы, кровоизлияния в мозг.
Наркомания (от греч. nark — оцепенение и mania — безумие, страсть) — заболевание, выражающееся в физической и (или) пси¬хической зависимости человека от наркотиков, постепенно при¬водящей к разрушению его организма.
Общая деградация личности в результате приёма наркотиков насту¬пает в 10—15 раз быстрее, чем от алкоголя. Наркоманы чаще всего не доживают даже до среднего возраста, умирая от передозировки, от различных болезней или кончая жизнь самоубийством. Среди нарко¬манов широко распространены гепатит (в 15—20 раз чаще, чем среди остальных людей) и СПИД (они — примерно треть всех носителей
Наркомания стимулирует рост преступности. Спрос на наркотики в условиях запрета на торговлю ими порождает развитие нелегального наркобизнеса и наркомафии. Ради дозы наркоман готов на любое пра¬вонарушение.
Стресс (от англ. stress — давление, нажим, нагрузка) — эмоци¬ональное напряжение, которое возникает в результате неприят¬ных переживаний.
Стрессы могут возникать из-за переутомления на работе, длитель¬ной концентрации внимания и сил. Более опасные стрессы связаны с комплексом неполноценности, боязнью неудач, различными кон¬фликтами (в коллективе, межличностными, скрытыми или явными). Любой стресс связан с отношением человека к жизни — некоторые на¬чинают волноваться по любому поводу, а другие сохраняют спокой¬ствие даже в трудных ситуациях. Советы по преодолению стрессовых состояний довольно просты: регулярные занятия спортом, сбаланси¬рованное и богатое витаминами питание, анализ конфликтной ситуа¬ции и оптимальное решение по выходу из неё, принятое самостоятель¬но или с помощью близких людей.
ВИЧ).
Заключительный параграф этой главы будет посвя¬щён различным физическим приборам и аппаратам, которые применяются в медицине для диагностики и лечения (от обычного термометра и тонометра до ла¬зеров и рентгеновских установок), а также всевоз¬можным методам обследования с помощью ультра¬звука, электрического тока и т. д.

Теперь вы знаете
► в чём заключается физическое, психическое и нравственное здоровье
► три составляющие здорового образа жизни
► факторы, влияющие на состояние здоровья человека
Теперь вы можете
сформулировать, что такое физическое, психическое и нравственное здоровье, и проиллюстрировать это примерами классических произведе¬ний литературы и искусства
объяснить, в чём состоит здоровый образ жизни и какие факторы влияют на состояние здоровья человека
перечислить заболевания, которые были побеждены благодаря профи¬лактической вакцинации
показать на примерах с помощью цифр, как губят и убивают людей куре¬ние, наркомания, алкоголь
Выполните задания
Дайте свои рекомендации по поддержанию физического, психического и нравственного здоровья.
Объясните, нужно ли человеку, имеющему хроническое заболевание, поддерживать физическую активность и зачем.
Опишите оптимальный режим питания.
В психологии существует такой способ разрешения конфликтов, как «взрыв», когда каждая сторона высказывает свои претензии другой. На¬зовите положительные и отрицательные моменты такого метода разре¬шения конфликтов.
Сформулируйте свою точку зрения по поводу высказывания: «Не мо¬жешь изменить ситуацию, измени отношение к ней». Является ли она ре¬комендацией для выхода из стрессового состояния?
Назовите факторы окружающей среды, опасные для здоровья человека, выскажите свои предложения, как уменьшить их влияние.
Темы для рефератов
1. Вегетарианство и диеты — за и против. 2. Душевное состояние — основа здоровья человека. 3. Психоэмоциональное перенапряжение — как с ним бо¬роться. 4. Роль искусства и литературы в процессе формирования нравствен¬ного здоровья. 5. Эмоции и психическое здоровье.

Учебник по Естествознанию, часть 5

Генетика человека
1. Опишите, как построена молекула ДНК.
2. Назовите число хромосом у человека.
3. Перечислите признаки, которые, как вы знаете, передаются по наслед¬ству в вашем роду.
4. Объясните, что такое «лысенковщина», проиллюстрировав это понятие отрывками из романа В. Дудинцева «Белые одежды».
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕНЕТИКИ. В курсе биологии основной школы вы изучали генетику, и с некоторыми её понятиями знакомились ра¬нее в нашем курсе.
Генетика — наука о наследственности и изменчивости.
Однако терминология этого раздела биологии широко распространена не только в науке, но и в средствах массовой информации, даже в поэзии и в обыденной речи.
Вспомним содержание основных понятий.
Наследственность — свойство организмов обеспечивать преемственность между поколениями.
Знай: мы в забвение не канем,
Как в пропасть падающий камень,
Как пересохшая река. Наследственность бессмертной птицей Влюблённым на плечи садится,
Зовёт в грядущие века.
В. Шефнер

Наследование — передача генетической информации от одного по¬коления организмов к другому.
Изменчивость — свойство организмов обеспечивать разнообразие особей.
Ген — единица наследственности, участок молекулы ДНК, несу¬щий информацию об одном белке.
Хромосомы — системы линейно расположенных и сцепленных ге¬нов, постоянные, структурные компоненты ядра, носители и храните¬ли генетической информации. У человека 46 хромосом (23 пары), из которых 22 пары — аутосомы, а 1 пара — половые хромосомы (у мужчин XY, а у женщин XX).
Гомологичные хромосомы — хромосомы, сходные по форме, по раз¬мерам, по набору генов, но различные по происхождению: материн¬ская и отцовская.
Мутации — стойкие наследуемые изменения генетического мате¬риала.
Аллельные гены — гены, расположенные в одних и тех же участках (локусах) гомологичных хромосом и ответственные за развитие одного признака.
Аллели — различные формы проявления одного гена.
Геном — совокупность генов, содержащихся в гаплоидном (одинар¬ном) наборе хромосом данного вида организмов.
Генотип — совокупность всех генов какой-либо клетки или целого организма.
Генофонд — совокупность генов особей данной популяции или вида.
Фенотип — совокупность внешних и внутренних признаков и свойств организма, сформировавшихся на основе взаимодействия его генотипа с условиями внешней среды.
Доминирование — явление преобладания одного признака над дру¬гим. Соответственно ген, определяющий этот признак, называется до¬минантным, а ген, определяющий подавленный (не проявляющийся в фенотипе) признак, называется рецессивным.
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА. Как вы уже знаете, ДНК структурно состоит из от¬дельных «кирпичиков» — нуклеотидов. Различают четыре вида ну¬клеотидов — аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). В молеку¬ле ДНК нуклеотиды соединяются друг за другом, образуя длинные цепи. Нуклеотиды расположены в ДНК не в случайном порядке, они образуют «слова» генетического языка, т. е. гены.
В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека. С самого начала работ по геномному проекту учёные договорились об открытости и доступности всей получаемой информа¬

Ц II If 11!
Рис. 90. Схематические карты хромосом челове¬ка при дифференциаль¬ной окраске
ции для его участников независимо от их
вклада и государственной принадлежности.
Все 23 пары хромосом человека были поделе-
ны между странами-участницами для секве-
нирования (от англ. sequnece — последова-
тельность) — определения последовательно-
сти нуклеотидов в цепочке ДНК. В решении
этой задачи принимали участие несколько
тысяч учёных из 20 стран мира, работающих
в различных областях науки — молекулярной
биологии, органической и биологической хи-
мии, физике, математике, информатике. Это
был один из наиболее дорогостоящих проек-
тов в истории науки, сопоставимый разве что
со знаменитым адронным коллайдером. Меж-
дународная программа «Геном человека» ре-
шала задачу составления генетических карт
(рис. 90) каждой из хромосом человека, т. е.
схем, отображающих реально существующий
линейный порядок размещения генов в них.
Эта задача была успешно решена в 2000 г.
В результате был создан международный банк данных о последова-
тельности нуклеотидов ДНК в хромосомах человека, а также о после-
довательности аминокислот в большинстве белков организма челове-
ка. Было выяснено, что геном человека содержит 30—40 тыс. отлича-
ющихся друг от друга генов. Средняя длина генов составляет около
50 тыс. пар нуклеотидов. Самые короткие, например гены эндорфина
(гормона радости), содержат всего 20 нуклеоти-
дов. Самый длинный ген — ген миодистрофина
(мышечного белка) — состоит из 2,5 млн ну-
клеотидов.
В настоящее время в мире полностью рас-
шифрованы структуры генов, ответственных
за многие болезни человека, в том числе и та-
кие серьёзные, как болезнь Альцгеймера, мы-
шечная дистрофия (рис. 91), наследственный
рак молочной железы и яичников. Ещё в
1999 г. была установлена структура 22-й хро-
мосомы и определены функции половины её
генов. С дефектами в них связано 27 различ-
ных заболеваний, в том числе и шизофрения.
Самым эффективным способом лечения боль-
ных является замена дефектного гена здоро-
Р
ft
Рис. 91. Мужчина с мышечной дистрофией

вым. Например, с помощью введения здоровых копий вместо повреж¬дённого гена удалось добиться существенного облегчения состояния ребёнка, страдающего тяжёлым врождённым иммунодефицитом.
Результаты секвенирования имеют очень большое значение и при идентификации новых генов, и при выявлении среди них тех, которые обусловливают предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Так, есть данные о генетической предрасположенности к алкоголизму и наркомании, открыто уже 7 генов, дефекты в которых приводят к токсикомании. Это позволит проводить раннюю диагностику заболе-ваний, предрасположенность к которым уже установлена.
Было также обнаружено, что разные аллели одного гена могут обу¬словливать разные реакции людей на отдельные лекарственные пре¬параты. Следовательно, производство таких лекарств должно носить не массовый, а индивидуальный характер. Появилось новое направле¬ние генетики — фармакогенетика, которая изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут повлиять на эффективность лече¬ния.
Важное значение расшифровка генома человека имеет для иденти¬фикации личности. Чувствительность методов геномной идентифика¬ции такова, что достаточно одной капли крови или слюны, одного во¬лоса, чтобы с абсолютной достоверностью (99,9%) установить род¬ственные связи между людьми.
Расшифровка генома человека позволила создать такое направле¬ние генетики, как этногеномику. Этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, харак¬терные только для данного этноса. Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть этнографические, исто¬рические, археологические, лингвистические гипотезы.
Ещё одно интересное направление — палеогеномика, занимающая¬ся исследованием ДНК, извлеченной из останков людей, найденных в древних захоронениях.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЕНЕТИКИ ЧЕЛОВЕКА. В настоящее время изучен характер наследования около 2000 признаков. Изучение генетики че¬ловека позволяет диагностировать, лечить и предсказывать вероят¬ность возникновения того или иного заболевания, проявление того или иного признака. Для профилактики и прогнозирования вероятно¬сти генетического заболевания созданы медико-генетические консуль¬тации.
Наиболее известны генеалогический, близнецовый, цитогенетиче¬ский методы изучения генетики человека.
Генеалогический метод — самый ранний из методов изучения гене¬тики человека. Он основан на составлении родословной человека и изучении характера наследования признаков. Суть его состоит в уста¬

новлении родословных связей и
определении доминантных и ре-
цессивных признаков (рис. 92)
и характера их наследования.
Особенно эффективен этот метод
при исследовании генных мута-
ций. Метод включает два этапа:
сбор исторических сведений о
наибольшем числе предшествую-
щих поколений рода и генеалоги-
ческий анализ этих сведений. Ро-
дословная составляется, как пра-
вило, по одному или нескольким
признакам. С помощью этого
метода удалось определить, что
гемофилия, распространённая в
царских домах Европы, передавалась сцепленно с полом. И хотя носи-
телем рецессивного гена были женщины, болели ею исключительно
мужчины.
Главным образом с помощью генеалогического метода установили
доминантные и рецессивные признаки человека (табл. 8).
ТАБЛИЦА 8
ДОМИНАНТНЫЕ И РЕЦЕССИВНЫЕ ПРИЗНАКИ ЧЕЛОВЕКА
Признак Доминантный Рецессивный
Размер глаз Большие Маленькие
Цвет глаз Карие Голубые
Острота зрения Близорукость Нормальная
Ямочки на щеках Есть Нет
Подбородок Прямой Отступающий назад
Широкий Узкий и острый
Выступающие зубы и челюсти Есть Нет
Щель между резцами Есть Нет
Волосы С мелкими завитками Вьющиеся, волнистые
Жёсткие, прямые, «ёжик» Прямые, мягкие
Вьющиеся Волнистые или прямые
Тёмные Светлые
Седина В возрасте 25 лет В возрасте 40 лет
Облысение У мужчин У женщин
Рис. 92. Семейная фотография. Докажите, что у папы в роду были голубоглазые блондины

Признак Доминантный Рецессивный
Способность свёртывать язык трубочкой Есть Нет
Цвет кожи Тёмный Светлый
Веснушки Есть Нет
Преобладающая рука Правая Левая
Абсолютный музыкаль¬ный слух Есть Нет
Близнецовый метод изучает влияние среды на развитие различных признаков в фенотипе при одинаковом генотипе идентичных близне¬цов. Идентичные (однояйцовые) близнецы образуются из одной опло¬дотворённой яйцеклетки, разделившейся на ранней стадии развития на две части. В этом случае развиваются не один, а сразу два зароды¬ша. Они имеют одинаковый генетический материал, всегда одного пола, и наиболее интересны для изучения. Сходство у таких близнецов почти абсолютное (рис. 93). Мелкие различия могут объясняться вли¬янием условий развития. Этот метод позволил выяснить, что цвет глаз, форма и цвет волос, группа крови и резус-фактор определяются только генотипом и не зависят от воздействия внешней среды. Инфек¬ционные заболевания, хотя и вызываются бактериями и вирусами, за¬висят в некоторой степени от наследственной предрасположенности. А вот гипертония и ревматизм зависят от генотипа в меньшей степени, и их развитие определяется внешними факторами.
Цитогенетический метод заключается в микроскопическом иссле¬довании структуры хромосом и их количества у здоровых и больных людей. Этот метод позволяет диагностировать и предложить програм¬мы лечения хромосомных и геномных болезней — синдромов. Они в большинстве случаев не наследуются. Хромосомные синдромы, обу-словленные изменениями структуры хромосом, встречаются сравни¬тельно редко: один случай на десятки тысяч новорождённых. Наибо¬лее изучен синдром «кошачьего крика», основное проявление которо¬го — необычный плач ребёнка возникает из-за патологии гортани и
Рис. 93. Близнецы:
а — однояйцовые
(идентичные);
б — разнояйцовые

голосовых связок. Из геномных болезней, в результате которых изме-
няется число хромосом, наиболее детально изучен синдром Дауна.
В его основе лежит появление лишней хромосомы (трисомия). Главны-
ми признаками болезни Дауна являются монголоидный тип лица, ум-
ственная отсталость. При синдроме Дауна наблюдаются пороки сердца
и крупных сосудов, органов пищеварительного тракта, а также сниже-
ние продолжительности жизни в 5—10 раз.
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ (НАСЛЕДСТВЕННЫЕ) ЗАБОЛЕВАНИЯ. Примерно десятая
часть всех болезней человека и предрасположенности к ним определя-
ется генами. Соответственно различают генетические (наследствен-
ные) заболевания и заболевания с генетической предрасположенно-
стью.
Заболевания с генетической предрасположенностью, как показал
близнецовый метод изучения генетики человека, зависят и от геноти-
па, и от среды (уже упомянутые
ревматизм и гипертоническая —
ишемическая болезнь, а также
сахарный диабет, язвенные бо-
лезни желудка и двенадцати-
перстной кишки, многие онколо-
гические заболевания, шизофре-
ния и др.).
Известно несколько тысяч ге-
нетических заболеваний. Их
можно разделить на уже знако-
мые вам геномные и хромосом-
ные, а также генные, при кото-
рых изменяется последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК.
Примером генных заболеваний может служить галактоземия — невоз-
можность усваивать молочный сахар. Это заболевание связано с недо-
статочной активностью фермента, обеспечивающего превращение га-
лактозы (молочного сахара) в глюкозу. При этом наблюдаются желту-
ха, поражение печени и селезёнки, катаракта, а главное — умственная
отсталость. Диета, не содержащая молочного сахара, предотвращает
развитие указанных симптомов.
Очевидно, что болезни можно победить, лишь зная их. Ведь каж¬дый человек, казалось бы абсолютно здоровый, может нести в себе скрытую болезнь или обладать «больным» геном. И ещё: для того что¬бы бороться с болезнями, надо хорошо знать, как работают органы и системы органов человека.
Поэтому следующий параграф будет посвящён дей¬ствиям законов физики в организме человека.
Те, кто здоров, те, кто во цвете лет,
По простоте своей считать готовы,
Что в этом мире смерти вовсе нет,
Что все сильны на свете и здоровы.
А мне с вершины зрелости своей,
Достаточно лежавшему в больницах,
Порою кажется, что нет людей,
Внутри которых хвори не таится.
Р. Гамзатов
V
\

Теперь вы знаете
► основные понятия генетики
► что такое геном человека
► методы изучения генетики человека
► чем вызываются генетические (наследственные) заболевания
Теперь вы можете
► перечислить четыре вида нуклеотидов, из которых построена молекула ДНК
► объяснить, что изучает фармогенетика, этногенетика и палеогенетика
► назвать методы изучения генетики человека
► определить, что такое секвенирование и какие задачи с его помощью были решены
Выполните задания
1
Дайте определения следующих понятий: «генетика», «наследствен¬ность», «изменчивость», «хромосомы», «гомологичные хромосомы», «геном», «генотип», «генофонд», «фенотип», «доминантные гены», «ре¬цессивные гены». Приведите примеры последних двух понятий и назови¬те признаки, за которые они отвечают.
2. Объясните, в чём суть международного проекта «Геном человека» и ка¬ковы его результаты.
3. Сформулируйте, какие болезни называются xpoмocoмными, геномными, генными, какие имеют предрасположенный xapaктер. Приведите приме¬ры таких заболеваний.
4. Голубоглазый смуглый курчавый мужчина с отрицательным резус-факто¬ром женился на кареглазой, белокожей, прямоволосой женщине с поло¬жительным резус-фактором. Опишите признаки, которые будут у детей в этой семье, если допустить, что указанные признаки наблюдались у ро¬дителей в нескольких предыдущих поколениях.
Темы для рефератов
1. Г. Мендель — основоположник учения о наследственности. 2. История раз¬вития генетики в России. 3. Достижения современной генетики. 4. Династия Габсбургов: фамильные признаки и наследственные болезни. 5. Гемофилия — проклятие дома Романовых.

§22
Физика человека
1. Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
2. Объясните, очки с какими диоптриями носят при близорукости и при дальнозоркости.
Человек — существо биологическое. Однако нормальное функцио¬нирование его организма происходит в полном соответствии и с зако¬нами физики. Процессы обмена веществ, энергии и информации, ко¬торые являются обязательным условием существования всего живого, протекают согласно первым двум законам термодинамики. Их мы рас¬сматривали ранее, поэтому остановимся на некоторых примерах, ил-люстрирующих действие этих и других законов физики для отдель¬ных органов и систем органов человека.
СКЕЛЕТ. Пятая часть массы тела взрослого человека приходится на скелет. В скелете взрослого человека насчитывается более 200 костей. В большинстве своём кости являются рычагами, с помощью которых совершаются разнообразные движения тела и его частей в простран¬стве.
Рычаги позволяют уменьшить нагрузку на скелет. Вспомним усло¬вия равновесия рычага. Рычагом называют стержень, имеющий точку опоры, вокруг которой он может вращаться. Существуют рычаги, име¬ющие точку опоры на конце стержня, и рычаги, точка опоры которых находится на некотором расстоянии от его концов (рис. 94). В первом случае, для того чтобы поднять груз, прикладывают силу, направлен¬ную вверх, во втором — направленную вниз.
Плечом (Z) силы называют кратчайшее расстояние от точки опоры до линии, вдоль которой действует сила.
Рис. 94. Примеры рычагов: а — с точкой опоры на конце рычага; б — с точкой опоры посередине рычага

Величину, равную произведению силы и её плеча, называют момен¬том силы (М). Таким образом, M = Fl.
Рычаг находится в равновесии, если момент силы, действующей на него по часовой стрелке, равен моменту силы, действующей на него против часовой стрелки, т. е. М1 = М2 или F1l1 = F2l2.
Следовательно, если, например, на локтевую кость действует неко¬торая сила, то напряжение, возникающее в ней, может быть уменьше¬но за счёт увеличения плеча силы. По этой же причине после прыжка нельзя приземляться на прямые ноги — только на согнутые, так как сгибание ног позволяет уменьшить силу, действующую на кости ног.
Областью контактов костей являются суставы, которые обеспечива¬ют подвижность костей и являются одним из основных элементов опорно-двигательной системы. При работе рук, ног и других костей
Рис. 95. Кровеносная система человека
скелета кости трутся друг о друга
и могут разрушаться. Чтобы этого
не произошло, в суставе (в так на-
зываемой суставной сумке) имеет-
ся жидкость, которая играет роль
смазки и уменьшает трение. Мно-
гие заболевания суставов связаны
с уменьшением или отсутствием
такой смазки.
СИСТЕМА КРОВООБРАЩЕНИЯ. Ра-
ботающее сердце создаёт условия
для возникновения электрическо-
го тока. При сокращении предсер-
дий они заряжаются отрицатель-
но по отношению к желудочкам,
которые в это время находятся
в расслабленном состоянии. Та-
ким образом, при работе сердца
возникает разность потенциалов,
которую можно зафиксировать с
помощью особого прибора — элек-
трокардиографа. Так как тело че-
ловека хорошо проводит электри-
ческий ток, биопотенциалы, воз-
никающие в сердце, могут быть
обнаружены на поверхности тела.
Для получения электрокардио-
граммы, т. е. записи биотоков
сердца, электроды прикрепляют
на внутренние поверхности пред-

плечий обеих рук, икроножную мышцу левой ноги и поверхность
грудной клетки.
Под действием давления крови, поступающей из левого желудочка
в аорту, этот кровеносный сосуд расширяется и в силу эластичности
своих стенок возвращается в прежнее состояние, создавая, таким об-
разом, колебательную волну, которая распространяется по артери-
ям, — пульс. Его мощно ощутить на лучевой артерии у запястья, где
она расположена наиболее поверхностно. Пульс в норме у взрослого
человека составляет 70—75 ударов в минуту.
В соответствии с законами гидродинамики, движение крови по со-
судам определяется двумя причинами: разностью давления в начале
и в конце сосуда и гидравлическим сопротивлением.
Количество крови, протекающее в единицу времени через крове-
носную систему (рис. 95), тем больше, чем больше разность давлений
в её артериальном и венозном концах и чем меньше сопротивление
току крови. Эта закономерность получила название основного гидро-
динамического закона, который определяет и кровообращение в це-
лом, и течение крови по отдельным сосудам.
Кровяное давление — давление крови на стенки кровеносного сосу-
да, измеряется в мм рт. ст. В различных отделах кровеносной системы
оно разное:
в аорте — 100 мм рт. ст.;
в артериях — 90 мм рт. ст.;
в капиллярах — 25 мм рт. ст.;
в венах — 5 мм рт. ст.;
в нижней полой вене — 3 мм рт. ст.
Различают артериальное, венозное и капиллярное давление крови.
Величина артериального давления (рис. 96) у здорового человека яв-
ляется довольно постоянной: максимальное 100—120 мм рт. ст., ми-
нимальное 60—80 мм рт. ст. В течение суток наблюдается колебание
значения артериального давления: днём оно выше, чем ночью. Значи-
тельное повышение артериального давления может наблюдаться при
занятиях спортом, физическим
трудом, а также в результате забо-
леваний. Повышенное артериаль-
ное давление называют гиперто-
нией, а пониженное — гипотони-
ей. Измеряют его с помощью
специальных аппаратов — тоно-
метров.
Газообмен происходит в капил-
лярах с помощью диффузии. По-
чему? Общее количество капил-
ляров в системе сосудов большого
тг
Рис. 96. Измерение артериального давления

круга кровообращения составляет около 2 млрд. Протяжённость их 800 км, площадь внутренней поверхности — 25 м2, а вот объём крови во всех капиллярах равен объёму сердечного выброса — 63—65 мл. Поперечное сечение всего капиллярного русла в 500—600 раз больше поперечного сечения аорты, а потому и скорость тока крови в капил¬лярах в такое же число раз меньше скорости тока крови в аорте (0,5— 1,0 мм/с). За время движения по капиллярам кровь успевает отдать в клетки тканей кислород и забрать из них углекислый газ.
Работа сердца создаёт разность давлений крови в артериальной си¬стеме и правом предсердии. Этот фактор, а также отрицательное дав¬ление в грудной клетке, сокращение скелетных мышц и наличие кла¬панов в венах позволяют крови совершать непрерывное движение от желудочков к предсердиям.
J
Какие печень и почки! Какой мочевой пузырь! Вот мужество одиночки. Вот истинный богатырь.
Е. Евтушенко
Извитой
каналец
ВЫДЕЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА. Структурными и функциональными еди-
ницами почек, как вы знаете из курса биологии основной школы, яв-
ляются особые тельца — нефроны (рис. 97).
Внутри нефрона расположен клубочек из
50 капиллярных петель. При этом принося-
щий кровь сосуд в 2 раза шире выносящего.
Давление крови в приносящем сосуде 95 мм
рт. ст., в капиллярном клубочке — 57 мм рт.
ст., а в выносящем сосуде — лишь 25 мм рт.
ст. В силу этого кровь фильтруется через
мембраны клеток капиллярного клубочка. Так образуется первичная
моча. Она состоит на 98% из воды и продуктов распада белков (моче-
вины, мочевой кислоты). Из неё образуется вторичная моча в резуль-
тате обратного всасывания воды в
кровь. Благодаря этому процессу
человек не выпивает в день по
бочке воды, так как первичной
мочи образуется в каждой почке
до 50—60 л, а вторичной мочи —
лишь 1,0—1,5 л. Она накаплива-
ется в мочевом пузыре.
КОЖА. Процесс терморегуляции
тоже протекает на основе законов
физики, т. е. за счёт теплопровод-
ности, конвекции, излучения и
испарения воды.
В результате теплопроводности
тело непосредственно отдаёт теп-
ло окружающей среде, например
воздуху. Далее вследствие кон-
Калиллярный
клубочек
Приносящая
артерия
Собирательная трубочка
Рис. 97. Фрагмент выделительной системы

векции более нагретый воздух подни-
мается вверх, а на его место приходят
слои воздуха, имеющие меньшую тем-
пературу. Теплопередача тем интен-
сивнее, чем больше разность темпера-
тур поверхности тела и окружающего
воздуха. Скорость теплопередачи уве-
личивается при движении воздуха, на-
пример при ветре. Так, при скорости
ветра 1 м/с кожа охлаждается на
2,6 °С. Интенсивность теплопередачи
во многом зависит от теплопроводно-
сти окружающей среды, например в
воде теплопередача происходит бы-
стрее, чем на воздухе, поскольку вода
обладает большей теплопроводностью,
чем воздух. Одежда уменьшает или даже прекращает теплопередачу.
Излучение происходит с помощью инфракрасных лучей тем интен¬сивнее, чем выше температура тела. Кожа (рис. 98) богата кровенос¬ными сосудами, которые при повышении температуры окружающей среды расширяются и увеличивают процесс теплопроводности и излу¬чения. При понижении температуры окружающей среды происходит обратный процесс.
Испарение воды с поверхности тела (2/3 влаги) и в процессе дыха¬ния (Vg влаги) также способствуют терморегуляции. На испарение 1 г воды расходуется 2,4 кДж энергии. Этот процесс происходит при вы¬делении пота. Даже при полном отсутствии видимого потоотделения через кожу в сутки испаряется до 0,5 л воды (невидимое потоотделе¬ние). При дыхании человек также выделяет ежесуточно около 0,5 л воды (энергия при этом тратится не только на испарение воды из лёг¬ких, но и на согревание выдыхаемого воздуха). Испарение 1 л пота у человека весом 75 кг может понизить температуру тела на 10 °C.
В состоянии покоя взрослый человек выделяет во внешнюю среду 15% энергии путём теплопроводности и конвекции, 65% — за счёт из¬лучения, 20% — за счёт испарения воды.
ДЫХАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА. Дыхание — неотъемлемый признак жизни человека. Мы дышим постоянно с момента рождения и до смерти. Ды¬хание — сложный непрерывный процесс, в результате которого посто¬янно обновляется газовый состав крови и происходит биологическое окисление в тканях. При этом освобождается скрытая химическая энергия, которая является источником всех жизненных процессов ор¬ганизма.
За счёт отрицательного давления в грудной полости (оно в состоя¬нии покоя у человека на 6—9 мм рт. ст. ниже атмосферного) структур-
Рис. 98. Строение кожи: I — эпи-дермис; II — дерма; III — подкож-ная клетчатка

Рис. 99. Строение лёгкого
Рис. 100. Центральная нервная система человека
ные единицы лёгкого — альвео¬лы — всегда находятся в рас¬тянутом состоянии. Газообмен в лёгких (рис. 99) и тканях под-чиняется физическим закономер¬ностям. Вдыхаемый воздух — это смесь газов, каждый из которых переходит в кровь или тканевую жидкость в зависимости от вели-чины его парциального давления. Под парциальным давлением по¬нимают ту часть давления, кото¬рая приходится на отдельный газ в смеси газов (для кислорода оно составляет 102 мм рт. ст., а для углекислого газа — 5,33 мм рт. ст.). Газ всегда диффундирует из сре¬ды, где имеется высокое давле¬ние, в среду с меньшим давлени¬ем. Поэтому в альвеолах лёгких из воздуха уходит кислород и по¬ступает углекислый газ, а в тка¬нях — наоборот.
Голосообразование обеспечива¬ется не только специализирован¬ным для этого органом — горта¬нью, но и дыхательными мыш¬цами живота, грудной клетки, диафрагмы, лёгкими, полостью рта, носом, губами и зубами. Для голоса характерны сила (зависит от давления выдыхаемого возду¬ха), высота (зависит от напряже¬ния голосовых связок) и тембр. Тембр голоса всегда индивидуа¬лен, он зависит от резонаторов, т. е. различных полостей, запол¬ненных воздухом. Голос так же не-повторим, как радужная оболоч¬ка глаза или отпечатки пальцев.
НЕРВНО-МЫШЕЧНАЯ СИСТЕМА.
Между наружной поверхностью клетки и цитоплазмой существует разность потенциалов около 60—

90 мВ. Такую разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. При этом поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме.
При поступлении раздражения на участок нервного или мышечно¬го волокна возникает возбуждение, в результате которого возбуждён¬ный участок заряжается отрицательно по отношению к невозбуждён¬ному. Эту разность потенциалов между участками мышечного или нервного волокна называют потенциалом действия. Он распространя¬ется по нервным волокнам и анализируется в центральной нервной си¬стеме (рис. 100). Аналогичную биоэлектрическую природу имеют сиг¬налы, идущие от центральной нервной системы в ответ на поступив¬шее раздражение.
О деятельности головного мозга судят по его электрической актив¬ности. Разность потенциалов в головном мозге очень мала (несколько десятков микровольт), поэтому необходимо использовать усилители биотоков и осциллографы для их графической регистрации. Такой прибор для записи электрических колебаний головного мозга называ-ется электроэнцефалографом, а кривая биопотенциалов — электро-энцефалограммой.
ЗРЕНИЕ. 90% всей информации, поступающей в мозг человека, даёт зрение. Исключительную роль в этом играет глаз. Напомним строение глаза (рис. 101), вы уже изучали его на уроках анатомии в основной школе. Глаз состоит из белочной оболочки, в передней части глаза об¬разующей прозрачную роговицу, пропускающую свет. Под белочной расположена сосудистая оболочка, в переднем отделе она образует ра¬дужную оболочку и зрачок. Внутренняя оболочка — сетчатка — состо¬
Роговица
Стекловидный
канал
Зрительный
нерв
Радужная оболочка-
Зрачок
Хрусталик
Слепое пятно
Цилиарная мышца
Стекловидное
тело
Сетчатка
Рис. 101. Строение глаза человека

ит из палочек, колбочек и нервных клеток, от которых возбуждение идёт в головной мозг. Зрачок — отверстие в радужной оболочке, за которой находится хрусталик, погружённый в водянистую жидкость. За ним расположено прозрачное стекловидное тело, оно заполняет внутреннюю часть глазного яблока.
Роговица, хрусталик и стекловидное тело составляют оптическую систему глаза, преломляющую световые лучи, в результате чего на сетчатке возникает уменьшенное перевёрнутое изображение рассма¬триваемого предмета.
Величину, которая характеризует преломляющую способность оптической системы глаза, называют оптической силой и обозначают буквой D.
Оптическая сила — величина, обратная фокусному расстоя¬нию, измеренному в метрах: D = 1/F.
Единицей оптической силы является диоптрия (дптр). 1 диоптрия — это оптическая сила линзы, имеющей фокусное расстояние в 1 м. При увеличении фокусного расстояния линзы её оптическая сила умень¬шается. Преломляющая сила оптической системы глаза при рассма¬тривании дальних предметов — около 59 дптр, а при рассматривании близких — 0,5 дптр.
Человек хорошо видит и близкие, и дальние предметы, изменяя кривизну хрусталика. При аномалиях наблюдается дальнозоркость (чёткое изображение рассматриваемого предмета возникает за сетчат¬кой) или близорукость (чёткое изображение рассматриваемого пред¬мета возникает перед сетчаткой). Чтобы изображение предмета попа¬ло на сетчатку при дальнозоркости, лучи, идущие от предмета, нужно собрать, приблизить к оптической оси. Для этого используют очки с собирающей линзой. В случае близорукости точку пересечения лучей, идущих от предмета, нужно удалить. Это можно сделать, если удалить лучи от оптической оси. И здесь помогут очки с рассеивающей линзой.
Человек способен различать большое количество цветов. Признан¬ной теорией, объясняющей механизм цветового зрения, является тео¬рия Ломоносова — Гельмгольца. М. В. Ломоносов (1711—1765) вы¬сказал предположение о наличии в сетчатке трёх элементов, воспри¬нимающих три основных цвета. В XIX в. эту теорию обосновал и развил немецкий врач и физик Г. Л. Ф. Гельмгольц (1821—1894). Раздражение глаза электромагнитными волнами длиной 620—760 нм вызывает ощущение красного цвета, 510—560 нм — зелёного, 390— 450 нм — фиолетового. Возбуждение, дошедшее до коры головного мозга, суммируется, и возникает ощущение того или иного цвета.
СЛУХ. Важнейшим из органов чувств человека, имеющих особую акту¬альность в связи с развитием речи, является слух. Напомним строение уха (рис. 102) — органа слуха.

Ушная
раковина
Наружный
слуховой
проход
Рис. 102. Строение уха человека
Оно состоит из наружного, сред-
него и внутреннего уха. Ушная
раковина концентрирует звуки и
направляет их в слуховой проход к
барабанной перепонке, разграни-
чивающей наружное и среднее
ухо. Её колебания передаются слу-
ховым косточкам (молоточку, на-
ковальне и стремечку), а затем —
мембране овального окна. При
этом давление звуковых волн уве-
личивается в 30 раз, что обеспечи-
вает колебание жидкости во вну-
треннем ухе. Полость среднего уха
соединена с носоглоткой, и давле-
ние в нём уравнивается с атмо-
сферным с помощью евстахиевой
трубы. Круглое окно с мембраной разграничивает среднее и внутреннее
ухо. Во внутреннем ухе к органу слуха относится улитка, канал которой
разделён как бы на два этажа мембраной, состоящей из отдельных во-
локон разной длины. Самые длинные волокна расположены на вершине
улитки, а самые короткие — у её основания. На этих волокнах находят-
ся слуховые волосковые клетки. Такие клетки на вершине улитки вос-
принимают низкие звуки, а у основания — высокие. Человек может
воспринимать звуки с частотой от 16 000 до 20 000 Гц.
Мы привели лишь некоторые примеры действия за-
конов физики для жизнедеятельности организма че-
ловека, но должны констатировать, что только физи-
кой работу его органов и систем органов объяснить
нельзя, — необходимо учитывать закономерности
и других естественных наук, например химии, о чём
и пойдёт речь в следующем параграфе.
Теперь вы знаете
► каковы функции скелета
► механизм функционирования системы кровообращения
► строение выделительной системы
► строение кожи
► строение дыхательной системы
Теперь вы можете
► описать, как происходит газообмен в капиллярах, лёгких и тканях, как фильтруется кровь в нефронах, как протекает процесс терморегуляции в организме человека

назвать приборы и аппараты, которые фиксируют и записывают биотоки сердца, электрические колебания головного мозга, с помощью которых измеряют кровяное давление
Выполните задания
1. Проиллюстрируйте примерами из биологии суть первого и второго зако¬нов термодинамики.
2. Объясните, в соответствии с какими физическими законами происходит движение крови по сосудам и как оно обеспечивается. Как измерить пульс и артериальное давление?
3. Опишите строение глаза, уха.
4. Дайте характеристику таких явлений, как дрожь, мурашки и гусиная кожа. Расскажите, что означают выражения: «раскраснелся от тепла» и «посинел от холода».
5. Проанализируйте, как возникают и передаются нервные импульсы, из чего складывается оптическая система глаза, как возникает изображение на сетчатке, как воспринимается звук органом слуха человека.
6. Назовите причину, по которой при взлёте самолёта или при погружении в воду у человека закладывает уши; объясните, зачем стюардессы во вре¬мя взлёта и посадки самолёта раздают пассажирам карамель.
Темы для рефератов
1. Что есть человек с точки зрения физики (основные параметры для органов, систем, тканей тела человека). 2. Электрические и акустические явления при работе сердца. 3. Цветовое зрение у животных.
§23.
Химия человека
1. Перечислите физические и химические свойства воды.
2. Объясните, какие реакции называют реакциями гидролиза. Л
ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. Человек — это неотъемлемая часть живой природы и имеет такую же химическую организацию, ка¬кую имеют все живые организмы на Земле. Её основу составляют не¬органические и органические вещества, построенные 70 химическими элементами. Эти элементы называются биогенными (т. е. рождающи-

ми жизнь). Атомы таких элементов занимают первые четыре периода таблицы Д. И. Менделеева и, следовательно, характеризуются неболь¬шими радиусами и сравнительно малой относительной атомной мас¬сой. Поэтому они способны давать прочные ковалентные связи, чем и объясняется их биологическая роль. На диаграмме (рис. 103) показа¬но, из каких химических элементов состоит тело человека.
Если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует отнести к макроэлементам. На 4 элемента — кислород, угле¬род, водород и азот — приходится 96% массы тела человека. Кроме этих элементов к макроэлементам относятся фосфор, сера, кальций, калий, натрий.
Других элементов в организме человека содержится значительно меньше — 10g—10-5%. Их называют микроэлементами (железо, хлор, кремний, алюминий, марганец). Если содержание элемента ниже 10-5%, его считают ультрамикроэлементом (медь, марганец, иод, цинк, фтор, бром). Конеч¬
но, такая граница условна, на¬пример магний попадает в промежуточную область меж¬ду макро- и микроэлементами.
Неорганические вещества, образованные химическими элементами, относятся к раз¬ным типам и классам веществ.
Но вот его ценностью — довольно мило:
Жира — на семь копеек мыла,
Железа — на гвоздик, тупой с обоих,
Фосфора — на три копейки спичек,
Калия — выстрел (да и он плох),
Серы — против десятка блох.
Всего же в итоге на сорок копеек.
И. Сельвинский

Например, простое вещество кислород составляет основу дыхания, к оксидам относятся известные каждому человеку вода и углекислый газ, к основаниям — образующийся при распаде белков аммиак, к кислотам — содержащаяся в желудке соляная кислота. Однако наи¬большая доля неорганических веществ приходится на минеральные соли.
ТАБЛИЦА 9
СОСТАВ ВЕЩЕСТВ ТЕЛА ВЗРОСЛОГО ЧЕЛОВЕКА, %
Орган или часть тела человека Процент от массы Вода Жиры Белки Минераль¬ные соли
Кожа 7,81 64,68 13,00 22,10 0,68
Скелет 14,84 31,81 17,18 18,93 28,91
Зубы 0,06 5,0 0,0 23,0 70,90
Поперечно-полоса-тая мускулатура 31,56 79,52 3,35 16,50 0,93
Головной и спин¬ной мозг 2,52 73,33 12,68 12,06 1,37
Печень 3,41 71,46 10,35 16,19 0,88
Сердце 0,69 73,69 9,26 15,88 0,80
Лёгкие 4,15 83,74 1,54 13,38 0,95
В то время как неорганические вещества встречаются и в неживой
природе, органические соединения характерны только для живых ор-
ганизмов. К таким соединениям относят белки, жиры, углеводы,
нуклеиновые кислоты, витамины, гормоны,
АТФ. Процентный состав их (а также воды)
представлен в таблице 9.
ВОДА, ЕЁ КОЛИЧЕСТВО И ВОДНЫЙ БАЛАНС
В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА. Выдающийся немец-
кий физиолог Э. Д. Раймон писал: «Жизнь —
это одушевлённая вода». Данные таблицы 9
как нельзя лучше подтверждают это высказы-
вание.
Трёхдневный человеческий зародыш на 97%
состоит из воды, трёхмесячный — на 91%,
восьмимесячный — на 81%, новорождённый
ребёнок — на 80%, годовалый — на 70%. В ор-
ганизме взрослого человека воды немного мень-
Рис. 104. Уменьшение с возрастом содержа-ния воды в организме человека

ше — 68%. При старении этот процент уменьшается до 60—65% (рис. 104).
Без пищи человек может прожить около месяца, если во время этой голодовки будет потреблять жидкость, а без воды он погибнет через не¬сколько дней. Взрослый человек для поддержания своей жизни дол¬жен получать около 2,5 л воды в сутки, за 60 лет в среднем выпивается 50 т воды — целая железнодорожная цистерна.
При нормальных условиях организм здорового человека находится в состоянии водного равновесия, т. е. количество потребляемой и об¬разующейся в организме воды равно выделяемой. Нарушение этого равновесия приводит к тяжёлым последствиям.
ФУНКЦИИ ВОДЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА. Как вы уже знаете из курса 10 класса, вода играет большую роль в организации жизни на Земле. Напомним основные функции воды применительно к человеку.
Вода — транспортное средство для циркулирующих в теле клеток крови, она же обеспечивает транспортировку всех веществ в пределах организма. Все жизненные процессы протекают с участием воды, они связаны с её постоянным перераспределением и перемещением. Про-
цессы пищеварения, обмена ве-
ществ, кроветворения, синтеза
тканей совершаются в водных
растворах и с участием воды. Она
доставляет в органы человеческо-
го тела химические вещества,
участвующие в координации фи-
зиологических и биохимических
процессов, осуществляемых через
жидкие среды организма. Вода
играет важную роль и в газообме-
не, так как растворяет кислород и
углекислый газ. Ядовитые шлаки
удаляются из нашего организма
только в водной среде.
Вода приводит в действие ион-
ные насосы, так как свободно про-
ходит через мембраны и обеспечи-
вает перемещение ионов натрия и
калия в обоих направлениях по
всей длине нервных отростков,
что обеспечивает нейропередачу в
головном и спинном мозге, а так-
же в нервах. Вода транспортирует
в клетку натрий, а калий выво-
Рис. 105. Терморегуляция у бегущего спортсмена осуществляется через кожу

дит, за счёт этого и создаётся разность потенциалов в 60 мВ. На кле-
точных мембранах располагаются сотни тысяч ионных насосов, гене-
рирующих напряжение.
Вода регулирует температуру на-
шего тела, осуществляя теплопередачу
с поверхности кожи (рис. 105), а также
путём испарения пота.
Вода участвует в обменных процес-
сах организма. Как вы помните, реак-
ции гидролиза белков, жиров и углево-
дов — это химическая основа обмена
веществ в организме, а реакции гидро-
лиза АТФ — это химическая основа об-
мена энергии. Без обмена веществ и
энергии немыслима сама жизнь.
В стихотворении Мартынова отра-
жена не вся диалектика: при продол-
жительном употреблении дистиллиро-
ванная вода вредна для организма, так
как вымывает из клеток желудка и ки-
шечника полезные соли, необходимые
для нормальной жизнедеятельности.
Однако без дистиллированной воды не
будет целой промышленности, работа-
ющей на здоровье человека, — фарма-
цевтической, ведь все лекарственные и
медицинские растворы готовятся на
дистиллированной воде.
Вода
Благоволила
Литься!
Она
Блистала Столь чиста,
Что — ни напиться,
Ни умыться,
И это было неспроста.
Ей не хватало Ивы, тала
И горечи цветущих лоз.
Ей водорослей не хватало И рыбы, жирной от стрекоз. Ей не хватало быть волнистой, Ей не хватало течь везде.
Ей жизни не хватало — Чистой
Дистиллированной воде!
Л. Мартынов
МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА. Минеральные вещества присутствуют в
клетках в виде нерастворимых солей (например, основное количество
кальция и фосфора содержится в
костях в форме гидроксофосфата
кальция Са10(РО4)6(ОН)2) или в
форме молекул и ионов (напри-
мер, соляная кислота желудка не-
обратимо диссоциирует как силь-
ный электролит на ионы Н+ и С1-)
содержатся в жидких средах орга-
низма (табл. 10).
Напомним, что осмотическое
давление — это избыточное давле-
ние на клеточные жидкости, отде-
лённые от внеклеточных жидко-

ТАБЛИЦА 10
КОНЦЕНТРАЦИЯ ИОНОВ В ЖИДКИХ СРЕДАХ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
Исследуемая
жидкость Концентрация ионов
Na+ K+ Ca2+ Mg2+ С1- S02- РО4- HCO-
Плазма крови 142 5 5 1,1 103 1 2 27
Спинномозговая
жидкость 142 3 2,5 2 124 — — 21
Грудное молоко 14 16 17 3 11 — 6 —
Внутриклеточная жидкость(поперечно- полосатая муску¬латура) 10 160 — 35 2 — 140 8
Межклеточная жид-кость 144 5 2,5 1,5 144 1 2 30
Пот 75 5 5 — 75 — — 0
Сок поджелудочной железы 148 7 6 0,3 80 8,4 — 80
стей полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффу-
зия внеклеточных веществ.
Основное значение минеральных веществ заключается в поддержа-
нии определённых физико-химических условий во внутренней среде
организма (в поддержании кислотно-щелочного равновесия, осмоти-
ческого давления клеточных и внеклеточных жидкостей, водно-соле-
вом обмене, системе свёртывания крови, регуляции многочисленных
ферментных реакций), а также в формировании и сохранении струк-
тур плотных тканей (скелета)
(рис. 106). О роли соединений
кальция, например, в организме
человека замечательно написала
поэтические строчки Вера Инбер
в «Пулковском меридиане» —
о ленинградцах-блокадниках.
ЗАБОЛЕВАНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С НЕДОСТАТКОМ ИЛИ ИЗБЫТКОМ НЕКО¬ТОРЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА. Установ¬лено, что многие биологические катализаторы — ферменты — содер¬жат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в со¬став 70, медь — в состав 30, а цинк — в состав более чем 100 фермен¬тов.
…Ох! День ото дня
Из наших клеток исчезает кальций.
Слабеем.
В. Инбер

Недостаток в организме железа приводит к анемии (малокровию), так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее его небелко¬вой части — гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемо¬глобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пи¬щей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, ещё в XVII в. в некоторых евро¬пейских странах при малокровии прописывали настой железных опи¬лок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз или лёгких — заболевание, вызываемое от¬ложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регуля¬тор содержания железа в крови — печень.
Недостаток в организме меди приводит к нарушению стенок крове¬носных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соедини¬тельных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение лёг¬ких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Избыток же меди приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Виль¬сона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количе¬ства соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бак-терий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при ле¬чении конъюнктивитов в виде глазных капель (25%-й раствор), а так¬же для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди (II), нитрата калия, квасцов и камфары). При ожогах кожи фосфором проводят её обильное смачивание 5% -м раствором сульфата меди (II).
В таблице 11 приведены симптомы, возникающие при дефиците в организме человека разных химических элементов.
ТАБЛИЦА 11
ХАРАКТЕРНЫЕ СИМПТОМЫ ПРИ ДЕФИЦИТЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Химический
элемент Симптомы
Са Замедление роста скелета
Mg Мускульные судороги
Fe Анемия, нарушение иммунной системы
Zn Повреждение кожи, замедление роста и полового созревания
Cu Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторич¬ная анемия
Mn Бесплодие, ухудшение роста скелета

Химический
элемент Симптомы
Мо Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
Со Злокачественная анемия
Ni Депрессии, дерматиты
Cr Признаки диабета
Si Нарушение роста скелета
F Кариес зубов
I Нарушение работы щитовидной железы, замедление метабо¬лизма
Se Мускульная (в частности, сердечная) слабость
Основные классы органических веществ (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) и их значение были рассмотрены при изучении уровней организации жизни на Земле. Биологические функции ве¬ществ этих классов характерны для всех живых организмов, включая человека.
Другие биологически активные вещества — гормоны, витамины и лекарства — будут рассмотрены далее в отдельных параграфах.
Теперь вы знаете
каков химическим состав тела человека функции воды в организме человека значение минеральных веществ
какие заболевания связаны с недостатком или избытком некоторых хи¬мических элементов в организме человека
Теперь вы можете
► перечислить химические элементы, которые содержатся в организме че¬ловека
► привести примеры макроэлементов, микроэлементов и ультрамикроэле¬ментов в организме человека
► назвать заболевания, связанные с недостатком или избытком разных хи¬мических элементов в нашем организме
Выполните задания
1. Объясните, какие элементы называют биогенными и почему они распо¬ложены в I—IV периодах таблицы Д. И. Менделеева.

2. Определите, какие биогенные элементы по их содержанию в opгaнизмe человека являются макроэлементами, какие — микроэлементами, ка¬кие — ультрамикроэлементами.
3. Охарактеризуйте роль воды в жизнедеятельности организма человека.
4. Проанализируйте значение минеральных веществ для человеческого ор¬ганизма.
5. Перечислите симптомы, появляющиеся у людей с дефицитом разных хи¬мических элементов.
6. Сформулируйте, что такое гуморальная регуляция жизнедеятельности организма человека. Как углекислый газ выступает в роли гуморального фактора?
1. Биохимия: история её развития, современные достижения. 2. Биологиче¬ская роль белков, жиров и углеводов в организме человека. 3. Химические элементы в организме человека и животных.
1. Приведите примеры растений, богатых витаминами C, K, группы B.
2. Назовите продукты животного происхождения, в которых много вита¬минов A, E, D.
3. Перечислите витамины, которые вы принимали, и объясните, с какой
В своём произведении «Ошибка господа бога» (1911) Джек Лондон рисует яркую картину того, как от истощения, вызванного цингой,
гибнут люди, несмотря на то что у них
24 . Витамины
целью.
имеется достаточный запас пищи.
В этом маленьком отрывке из рас¬сказа (см. с. 177) ясно показана при¬чина заболевания: отсутствие в кон¬сервированных продуктах веществ, известных сейчас даже малым де¬тям, — витаминов. А вот Джек Лондон этот термин использовать не мог, и это совершенно понятно, поскольку толь¬ко в следующем, 1912 г. была опубли¬кована статья польского биохимика
Я сегодня в школе. Мать меняется в лице,
Витамины A, B, C Предлагает Пете. (Витамины A, B, C Очень любят дети.)
А. Барто

Вместо ответа человек показал на свой рот, с усилием растянул
вспухшие, почернелые губы, и Смок невольно отшатнулся.
— Цинга, — негромко сказал он Малышу, и больной кивком
подтвердил диагноз.
— Еды хватает? — спросил Малыш.
— Ага, — отозвался человек с другой койки. — Можете взять.
Еды полно.
Дж. Лондон
К. Функа (1884—1967), в которой впервые было введено это понятие.
Его название произошло от латинского слова vita — «жизнь», т. е.
«амин жизни», хотя большинство витаминов к классу органических
соединений, называемых аминами, не относится.
И всё-таки мы с гордостью должны констатировать, что основопо-
ложником учения о витаминах является наш соотечественник, врач
II. И. Лунин (1853—1937), который ещё
в 1880 г. защитил докторскую диссертацию
«О значении неорганических соединений для
питания животных» в Юрьевском (Тарту-
ском) университете. В диссертации и последу-
ющих статьях Лунин показал, что мыши бы-
стро гибнут, если их кормить пищей, состав-
ленной из казеина, молочного жира, сахарозы
и дистиллированной воды, однако продолжа-
ют здравствовать, если добавлять в рацион на-
туральное молоко. Из этого наблюдения уче-
ный сделал вывод, что в молоке содержатся
ещё какие-то вещества, необходимые для
жизни, — витамины, как мы их сейчас назы-
ваем.
Казимир Функ
Витамины — это низкомолекулярные
органические соединения различной хими-
ческой природы, выполняющие важнейшие
биохимические и физиологические функции
в живых организмах.
В настоящее время известно свыше 30 со-
единений, относящихся к этой группе биоло-
гически активных веществ.
БОЛЕЗНИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВИТАМИННОЙ
НЕДОСТАТОЧНОСТЬЮ ИЛИ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ.
Полное отсутствие в организме какого-либо
Николай Иванович Лунин

витамина служит причиной авитаминоза —
тяжёлого заболевания организма. Названия бо-
лезней, вызванных авитаминозами, пугают:
цинга (рис. 107, а), рахит (рис. 107, б), куриная
слепота, пеллагра, бери-бери (рис. 107, в).
Чаще встречаются случаи частичной недо-
статочности витамина — гиповитаминозы,
которые проявляются лёгким недомоганием,
быстрой утомляемостью, пониженной работо-
способностью, повышенной раздражительно-
стью, снижением сопротивляемости организ-
ма к инфекциям.
Снабжение организма витаминами приоб-
ретает особое значение в конце зимы и весной,
когда организм истощает свои ресурсы вита-
минов и значительно снижена витаминная
кладовая продуктов питания.
Причинами гиповитаминозов могут быть:
— однообразное и, как правило, неполно-
ценное питание;
— ограниченное питание в период религи-
озных постов;
— повышенная потребность в витаминах в
период беременности и кормления, а также
роста организма и т. д.;
— различные заболевания, разрушающие
всасывание или усвоение витаминов.
Вредна и другая крайность — избыток ви-
таминов. При избыточном их потреблении
развивается отравление (интоксикация) орга-
низма, получившее название гипервитамино-
зов. Гипервитаминоз часто наблюдается у мо-
лодых людей, которые занимаются столь мод-
ным сейчас культуризмом — бодибилдингом и
нередко неумеренно потребляют пищевые до-
бавки и витамины.
НОРМЫ ВИТАМИНОВ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА. Так как химическая природа ви¬таминов была открыта после установления их биологической роли, ви¬тамины условно обозначили буквами латинского алфавита (A, B, C, D и т. д.), что сохранилось до настоящего времени.
В качестве единицы измерения витаминов пользуются миллиграм¬мами (мг), микрограммами (мкг) или миллиграммами витамина на 100 г продукта (мг%). Потребность человека в витаминах зависит от
Рис. 107. Болезни, вы-званные авитаминозом: а — цинга; б — рахит; в — бери-бери

его возраста, состояния здоровья, условий жизни, характера деятель¬ности, времени года, содержания в пище основных необходимых ком¬понентов. Сведения о потребности взрослого человека в витаминах приведены в таблице 12.
ТАБЛИЦА 12
СУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА В ВИТАМИНАХ
И ИХ ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ
Витамин Суточная
потребность,
мг Функции
Аскорбиновая кис¬лота (витамин С) 50—100 Участвует в окислительно-восстанови¬тельных реакциях, повышает сопротив¬ляемость организма экстремальным воздействиям
Тиамин (аневрин, витамин B1) 1,4—2,4 Необходим для нормальной деятельно¬сти центральной и периферической нервной системы, регулятор жирового и углеводного обменов
Рибофлавин (витамин B2) 1,5—3,0 Участвует в окислительно-восстанови¬тельных реакциях
Пиридоксин (витамин B6) to
0
1
to
«to Участвует в синтезе и метаболизме ами-нокислот, метаболизме жирных кислот и ненасыщенных липидов
Ниацин (витамин РР) 15—25 Участвует в окислительно-восстанови¬тельных реакциях в клетках (недостаток вызывает пеллагру)
Фолиевая кислота (фолацин, витамин В9) 0,2 Фактор кроветворения, переносчик од-ноуглеродных радикалов, участвует в синтезе аминокислот, нуклеиновых кис¬лот, холина
Цианокобаламин (витамин B12) 0,002—0,005 Участвует в биосинтезе нуклеиновых кислот, холина, лецитина; фактор кро¬ветворения, обладает липотворным дей¬ствием
Биотин(витамин Н) 0,050—0,3 Участвует в реакциях карбоксилирова- ния, обмена аминокислот, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот
Пантотеновая кис¬лота (витамин B5) 5—10 Участвует в реакциях биохимического ацилирования, обмена белков, липидов, углеводов

Витамин Суточная
потребность,
мг Функции
Холин (витамин В4) 250—600 Участвует в синтезе биологически важ¬ных соединений
Ретинол (витамин А) 0,5—2,5 Участвует в деятельности мембран кле¬ток, в процессе фоторецепции (в восприятии света), необходим для роста и развития организма, для функционирования слизистых обо¬лочек
Кальциферол (витамин D) 0,025—0,01 Регулирует содержание кальция и фосфора в крови, минерализацию ко-стей, зубов
По растворимости в воде или жирах витамины делят на две группы: водорастворимые (В1, В2, B6, РР, С и др.) и жирорастворимые (А, Е, D, K).
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ НА ПРИМЕРЕ ВИТАМИНА С. Рассмо¬трим сначала группу водорастворимых витаминов. Витамин С — это витамин над витаминами. Он единственный связан напрямую с белко¬вым обменом. Если в организм человека поступает мало аскорбиновой кислоты, требуется много белка, и напротив, при хорошей обеспечен-ности аскорбиновой кислотой можно обойтись минимальным количе¬ством белка в пище.
Витамин С способствует увеличению сопротивляемости организма к простудным заболеваниям, к различным видам стрессов.
Особенностью витамина С является его быстрая окисляемость: весь витамин в организме может окислиться за 14—16 дней, что доказыва¬ет необходимость его постоянного потребления.
Наиболее богаты витамином С такие продукты, как шиповник (1200 мг%), зелёный и красный болгарский перец (400—6001 мг%), чёрная смородина (200 мг%), цитрусовые (60—100 мг%), овощи, фрукты (рис. 108). Значит, чтобы бороться с витаминной недостаточ-ностью, необходимо повысить содержание свежих овощей и фруктов в пищевом рационе.
Болезнь, вызванная острым недостатком этого витамина, называет¬ся цинга. Она проявляется точечными кровоизлияниями на теле, на внутренних органах, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов, одышкой, болями в области сердца.

но н
но-сн2-с-с-с=с-с=о
I
н
I I
но он
С’
Аскорбиновая кислота
СН2 . СН3
Н3С NH2
Тиаминхлорид
сн2-сн2-
Н,С
СН2-(СНОН)з-С1-Ь
Xyv-Nyvyo
AAN*VNH
Н3с J
Рибофлавин
СН3 СН3СН3 СН3
Х^ЧЛЛА^/СН2°Н
СНз
Ретинол
Кальциферол
Рис. 108. Продукты питания, в которых содержатся витамины С, В,, В2, А, D
Для предотвращения заболевания цингой эксперты оценили по¬требность человека в витамине С в 10—30 мг в сутки. Однако нормы, принятые сейчас во многих странах, превышают эту дозу в 3—5 раз, поскольку витамин С служит и для других целей. Чтобы создать в ор¬ганизме оптимальную внутреннюю среду, способную противостоять многочисленным неблагоприятным воздействиям, необходимо посто¬янно обеспечивать организм витамином С; это, кстати, способствует и высокой работоспособности.

ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ НА ПРИМЕРЕ ВИТАМИНА А (РЕТИНО¬ЛА). Жирорастворимые витамины обладают рядом особенностей. Во- первых, жирорастворимые витамины, что следует из их названия, растворяются в жирах и поэтому усваиваются организмом только в присутствии жиров и желчи. Во-вторых, они способны накапливаться в организме при поступлении в него в больших количествах, что мо¬жет привести к развитию гипервитаминоза. В этом отношении избы¬точные дозы жирорастворимых витаминов более опасны, чем водорас¬творимых. В-третьих, многие жирорастворимые витамины имеют по несколько аналогов с близкой структурой и идентичным биологиче-ским действием. Так, у витаминов А и K обнаружено по 2 аналога, у витамина Е — 4, а у витамина D — 10.
Витамин А участвует в биохимических процессах, связанных с дея¬тельностью мембран клеток. При его недостатке ухудшается зрение (ксерофтальмия — сухость роговых оболочек; куриная слепота), за¬медляется рост молодого организма, особенно костей, наблюдается по¬вреждение слизистых оболочек дыхательных путей, пищеваритель¬ной системы. Этот витамин обнаружен только в продуктах животного происхождения, особенно много его в печени морских животных и рыб. Содержание его (в мг%) в рыбьем жире — 15, в печени трески — 4, сливочном масле — 5, молоке — 0,025. Потребность человека в ви¬тамине А может быть удовлетворена и за счёт растительной пищи, в которой содержатся его провитамины — каротины. Из молекулы p-каротина образуется две молекулы витамина А. Больше всего p-каротина (в мг%) в моркови — 9,0, красном перце — 2, помидо¬рах — 1, сливочном масле — 0,2—0,4 (см. рис. 108).
Витамин А разрушается под действием света, кислорода воздуха, при термической обработке (30%).
Недостаток витамина А в организме приводит к нарушению роста и к заболеваниям глаз. У человека одним из ранних симптомов недоста¬точности витамина А является куриная слепота, т. е. нарушение зре¬ния в сумеречном свете.
Далее мы поговорим о гормонах, которые осущест¬вляют координацию и регулировку деятельности всех органов в нашем организме.
Теперь вы знаете
► какие болезни вызываются витаминной недостаточностью
► нормы витаминов для человека
► как классифицируют витамины
► роль витамина С (аскорбиновой кислоты) для здоровья человека
► роль витамина А (ретинола) для здоровья человека

© Теперь вы можете
► определить, в чём разница между авитаминозом, гиповитаминозом и ги- первитаминозом
► назвать заболевания, вызванные недостатком в организме витаминов С, А, D
► перечислить процессы жизнедеятельности в организме, в которых при¬нимают активное участие витамины С и А
Выполните задания
1. Объясните, что такое витамины и на какие группы они делятся.
2. Перечислите продукты, которые богаты витаминами С; А; D.
3. Назовите способы сохранения витаминов в овощах и фруктах при их ку¬линарной обработке и консервировании.
4. Проанализируйте таблицу 12 и определите, в каких витаминах самая большая суточная потребность у человека.
Темы для рефератов
1. Поливитамины: их виды, нормы, польза и опасность бесконтрольного при¬менения. 2. Растения как источник витаминов. 3. Бери-бери и открытие вита¬мина В1. 4. Научная деятельность Н. И. Лунина.

Естествознание 11 класс, часть 4

Обратимость химической реакции
и химическое равновесие
Приведите примеры из разных учебных предметов обратимых и необратимых процессов.
Л
НЕОБРАТИМЫЕ И ОБРАТИМЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. Невозможно ничего вернуть, остановить время, бег времени необратим. Своё нача¬ло и свой конец имеют и химические процессы. Но они могут проте¬кать как в прямом, так и в обратном направлении.
Что войны, что чума? — конец им виден скорый, Им приговор почти произнесён.
Но как нам быть с тем ужасом, который Был бегом времени когда-то наречён?
А. Ахматова
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. Все химические реакции по направлению можно разделить на необратимые и обратимые.
Необратимыми называются химические реакции, в резуль¬тате которых исходные вещества практически полностью пре¬вращаются в конечные продукты.
Обратимыми называются химические реакции, которые про¬текают одновременно в двух противоположных направлениях — прямом и обратном.
Среди обратимых реакций, лежащих в основе получения важней¬ших химических продуктов, можно назвать знакомую вам из курса химии основной школы реакцию синтеза аммиака:
кат.
3H2 + N2 <—* 2NH3 + Q.
В обратимых процессах скорость прямой реакции вначале макси¬мальна, а затем уменьшается из-за того, что уменьшаются концентра¬ции исходных веществ, расходуемых на образование продуктов реак¬ции. Наоборот, скорость обратной реакции, минимальная вначале, увеличивается по мере увеличения концентрации продуктов реакции.

Наконец наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными.
Состояние обратимого процесса, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называется химиче¬ским равновесием.
Химическое равновесие является динамичным (подвижным), так как при его наступлении реакция не прекращается, неизменными остаются лишь концентрации компонентов, т. е. за единицу времени образуется такое же количество продуктов реакции, какое превраща¬ется в исходные вещества. При постоянных температуре и давлении равновесие обратимой реакции может сохраняться неопределённо долгое время.
СМЕЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ. На производстве же чаще всего заинтересованы в преимущественном протекании прямой реак¬ции. Например, в получении аммиака, оксида серы (VI), оксида азо¬та (II). Как же вывести систему из состояния равновесия? Как влияет на него изменение внешних условий, при которых протекает тот или иной обратимый химический процесс?
Французский химик А. Л. Ле Шателье (1850—1936) в 1885 г. вы¬вел, а немецкий физик К. Ф. Браун (1850—1918) в 1887 г. обосновал общий закон смещения химического равновесия в зависимости от внеш¬них факторов, который известен под названием принципа Ле Шателье.
Если изменить одно из условий — температуру, давление или концентрацию веществ, — при которых данная система нахо¬дится в состоянии химического равновесия, то равновесие сме¬стится в направлении, которое препятствует этому изменению.
Этот принцип можно было бы назвать принципом «делай наоборот — и добьёшься своего».
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПА ЛЕ ШАТЕЛЬЕ ДЛЯ СМЕЩЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ ПРИ СИНТЕЗЕ АММИАКА. Продемонстрируем смещение рав¬новесия, меняя каждое из условий реакции,
опять же на примере реакции синтеза аммиа-
ка (рис. 71).
кат.
Анри Луи Ле Шателье
3Н2 + N2 2NH3 + Q.

Воздух
Превращение под давлением 200 атм и с помощью железного катализатора
Природный газ + водяной пар
Непрореагировавшая
смесь возвращается
Рис. 71. Схема производства аммиака
Вначале дадим классификационную характеристику синтеза ам¬миака.
1. Прямая реакция является реакцией соединения, так как из двух простых веществ — азота и водорода — образуется одно сложное веще¬ство — аммиак. Разумеется, обратная реакция по этому признаку от¬носится к реакциям разложения.
2. Так как обе реакции — и прямая, и обратная — протекают в при¬сутствии катализатора (им может служить или универсальная, но до¬рогая платина, или дешёвый железный катализатор с добавками окси¬дов калия и алюминия), то обе они являются каталитическими. Следу¬ет отметить, что катализатор не влияет на смещение равновесия, он одинаково изменяет скорость и прямой, и обратной реакции, т. е. толь¬ко ускоряет момент наступления химического равновесия.
3. Прямая реакция протекает с выделением энергии, поэтому отно¬сится к экзотермическим реакциям. Значит, логично утверждать, что обратная реакция является эндотермической и протекает с поглоще¬нием некоторого количества те-
плоты.
II
А теперь рассмотрим, как нуж-
но применить принцип Ле Шате-
лье (принцип противодействия)
для смещения равновесия реак-
ции синтеза аммиака.
1. Изменение равновесных
концентраций, т. е. концентра-
ций веществ после установления
равновесия. Чтобы сместить рав-
новесие в сторону образования ам-
миака (вправо), необходимо уве-
личить концентрацию исходных
веществ — азота и водорода —
и уменьшить концентрацию про-
дукта — аммиака (т. е. вывести
его из сферы реакции). Понятно,
что для смещения равновесия вле-
во нужно поступить наоборот.
Рис. 72. Колонна синтеза аммиака

2. Изменение давления. Синтез аммиака из водорода и азота сопро¬вождается уменьшением объёма: из четырёх молей исходных веществ образуется только два моля аммиака. Очевидно, что в закрытом сосуде или аппарате — он называется колонной синтеза (рис. 72) — продукты этой реакции создают меньшее давление, чем создавали исходные ве¬щества. Значит, прямая реакция синтеза аммиака сопровождается по-нижением давления.
Наоборот, разложение аммиака на водород и азот ведёт к увеличе¬нию числа газообразных молекул, а потому и к увеличению давления. При сжатии реакционной смеси равновесие смещается вправо, в сто¬рону образования аммиака, так как этот процесс приводит к уменьше¬нию давления, т. е. противодействует внешнему воздействию. Умень-шение же давления смещает равновесие влево, в сторону разложения аммиака.
Необходимо отметить, что изменение давления смещает равновесие лишь в том случае, если в реакции принимают участие газообразные вещества и она сопровождается изменением их количества. Если же количество газообразных веществ в процессе реакции не изменяется, то увеличение или уменьшение давления не влияет на равновесие та¬кой обратимой реакции.
3. Изменение температуры. Мы уже выяснили, что процесс обра¬зования аммиака из водорода и азота является экзотермическим, а обратный — разложение аммиака — эндотермическим. При повы¬шении температуры равновесие сместится в направлении реакции
Рис. 73. Схема промышленной установки для синтеза аммиака

разложения аммиака, которая проходит с поглощением энергии и поэ¬тому ослабляется внешним воздействием — повышением температу¬ры. Наоборот, охлаждение реакционной смеси смещает равновесие в сторону синтеза аммиака. Эта реакция идёт с выделением энергии и противодействует охлаждению (рис. 73).
Следовательно, повышение температуры смещает химическое рав¬новесие в сторону эндотермической реакции, а понижение — в сторону экзотермической реакции.
Как можно убедиться на рассмотренных примерах, применение принципа Ле Шателье к обратимым химическим процессам открывает путь к управлению химическими реакциями.
Далее речь пойдёт об окислительно-восстановитель¬ных реакциях, о степени окисления и методе её рас¬чёта, о веществах, которые являются окислителями и восстановителями. Также вы узнаете, как под дей¬ствием электрического тока протекают окислительно-восстановительные реакции электролиза.
Теперь вы знаете
► что такое необратимые и обратимые химические реакции; химическое равновесие
► как сместить химическое равновесие
► как принцип Ле Шателье позволяет сместить равновесие при синтезе ам¬миака
Теперь вы можете
► объяснить, какие реакции называются обратимыми, какие необратимы¬ми и что такое химическое равновесие
► на примере реакции синтеза аммиака продемонстрировать применение принципа Ле Шателье
► перечислить параметры, которые надо изменить, чтобы вывести систему из состояния равновесия, и объяснить, почему на производстве заинте¬ресованы чаще всего в протекании прямой реакции
Выполните задания
Дайте характеристику реакции синтеза оксида азота (II) из азота и кисло¬рода, рассмотрите, как нужно изменить концентрацию веществ, давле¬ние и температуру, чтобы сместить равновесие вправо, учитывая, что эта реакция соединения — редкий случай эндотермической реакции этого типа.

2. Для смещения равновесия в реакции синтеза аммиака вправо необходи¬мо понизить температуру. Объясните, почему на производстве этот про¬цесс проводят при достаточно высокой температуре +500—550 °C.
3. Опишите схему производства аммиака и схему промышленной установки для синтеза аммиака.
4. Используя свои знания по биологии и неорганической химии, охаракте¬ризуйте значение аммиака в народном хозяйстве.
5. Приведите примеры обратимых процессов из курсов физики и биологии основной школы. Объясните принцип Ле Шателье.
Темы для рефератов
1. Научная деятельность А. Л. Ле Шателье. 2. Биологическая роль и физиоло¬гическое действие аммиака. 3. Экологическая безопасность при производ¬стве, транспортировке и применении аммиака.
w . Окислительно-восстановительные
реакции. Электролиз
\
1. Назовите действия электрического тока.
2. Какая физическая величина является характеристикой электрического
тока?
\
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ. СТЕ-
ПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ. Вам уже известна классификация химических ре-
акций по числу и составу реагентов и продуктов, по тепловому эффек-
ту, направлению, участию катализатора. Не менее значима ещё одна
классификация, основанная на изменении или сохранении степеней
окисления атомов химических элементов, образующих реагенты и
продукты реакции. По этому признаку, как вам известно из курса
основной школы, различают реакции, протекающие с изменением сте-
пени окисления элементов, образующих вещества, участвующие в ре-
акции (или окислительно-восстановительные), и реакции, протекаю-
щие без изменения степеней окисления.
Вспомним, что понимается под степенью окисления.
Степенью окисления называется условный заряд атомов в химическом соединении, вычисленный исходя из предположения, что это соединение состоит только из простых ионов.

Для того чтобы рассчитать степень окисления, нужно воспользо¬ваться несложными правилами:
• степень окисления кислорода почти всегда равна -2;
• степень окисления водорода почти всегда равна +1;
• степень окисления металлов всегда положительна и в максималь¬ном значении почти всегда равна номеру группы;
• степень окисления свободных атомов и атомов в простых веще¬ствах всегда равна 0;
• суммарная степень окисления атомов всех элементов в соединении
ВОССТАНОВИТЕЛИ И ОКИСЛИТЕЛИ. К окислительно-вос ста но ви тель¬ным относятся все реакции замещения, а также те реакции соедине¬ния и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое веще¬ство.
Почему эти реакции так называются? Рассмотрим примеры таких реакций.
В качестве первой реакции возьмём красивую и важную практиче¬ски реакцию алюминотермии:
Обозначим степени окисления всех элементов в формулах веществ — реагентов и продуктов этой реакции:
Как видно из уравнения, два элемента — железо и алюминий — из¬менили свои степени окисления. Что с ними произошло? Алюминий из нейтрального атома превратился в условный ион в степени окисле¬ния +3, т. е. отдал три электрона:
Элементы или вещества, отдающие электроны, называются восстановителями; в ходе реакции они окисляются.
Условный ион железа в степени окисления +3 превратился в ней¬тральный атом, т. е. получил при этом три электрона:
Элементы или вещества, принимающие электроны, называют¬ся окислителями; в ходе реакции они восстанавливаются.
равна 0.
Fe2O3 + 2Al — 2Fe + AI2O3.
Fe+3O-2 + 2А10 — 2Fe0 + A1+3O-2.
А10 — 3e —► A1+3.
Fe+3 + 3e —>- Fe0.

Эти процессы можно представить в виде схемы:
восстановление
*
. „ нагревание ,
окись железа + алюминии ► железо + окись алюминия.
окисление ^
Окислительно-восстановительные процессы сопровождают челове¬ка на протяжении всей жизни. Достаточно сказать, что многие биохи¬мические реакции, протекающие в нашем организме, происходят с из¬менением степеней окисления атомов. Сгорание любого вида топлива в двигателе автомобиля, бойлерной, тепловой электростанции — это тоже окислительно-восстановительные процессы, на схеме это выгля¬дит так:
окисление
топливо + кислород —► двуокись углерода + вода (окись водорода).
восстановление
Наиболее сильными восстановителями являются металлы, водород, оксид углерода (II), углерод, сероводород, аммиак и др.
Наиболее сильными окислителями являются фтор, кислород, озон, галогены, азотная и серная кислоты, перманганат калия и др.
ЭЛЕКТРОЛИЗ. Под действием электрического тока восстанавливаются даже щелочные и щёлочноземельные металлы и окисляются анионы галогенов и кислорода из их соединений до простых веществ.
Окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита, называются электролизом.
Знакомство с электролизом мы и начнём с электролиза расплавов электролитов.
Г
У) Напомним. Обратите внимание: наши представления об электроли¬тах по сравнению с курсом основ¬ной школы расширились. К элек¬тролитам относятся не только те вещества, растворы которых про¬водят электрический ток, но и ве-щества, способные к этому в рас¬плавах.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВОВ ЭЛЕКТРО-ЛИТОВ. Если твёрдый электролит расплавить, то он при переходе в жидкое состояние распадается на ионы. При прохождении электри¬ческого тока через расплав эти ионы будут двигаться к противопо¬ложно заряженным электродам и разряжаться на них.

Рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия. В расплаве эта соль диссоциирует на ионы:
NaCl —► Na+ + Cl-.
Под действием электрического поля катио¬ны натрия (положительные ионы) направля¬ются к катоду (отрицательному полюсу источ¬ника тока) и получают недостающие электро¬ны от катода, т. е. восстанавливаются:
Na+ + e —>- Na0.
Под действием электрического поля хло¬рид-анионы (отрицательные ионы) направля¬ются к аноду (положительному полюсу источ¬ника тока) и отдают ему свои лишние электро¬ны, т. е. окисляются:
2Cl- — 2e —► Cl°.
Итоговое уравнение электролиза расплава хлорида натрия выглядит так:
2NaCl электролиЧ 2Na + Cl2.
расплав
Схематично этот процесс представлен на рисунке 74.
Именно так в промышленности получают щелочные и щёлочноземельные металлы, а также галогены. Впервые электролиз для получения активных металлов использовал английский химик и физик Г. Дэви (1778— 1829).
Французский химик Ф. Ф. А. Муассан (1852—1907) электролизом жидкого фторово- дорода впервые получил фтор, который до него безуспешно пытались получить многие химики из разных стран мира. Эти попытки нередко заканчивались трагически. В 1906 г. Муассан был удостоен Нобелевской премии за открытие и получение фтора.
He только из солей, но также и из распла¬вов других соединений, например оксидов, могут быть получены активные металлы. Так, некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы были получены электролизом рас-
+ e
-ft
t t
NaCl = Na+/ + Cl
Диафрагма
Рис. 74. Схема установ-ки для электролиза рас-плава хлорида натрия
Фердинанд Фредерик Анри Муассан

Изолятор
Твёрдая
поверхность
электролита
Жидкий электролит
(оксид алюминия,
растворённый в криолите)
+
Угольный электрод (анод)
Угольная ванна (катод)
Выпускное
отверстие
Расплав
алюминия
Рис. 75. Схема установки для получения алюминия
плава их соединений уже упоминавшимся
нами Г. Дэви. А для производства алюминия
путём электролиза (рис. 75) используют обе-
звоженные бокситы.
Оксид алюминия имеет атомную кристал-
лическую решётку и является чрезвычайно
тугоплавким веществом, поэтому его получе-
ние изначально было очень дорогим. На Па-
рижской выставке в 1855 г. алюминий демон-
стрировался как самый редкий металл. Он
был тогда чуть ли не в 10 раз дороже золота.
В 1883 г. его выработка во всём мире не дости-
гала и 3 т. Между тем химикам уже тогда было известно, что алюми-
ний — третий по распространённости в земной коре элемент и самый
распространённый в ней металл: на его долю приходится более 8%
массы земной коры. В 1886 г. американский
студент-химик Ч. Холл (1863—1914) от-
крыл, что обезвоженные бокситы (или глино-
зём, оксид алюминия; рис. 76) можно раство-
рить при +950 °С в расплавленном криолите,
а затем с помощью электролиза выделить из
него алюминий. Удивительно, но в том же
году французский металлург П. Эру (1863—
1914) разработал тот же метод получения
алюминия. Метод Холла—Эру сделал воз-
можным промышленное получение этого ме-
талла.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ. Второй тип про-
мышленного электролиза — это электролиз
растворов. Отличие его от электролиза рас-
плавов электролитов состоит в том, что в си-
Трубки
Раствор
хлорида
натрия
Углеродный
электрод
Рис. 77. Схема электро-лиза раствора хлорида натрия

Рис. 78. Хромированный мотоцикл — пример техники гальваностегии
Рис. 79. Икона, выполненная в технике
гальванопластики
стеме появляется ещё одно вещество — вода. В большинстве случаев она далеко не безразлична к протеканию электрического тока, т. е. на¬ряду с ионами способна окисляться или восстанавливаться на элек¬тродах. Не вдаваясь в подробности протекающих на электродах окислительно-восстановительных реакций, запишем суммарное урав¬нение электролиза раствора хлорида натрия:
Следовательно, продуктами электролиза раствора хлорида натрия являются водород, хлор и гидроксид натрия (рис. 77).
В промышленности электролиз широко применяется для:
• получения щелочных, щёлочноземельных металлов и алюминия, галогенов, водорода и кислорода;
• нанесения металлических покрытий на поверхность изделий (ни¬келирование, хромирование (рис. 78), цинкование; общее название та¬ких процессов — гальваностегия);
• изготовления рельефных металлических копий (рис. 79) (гальва¬нопластика);
• очистки цветных металлов от примесей (рафинирование).
к
► как рассчитывают степени окисления элементов по формулам их соеди¬нений
У как протекает электролиз расплавов электролитов
► как протекает электролиз растворов
2NaCl + 2H2O
электролиз
*- 2NaOH + Н2Т + Cl2T.
В следующем параграфе будет рассказано о химиче¬ских источниках тока, о принципе действия гальва¬нических элементов, о батарейках и аккумуляторах.

Теперь вы можете
У объяснить, какие реакции называются окислительно-восстановительны¬ми, и рассчитать степень окисления элементов
У написать итоговые уравнения для электролиза расплава хлорида натрия и электролиза раствора хлорида натрия
У перечислить области применения электролиза в промышленности
Выполните задания
1. Дайте характеристику реакции оксида железа (III) с алюминием по всем возможным признакам классификации реакций.
2. Объясните, почему в азотной кислоте натрий проявляет только восстано¬вительные свойства, а азот — только окислительные.
3. Назовите продукты электролиза расплава хлорида калия, расплава окси¬да алюминия, раствора бромида натрия.
4. Охарактеризуйте интегрирующую роль алюминиевого производства в мировом экономическом процессе.
5. Назовите предметы домашнего обихода и оборудования квартиры, при изготовлении которых были использованы гальванопластика и гальвано¬стегия.
6. Приведите примеры рафинирования металлов.
Темы для рефератов
1. Жизнь и научная деятельность Г. Дэви. 2. Вклад в науку нобелевского лау¬реата Ф. Ф. А. Муассана. 3. Алюминиевая промышленность в России. 4. По¬лучение и применение галогенов.

. Химические источники тока
V
1. Назовите имена выдающихся учёных — основоположников учения об электричестве.
2. Перечислите приборы, аппараты, машины, которые работают на бата¬рейках и аккумуляторах.
3. Объясните, что представляет собой вольтов столб и каков принцип его действия.
N
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ИХ УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
Сложно представить себе жизнь современного человека без гальвани¬ческих элементов — химических источников тока. Карманный фона¬рик и наручные часы, переносной радиоприёмник и телевизионный пульт дистанционного управления, аудио- и CD-плеер, лазерная указ¬ка и космический корабль — все эти и многие другие приборы и аппа¬раты превращаются в безжизненный и бессмысленный набор деталей без электрического «сердца». Именно источник тока создаёт из хаоти¬ческого движения электронов стройную гармонию порядка и смысла. Самый современный компьютер, включённый в электрическую сеть через сетевые фильтры, стабилизаторы и источники бесперебойного питания, не обходится без маленькой малозаметной батарейки — галь¬ванического элемента, обеспечивающего сохранность необходимой для «старта» и загрузки системной информации.
Принцип действия гальванического элемента, основа его работы — протекание на электродах окислительно-восстановительной реакции.
Для того чтобы понять причину возникновения на электродах раз¬ности потенциалов, рассмотрим реакцию металлического цинка с рас¬твором сульфата меди (II). Цинк, как более активный металл, вытес¬няет медь из раствора соли:
Zn + CuSO4 — Zn + Си,
Zn0 + Си2+ — Zn2+ + Си0.
Данная реакция является окислительно-восстановительной. Ато¬мы металлического цинка, отдавая по 2 электрона, переходят в рас¬твор в виде катионов Zn2+:
Zn0 — 2e —► Zn2+.
Атомы цинка передают свои электроны катионам меди, в результа¬те чего они восстанавливаются, превращаются в атомы металла:
Си2+ + 2e —>- Си0.

При внесении цинка в раствор сульфата меди (II) электроны пере-
ходят непосредственно от атомов цинка к катионам меди. А что если
пространственно отделить процесс окисления цинка от процесса вос-
становления меди, заставив электроны перебегать от цинка к катио-
нам меди по электрическому проводнику? В этом случае за счёт проте-
кания химической реакции можно получить электрический ток!
Устройство для получения электрического тока за счёт проте-
кания химических реакции называется гальваническим эле-
ментом.
Своё название такие устройства получили
по имени итальянского естествоиспытателя
Л. Гальвани (1737—1798), впервые наблю-
давшего возникновение электрического тока
при контакте двух различных металлов.
Один из первых гальванических элементов
был создан в 1836 г. английским исследовате-
лем Д. Даниэлем и русским учёным Б. С. Яко-
би (1801—1874). Схема элемента Даниэля—
Якоби приведена на рисунке 80.
Элемент Даниэля—Якоби представляет со-
бой сосуд, разделённый полупроницаемой
мембраной на два отделения. В левом отделении находится раствор
соли цинка, в который погружена цинковая пластинка, в правом —
раствор соли меди и медная пластинка. Пластинки соединены между
собой в электрическую цепь. Катионы цинка, покидая пластинку, пе-
реходят в раствор, а их электроны по цепи перемещаются на медную
пластинку, на которой происходит восстановление катионов меди из
раствора. В элементе возникает электрический ток, вольтметр показы-
вает разность потенциалов, близкую к 1 В.
Поистине трудно переоценить значение этого открытия. Невозмож¬но представить себе современную жизнь без гальванических элемен¬тов — химических источников тока: от крохотных батареек до огром¬ных аккумуляторов.
Если заменить в гальваническом элементе медную пластинку на се¬ребряную, разность потенциалов в цепи будет больше. Значит, эта ве¬личина зависит от природы металлов и вполне может служить количе¬ственной характеристикой их активности. Для таких измерений в пару с металлическим электродом в цепь включают так называемый водородный электрод, потенциал которого условно принят за нуль. Та¬ким образом, по величине потенциала на металлическом электроде все металлы располагают в знакомый вам ряд, называемый электрохими¬ческим рядом напряжений.
Li K Са Na Mg Al Mn Zn Fe Ni Sn Pb H2 Cu Hg Ag Au

Рис. 81. Устройство сухого щелочного элемента:
1 — катодный колпачок (положительный полюс);
2 — наружный стальной корпус; 3 — перегородка;
4— стальной кожух, по которому электроны движутся от положительного полюса к катоду; 5 — пластиковая прокладка; 6 — изолирующий слой; 7— изолятор;
8 — смесь щелочного оксида марганца (IV) (катод) и графитового проводника; 9 — стальной стержень, по которому электроны движутся от анода к отрица-тельному полюсу; 10 — смесь электролита (хлорида аммония) и цинкового порошка (анод)
6
5
7
8
При изготовлении современных портативных гальванических эле¬ментов, которые мы привыкли называть батарейками, для увеличе¬ния площади поверхности электродов помещают в виде электропро¬водного порошка (активной массы), а электролит в виде густой пасты для предотвращения его вытекания. На рисунке 81 показано устрой¬ство сухого щелочного элемента.
К сожалению, при замыкании внешней цепи гальванического эле¬мента (например, при включении сотового телефона) на катоде восста¬навливается окислитель, и его концентрация в околокатодном про¬странстве снижается, на аноде окисляется восстановитель, его кон¬центрация также уменьшается. При этом разность потенциалов элемента падает, батарейка разряжается. Нельзя ли восстановить ба¬тарейку, продлить её жизнь, заставить работать снова? Можно, если электродные реакции в ней обратимы. В этом случае достаточно про¬пустить через элемент электрический ток от внешнего источника, восстановить окислившийся на аноде восстановитель, окислить при¬нявший на катоде электроны окислитель. При пропускании «встреч¬ного» (подумайте, почему его так называют) тока через химический источник тока разность его потенциалов растёт, он запасает, аккуму¬лирует энергию, или, как говорят, заряжается. Подобные гальваниче¬ские элементы так и называются — аккумуляторы.
Любому автомобилисту известен один из самых распространённых аккумуляторов — свинцовый (рис. 82).
Катод аккумулятора изготовлен из свинца, а анод — из пористой массы оксида свинца (IV), смешанной с сульфатом свинца (II). Элек¬тролитом служит раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи (разряде аккумулятора) на его электродах идут процессы восстановления свинца РЬ+4 и окисления свинца РЬ0, а кон¬центрация кислоты в электролите снижается.
анод (+) PbO2 + H2SO4 + 2e —► PbSO4 + 2ОН- (восстановление)
катод (-) Pb — 2e + H2SO4 —► PbSO4 + 2H+ (окисление)

Суммарная окислительно-вос ста но ви-
тельная реакция, протекающая при рабо-
те свинцового аккумулятора, следующая:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 —► 2PbSO4 + 2H2O.
Разность электродных потенциалов,
т. е. ЭДС гальванического элемента, со-
ставляет примерно 2 B. Поэтому в автомо-
бильном аккумуляторе для достижения
напряжения 12 B последовательно соеди-
нены шесть одинаковых элементов.
Поскольку при разрядке аккумулято-
ра концентрация серной кислоты понижа-
ется, плотность электролита также снижа-
ется.
При пропускании электрического тока
от внешнего источника (например, гене-
ратора автомобиля) в противоположном
направлении электрод, бывший анодом,
начинает восстанавливать ионы свинца,
а электрод, бывший катодом, окисляет эти
ионы. Происходит зарядка аккумулятора,
при которой на электродах протекают об-
ратные процессы, а концентрация кисло-
ты в электролите растёт.
Таким образом, работа аккумулятора
наглядно демонстрирует превращение
энергии электрического тока во внутрен-
нюю энергию вещества — энергию хими-
ческих связей и обратный процесс — получение электрической энер-
гии в ходе электродных реакций.
В современных электронных приборах широко используются ми¬ниатюрные литиевые и металлгидридные аккумуляторы.
ГАЛЬВАНИЗАЦИЯ И ЭЛЕКТРОФОРЕЗ. Приведённые выше примеры — далеко не полный перечень возможностей использования электрохи¬мических процессов. В медицине широко применяются такие методы лечебного воздействия, как гальванизация и электрофорез.
Гальванизация — действие постоянным током небольшой силы и напряжения, оказывает болеутоляющее действие, улучшает пери¬ферическое кровообращение, способствует восстановлению поражён¬ных тканей, стимулирует регуляторную функцию нервной системы. Гальванизация показана при поражениях периферической нервной системы (радикулиты, невриты, невралгии), головного и спинного
Рис. 82. Устройство свин-цового аккумулятора (ба-тарея из трёх элементов):
1 — отрицательная пластина;
2 — сепаратор; 3 — выступы на дне сосуда для установки пластины; 4— положитель¬ная пластина; 5 — сосуд с перегородками (моноблок);
6 — выводной штырь;
7, 10 — клеммы; 8 — уплот¬нение; 9 — крышка;
11 — пробка; 12 — межэле- ментное соединение;
13 — мoстик

мозга, невротических состояниях, воспалениях суставов (артритах) и т. п.
Лечебный электрофорез (направленное движение коллоидных ча¬стиц или ионов лекарства) — комбинированное лечебное действие на организм постоянного электрического тока и вводимых им через кожу или слизистые оболочки компонентов лекарственных препаратов. При электрофорезе повышается чувствительность рецепторов к лекар¬ству, достигается локализация препарата в нужной области организма и увеличивается продолжительность его терапевтического действия, что позволяет снизить дозу лекарства без снижения лечебного дей¬ствия. Электрофорез применяют при лечении центральной и перифе¬рической нервной системы, гинекологических заболеваний и болез-ней опорно-двигательного аппарата. Более подробно об использовании электрохимических процессов в медицине вы узнаете из следующей главы учебника. Кроме медицины, электрофорез используют для вы¬деления каучука из латекса, очистки воды, анализа и разделения бел¬ков, аминокислот, витаминов, бактериальных клеток и вирусов.
На этом мы заканчиваем главу I, посвящённую ато¬мам, веществам, реакциям. Вам остаётся только под¬крепить изученный материал практическими рабо¬тами. Следующая глава будет посвящена изучению человека, строению его тела, отдельных органов и си¬стем органов, его здоровью.
Теперь вы знаете
У как устроены гальванические элементы, их принцип действия У что такое гальванизация и электрофорез
Теперь вы можете
описать принцип действия гальванического элемента и его устройство продемонстрировать на примере работы аккумулятора, как энергия электрического тока превращается во внутреннюю энергию вещества охарактеризовать такие методы лечения, как гальванизация и электро¬форез
Выполните задания
1. На примере реакции цинка с раствором сульфата меди объясните, как на электродах возникает разность потенциалов.
2. Сформулируйте, как эффективность работы гальванического элемента зависит от положения его металлов в электрохимическом ряду напряже¬ний.

3. Расскажите об устройстве сухого щелочного гальванического элемента.
4. Рассмотрите устройство и работу свинцового аккумулятора, ответьте, применим ли принцип Ле Шателье к его работе.
5. Проведите сравнительный анализ процессов гальванизации и электро-
1. Аккумуляторы в современных приборах (мобильных телефонах, ноутбуках и т. п.). 2. Батарейки — их настоящее и будущее. 3. Научная деятельность Л. Гальвани — отца электрофизиологии. 4. Русский физик Б. С. Якоби, его от¬крытия и изобретения.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ 1 Изучение фотографий треков заряженных частиц
Цель работы: анализировать и объяснять характер движения заря¬женных частиц.
Источники информации: фотографии треков заряженных частиц.
Ход работы
Рассмотрите фотографию трека электрона и ответьте на следующие вопросы.
1) В каком поле — электрическом или магнитном — движется элек¬трон?
2) Почему трек электрона имеет форму спирали, а не прямой линии или окружности?
3) Почему радиус траектории движения электрона уменьшается?
4) Как можно по треку частицы определить знак её заряда?
5) Как можно по треку частицы определить её массу?
Сделайте вывод о причинах и характере движения электронов.
2 Получение, собирание и распознавание газов
Цель работы: получить, собрать и распознать водород, кислород, угле¬кислый газ, аммиак и этилен.
Оборудование и реактивы: пробирки, спиртовки, спички, лучинки, шпатели, стеклянные трубочки, лакмусовые бумажки, держатели,
фореза.

приборы для получения газов, штативы. Гранулы цинка, оксид мар¬ганца (IV), кусочки мрамора, вода, гранулы или кусочки полиэтилена, растворы: соляной кислоты, пероксида водорода, уксусной кислоты, из вест ко вой воды, хлори да ам мо ния, щёло чи, пер ман га на та ка лия (подкисленный).
Ход работы
1. Получение, собирание и распознавание водорода
В пробирку поместите две гранулы цинка и прилейте в неё 1—2 мл соляной кислоты. Что наблюдаете? Запишите уравнение реакции.
Накройте пробирку пробиркой большего диаметра, расположив её немного ниже краёв меньшей пробирки. Через 1—2 мин поднимите большую пробирку вверх и, не переворачивая её, поднесите к пламени спиртовки. Что наблюдаете? Что можно сказать о чистоте собранного ва ми водорода? По че му водород соби ра ли в пе ре вёр ну тую пробир ку?
2. Получение, собирание и распознавание кислорода
В пробирку объёмом 20 мл прилейте 5—7 мл раствора пероксида во¬дорода. Подготовьте тлеющую лучинку (подожгите её и, когда она за¬горится, взмахами руки погасите). Поднесите к пробирке с перокси¬дом водорода, ку да пред варитель но на сыпьте не мно го (на кон чи ке шпателя) оксида марганца (IV). Что наблюдаете? Запишите уравнение реакции.
3. Получение, собирание и распознавание углекислого газа
В пробирку объёмом 20 мл поместите кусочек мрамора и прилейте раствор уксусной кислоты. Что наблюдаете? Через 1—2 мин внесите в верхнюю часть пробирки горящую лучинку. Что наблюдаете? Запи¬шите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.
В пробирку налейте 1—2 мл прозрачного раствора известковой во¬ды. Используя чистую стеклянную трубочку, осторожно продувайте че рез рас твор вы ды хае мый ва ми воздух. Что на блюдае те? За пи ши те уравне ние ре ак ции в моле ку ляр ной и ион ной фор мах.
4. Получение, собирание и распознавание аммиака
В пробирку прилейте 1—2 мл раствора хлорида аммония, а затем такой же объём раствора щёлочи. Закрепите пробирку в держателе и осторожно нагрейте на пламени горелки. Что наблюдаете? Запишите урав не ние ре ак ции в моле ку ляр ной и ион ной фор мах.
Поднесите к отверстию пробирки влажную красную лакмусовую бумажку. Что наблюдаете? Осторожно понюхайте выделяющийся газ. Что ощущаете?

5. Получение, собирание и распо-
знавание этилена
Соберите прибор для получения га-
зов. Проверьте его на герметичность.
В пробир ку по мес ти те не сколь ко
гра нул или кусоч ков полиэти ле на.
Закройте пробкой с газоотводной труб-
кой и закрепите прибор в лапке штати-
ва, как показано на рисунке 83. На-
грейте содержимое пробирки. Что на-
блюдае те? Про пус ти те получен ный газ
через подкисленный раствор перман-
ганата калия. Что наблюдаете? За-
пиши те урав не ния проде лан ных ре —
ак ций.
з Изучение химических реакций
Цель работы: закрепить на практике сведения о классификации хи¬мических реакций и факторах, от которых зависит скорость их проте¬кания.
Оборудование и реактивы: пробирки, спиртовки, пробиркодержате- ли, химические стаканы, мерная посуда. Растворы сульфата меди (II), соляной, серной и уксусной кислот, оксид меди (II), канцелярская кнопка или скрепка, гранулы цинка и кусочки железа приблизитель¬но оди на ко во го раз ме ра, мра мор (в порош ке и крош ке).
Ход работы
1. Налейте в пробирку 2 мл раствора сульфата меди (II) и опустите в не го канцеляр скую кноп ку или скреп ку. Что на блюдае те? За пи ши те урав не ния ре ак ции в моле ку ляр ной и ион ной фор мах. Рас смот ри те окислительно-восстановительные процессы. На основе молекулярного уравнения отнесите эту реакцию к той или иной группе реакций на ос¬новании следующих признаков:
— по числу и составу реагирующих и образующихся веществ (как вы наверняка знаете, по этому признаку различают реакции соедине¬ния, разложения, замещения и обмена, в том числе и реакции нейтра¬лизации);
— по направлению (напомним, что по этому признаку реакции делятся на обратимые и необратимые);
— по тепловому эффекту (различают реакции эндо- и экзотермиче¬ские, в том числе и реакции горения);
(—сн2—СН2—)
Рис. 83. Прибор для получения этилена деполимеризацией полиэтилена

— по изменению степеней окисления элементов, образующих веще¬ства, участвующие в реакции (окислительно-восстановительные и без изменения степеней окисления);
— по аг ре гат но му состо янию ре аги рую щих ве ществ (го мог ен ные и гетерогенные);
— по участию катализатора (некаталитические и каталитические, в том числе и ферментативные).
2. Налейте в две пробирки по 1—2 мл соляной кислоты и опустите в первую — гранулу цинка, во вторую — кусочек железа такого же размера. Природа какого реагента оказывает влияние на скорость взаимодействия кислоты с металлом? Почему? Запишите уравнения ре ак ций в моле ку ляр ной и ион ной фор мах. Рассмот ри те их с по зи ции окис ле ния-вос ста новле ния.
3. Опус ти те в две про бир ки по оди на ко вой гра ну ле цин ка и при лей¬те к ним растворы кислот одинаковой концентрации: в первую — со¬ляной кислоты, во вторую — уксусной. Природа какого реагента ока¬зывает влияние на скорость взаимодействия кислоты с металлом? По¬чему? Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Рас смот ри те их с по зи ции окис ле ния-вос ста новле ния.
4. Прилейте в первую пробирку 3 мл соляной кислоты, во вторую — 2 мл, в третью —3 мл. Затем добавьте во вторую пробирку 1 мл воды, а в третью — 2 мл. Следовательно, в пробирках будут одинаковые объ¬ёмы раствора кислоты, которые, однако, будут отличаться концентра¬цией. В какой из пробирок концентрация выше, а в какой — ниже? Опустите в каждую пробирку по грануле цинка. В какой из пробирок скорость выделения водорода выше? Почему?
5. Прилейте в две пробирки по 1 мл соляной кислоты и опустите: в первую пробирку — гранулу цинка (или кусочек мрамора), во вто¬рую — порошок цинка (или мраморную крошку). В какой из пробирок скорость выделения газа выше? Почему?
6. В две пробирки насыпьте с помощью шпателя немного чёрного порошка оксида меди (II) и прилейте в каждую по 3—4 мл раствора серной кислоты. Одну пробирку опустите в стакан с горячей водой, другую нагрейте с помощью пробиркодержателя на пламени спиртов¬ки. Что наблюдаете?
Объясните результат наблюдений. Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.
4 Сборка гальванического элемента и испытание его действия
Цель работы: изготовить простейшую модель гальванического эле¬мента и исследовать зависимость напряжения на его выводах от мате¬риала электродов и силы тока в цепи.

Оборудование: два медных, цинковый и графитовый электроды, мил-
лиамперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода, стакан
с раствором поваренной соли (3 г NaCl на 100 мл H2O).
Ход работы
Одним из наиболее простых гальванических элементов является
элемент Вольта. Он состоит из медной и цинковой пластин, называе-
мых электродами элемента, погружённых в слабый раствор серной
кислоты. Медь при этом заряжается положительно, а цинк — отрица-
тельно. Положительный электрод принято называть анодом, а отрица-
тельный — катодом.
1. Соберите гальванический элемент, используя стакан с раствором
поваренной соли в воде, цинковый и медный электроды. Затем к цепи
присоедините ключ и вольтметр. Ключ до начала наблюдений размы-
кают. Обратите внимание на полярность подключения вольтметра.
Его гнездо, помеченное знаком « + », должно соединяться через ключ
с медным электродом.
Принципиальная схема собранной вами ус-
тановки показана на рисунке 84.
После того как цепь собрана, замкните
ключ, определите и запишите показание
вольт мет ра.
2. Исследуйте зависимость напряжения на
Рис. 84 электродах от материала, из которого они из-
го товле ны.
Для этого повторите опыт (см. п. 1), заменив один медный электрод графитовым. Для его изготовления используется кусочек карандаш¬ного грифеля и провод с оголёнными концами. Один конец прикручи¬вают к грифелю, а второй используется для подключения в цепь.
Опыт повторяют ещё насколько раз, используя электроды в различ¬ных сочетаниях. Для наглядности результаты измерений заносят в табли цу.
№ опыта Электроды Напряжение на электродах, В
1 Графит — медь
2 Графит — цинк
3 Медь — цинк
4 Медь — медь
Сделайте вывод, в каком случае наблюдается наибольшее значение напряжения.

§20. Систематическое положение человека в мире животных
1. Объясните, что изучает наука палеонтология, приведите примеры вы¬мерших организмов на Земле.
2. Дайте определение биосферы как оболочки Земли.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЧЕЛОВЕКА. ПРИЗНАКИ СХОДСТВА И РАЗЛИЧИЯ ЧЕЛОВЕКА И ОБЕЗЬЯНЫ. Создатель первой научной клас¬сификации растений и животных К. Линней (1707—1778) с изумле¬нием констатировал: «До чего же похож на человека зверь гнусный — обезьяна!» — и вынужден был отнести человека и обезьян в одну си¬стематическую группу.
Давайте повторим основные систематические (таксонометрические) группы, принятые в биологии, и вспомним важнейшие признаки, ха¬рактеризующие каждую такую группу применительно к человеку.
Человек принадлежит к типу Хордовые, так как у его эмбриона (рис. 85) в процессе развития появляются хорда, жаберные щели, нервная и пищеварительная трубки.
К подтипу Черепные человека позволяет отнести формирование позвоночного столба и скелета головы — черепа (рис. 86), положение сердца на брюшной стороне тела, наличие двух пар конечностей.
К классу Млекопитающие человек относится в силу наличия у него теплокровности, пары молочных желёз, волосяного покрова,
Рис. 85. Стадии разви-тия эмбриона человека
Рис. 86. Скелет человека

дифференциации зубов, диафрагмы (мышечной грудобрюшной пере¬городки) и т. д.
Принадлежность человека к подклассу Плацентарные, очевид¬но, определяют развитие плода внутри матери и его питание через пла¬центу.
Человек является представителем отряда Приматы, к которому принадлежат полуобезьяны (лемуры, долгопяты) и обезьяны. Подобно им, человек имеет пятипалые конечности хватательного типа с ногтя¬ми, крупный головной мозг с развитыми большими полушариями, цветное бинокулярное зрение.
Принадлежность человека к семейству Гоминид определяют дан¬ные сравнительной анатомии, молекулярной биологии, физиологии, патологии и др. Наиболее близок человек к африканским человеко¬образным обезьянам (горилле и особенно шимпанзе). И человек, и эти обезьяны (рис. 87) имеют крупный головной мозг с развитыми бороз¬дами и извилинами, похожее строение внутренних органов (почек, лёгких и т. д.), аппендикс, четыре группы крови и сходные иммунные свойства, идентичный обмен веществ и энергии (только человек и близкие к нему обезьяны выделяют мочевую кислоту), близкие сроки беременности, наличие одинаковых паразитов (например, вшей) и бо¬лезней (сифилиса, проказы). Методы иммунологии позволили вы¬явить сходство белков крови человека и высших человекообразных обезьян: последовательность аминокислот в гемоглобине крови чело¬века и шимпанзе совпадает полностью, а вот с гемоглобином крови го¬риллы имеют два различия, что свидетельствует о более далёком род¬стве человека и гориллы.
Похожи и молекулярно-генетические характеристики человека (46 хромосом) и близких к нему обезьян (48 хромосом). Доказано, что у человека одна хромосома из второй пары образовалась в результате слияния двух хромосом шимпанзе. Если взять половинку двойной спирали ДНК человека и соединить её со второй половинкой ДНК обе¬зьяны, то между двумя такими цепями комплементарно образуются водородные связи. Они не будут возникать там, где нуклеотидные по¬следовательности в молекуле ДНК различаются. Было установлено,
Рис. 87. Человекообразные обезьяны

что наибольшим генетическим родством с человеком обладает карли¬ковый шимпанзе бонобо (99%), а наименьшим — гиббон (48%).
Линия человека отделилась от общей с обезьянами не ранее 10 и не позднее 6 млн лет назад. Первые достоверные представители рода Ноmо, Человек, появились около 2 млн лет назад, а современный че¬ловек — не позднее 40 тыс. лет назад. Все современные люди принад¬лежат к одному виду.
Родовое и видовое название человека — Ноmо sapiens, или Чело¬век разумный, — показывает, что, несмотря на целый ряд сходств с обезьянами, у человека имеются и значительные отличия, связанные прежде всего с прямохождением, развитием головного мозга и соци¬альным образом жизни.
ПРЯМОХОЖДЕНИЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СКЕЛЕТ ЧЕЛОВЕКА. В морфоло¬гическом плане эти отличия относятся, в первую очередь, к скелету. Сколько же костей насчитывает скелет человека? Герой романа Л. Фейхтвангера «Иудейская война» по имени Иосиф подчёркивал: «Наши женщины воспитываются не для молитв… Они обязаны со¬блюдать запреты, но не повеления. У нас есть триста шестьдесят пять повелений, по числу дней в году, и двести сорок восемь запретов, по числу костей в человеке».
В современной анатомии указывают неопределённое число костей — более 200 или в среднем 208. Количество костей у разных людей дей¬ствительно варьируется. Связано это с индивидуальной изменчиво¬стью, а также с наличием или отсутствием маленьких, напоминающих семена кунжута сесамовидных косточек, расположенных в толще су-хожилий и обычно лежащих на поверхности других костей. Одну та¬кую косточку, но большую и постоянную знает каждый — это надко¬ленник, или коленная чашечка. Различается и число позвонков — 33 или 34. Такой элемент неопределённости возник из-за колеблющегося количества позвонков, в первую очередь, в копчике — 4 или 5.
В отличие от обезьян, у человека наблюдается S-образный позвоноч¬ник с отчётливыми шейным и позвоночным изгибами. Это связано с прямохождением.
На каждый элемент позвоночного столба падает определённая на¬грузка. Наибольшая величина её приходится на поясничный отдел, поэтому там и позвонки наиболее массивные, и амортизационный из¬гиб чётко выражен. А помогают смягчать толчки при прямохождении
Искривился позвоночник, как оглоблей ударенный, Но учёному ли думать о пустяковым изъяне?
Он знает отлично написанное у Дарвина,
Что мы — лишь потомки обезьяньи.
\
\
В. В. Маяковский

специальные хрящевые диски между позвонками, которые не только
частично поглощают неизбежно возникающие нагрузки, но и соединя-
ют и удерживают позвонки между собой, позволяя выполнять разно-
образные движения.
У человека вертикальное положение, позволяющее длительное вре-
мя стоять (опора), ходить и бегать, обусловило иную, по сравнению с
обезьянами, анатомию как верхних, освободившихся от функции пе-
редвижения, так и нижних конечностей. Центр тяжести тела человека
лежит в области таза на линии, проходящей вдоль бедра, колена и го-
лени. У шимпанзе он вынесен спереди от живота, что облегчает обе-
зьяне хождение с опорой на четыре конечности и позволяет лазать по
деревьям.
Значительная доля массы конечностей приходится на мышцы —
около 50% всей мускулатуры человека составляют мышцы ног, кото-
рые удерживают тело. Например, наибольшее развитие получили
такие мышцы, как икроножные, четырёхгла-
вые и разгибатели бедра. Очень развиты яго-
дичные мышцы.
Верхние конечности утратили функцию
опоры при передвижении и превратились в
руки, которые являются как «продуктом»,
так и «орудием» труда.
Большой палец кисти полностью противо-
поставлен остальным, что способствует под-
вижности руки и позволяет ей выполнять раз-
нообразные точные движения: писать, рисо-
вать, шить, играть на музыкальных инстру-
ментах и др. Сохранились описания кистей
рук музыкантов (например, скрипача Н. Па-
ганини) и хирургов (И. Пирогова). М. Горь-
кий очень точно описал руки такого тружени-
ка, каким был Л. Толстой: «У него удивитель-
ные руки — некрасивые, узловатые от расши-
ренных вен и всё-таки исполненные особой
выразительности и творческой силы. Вероят-
но, такие руки были у Леонардо да Винчи».
Настоящий гимн рукам представляют собой
скульптуры О. Родена «Рука Бога» и «Собор»
(рис. 88).
На подушечках пальцев людей сильно раз-
виты папиллярные узоры (рис. 89), индивиду-
альные у каждого человека. Именно отпечат-
ки пальцев и позволяют детективам опреде-
лить преступника.
Рис. 88. Огюст Роден. Скульптуры: а — «Рука Бога»; б — «Собор»

Стопа человека стала как органом опоры, так и амортизатором от толчков и сотрясений, которые испытывают не только ноги, но и остальные части скелета и находящиеся под их защитой внутренние органы.
Прямохождение привело и к изменению формы грудной клетки. Она стала более округлой и уплощённой в переднезаднем направле¬нии. Этот же фактор определил и форму таза, который характеризует¬ся низкой расширенной формой.
РАЗВИТИЕ ЧЕРЕПА И ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА. Прямохождение
и возникновение речи наложило отпечаток и на череп.
В черепе человека произошло смещение точки опоры головы впе-
рёд, а возникновение речи и изменение процесса питания (зубы пере-
стали быть средством защиты или нападения, и отпала необходимость
в грубой переработке пищи) привело к уменьшению размеров челю-
стей и в целом лицевой части черепа. Мозговая же часть черепа, наобо-
рот, увеличилась, так как увеличилась масса головного мозга. В про-
цессе развития происходило как бы выдвижение мозговой части чере-
па над лицевой. У новорождённых детей мозговая часть значительно
превышает по величине лицевую — в отношении 8 : 1. По мере взрос-
ления происходит увеличение лицевой части черепа и соотношение
в итоге становится 2 : 1.
Мышцы черепа человека также отличаются от мышц обезьян. В от-
личие от жевательных, у человека очень развиты мимические мыш-
цы, что связано с развитием его эмоциональной сферы.
Увеличение головного мозга явилось следствием мощного развития
больших полушарий и дифференциации его областей, ответственных
за мышление и речь (в первую очередь лобных, теменных и височных
долей). Эти доли ответственны за высшую нервную деятельность. У че-
ловека она характеризуется наличием не только первой сигнальной
системы, ответственной за воспри-
ятие раздражений анализаторами,
но и второй сигнальной системы,
в основе которой лежит способность
человека воспринимать (читать или
…A в минуту печали земля Подарила мне шар головы,
Так похожий на землю и солнце.
Э. Межелайтис

слышать) устную или письменную речь. Таким образом, вторая сиг¬нальная система становится внегенетическим способом передачи ин¬формации в поколениях людей через обучение и воспитание.
Недаром человеческие детёныши, воспитанные животными (напри¬мер, как Маугли — волками) или лишённые общения с людьми в про¬цессе развития, не могут говорить, понимать речь, ведут себя подобно животным. Поэтому рассказанная Р. Киплингом история о Маугли — это, конечно, сказка.
Всё вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что человек — это не только биологическое, но и социальное существо.
В следующем параграфе поговорим о генетике чело¬века, о методах её изучения и о генетических заболе¬ваниях, которые составляют приблизительно деся¬тую часть от всех заболеваний человека.
Теперь вы знаете
► систематическую характеристику человека; признаки сходства и разли¬чия человека и обезьяны
► какое влияние прямохождение оказало на скелет человека
► как происходит развитие черепа и головного мозга человека
Теперь вы можете
► перечислить признаки, которые позволяют отнести человека и обезьян в одну систематическую группу
► дать сравнительную характеристику скелета человека и обезьяны
► назвать доли головного мозга человека, ответственные за речь и мышле¬ние
► объяснить, как в процессе эволюции изменялась форма черепа и разви¬вался мозг человека
Выполните задания
1. Назовите создателя первой научной классификации растений и живот¬ных, основные систематические единицы этой классификации, приведите примеры.
2. Объясните, почему Человека разумного относят к типу Хордовые, подтипу Черепные, классу Млекопитающие, подклассу Плацентарные и отряду Приматы, перечислите другие классы, которые выделяют в подтипе Череп¬ные.
3. Определите, чем отличаются первая и вторая сигнальные системы чело¬века.

4. Опишите, как переход к прямохождению отразился на особенностях строения скелета человека — его черепа, позвоночного столба, грудной клетки, верхних и нижних конечностей, мышц головы и конечностей.
5. Охарактеризуйте человека как биосоциальное существо.
6. В прежние времена преподаватели анатомии, обожающие публичные эффекты, бросали на пол череп молодого человека и череп старика, пер¬вый подпрыгивал как мячик, а второй раскалывался на куски. Объясните почему.
Темы для рефератов
1. Человекообразные обезьяны. 2. Антропология — наука о человеческой природе. 3. Дактилоскопия и хиромантия.

Естествознание 11 класс, часть 3

Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова
Какой основополагающий закон является теоретической основой неорганической химии?
КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. Классификация ор-
ганических веществ ещё более сложна. Это обусловлено целым рядом
причин: чрезвычайной многочисленностью органических соединений,
сложностью и разнообразием их строения, да и самой историей изучения соединений углерода.
Действительно, до середины XIX в. органическая химия, по образному выражению немецкого химика Ф. Вёлера (1800—1882), представлялась «дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть». Вёлер
установил существование явления изомерии,
впервые осуществил синтез органического ве-
щества (мочевины) из неорганического.
Только с появлением в 1861 г. теории хи-
мического строения органических соедине-
ний «дремучий лес» органической химии стал
преобразовываться из «безграничной чащи» в
«залитый солнечным светом регулярный
парк со строгой сеткой аллей и дорожек». Ав-
торами этой теории были выдающиеся хими-
ки: русский — А. М. Бутлеров; немец-
кий — Ф. Кекуле, английский — А. Купер.
Фридрих Вёлер

Сущность созданной ими теории химиче-
ского строения можно сформулировать в виде
трёх положений.
1. Атомы в молекулах соединены в
определённом порядке в соответствии
с их валентностью, причём углерод в
органических соединениях четырёхва-
лентен.
2. Свойства веществ определяются
не только качественным и количествен-
ным элементным составом, но и поряд-
ком связи атомов в молекулах, т. е. хи-
мическим строением.
3. Атомы в молекулах оказывают
друг на друга взаимное влияние, что от-
ражается на свойствах веществ.
Сегодня кажется невероятным, что до сере-
дины XIX в., в период великих открытий в
естествознании, учёные плохо представляли
себе внутреннее устройство вещества. Именно
Бутлеров ввёл термин «химическое строе-
ние», подразумевая под ним систему химиче-
ских связей между атомами в молекуле, их
взаимное расположение в пространстве. Бла-
годаря такому пониманию строения молекулы оказалось возможным
объяснить явление изомерии, предсказать существование неизвест-
ных изомеров, соотнести свойства веществ с их химическим строени-
ем.
В качестве иллюстрации явления изомерии приведём основные ха¬рактеристики и формулы двух веществ — этилового спирта и димети- лового эфира (табл. 5), имеющих одинаковый элементный состав C2H6O, но различное химическое строение (рис. 43).
ТАБЛИЦА 5
СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ЭТИЛОВОГО СПИРТА И ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА
Признаки сравнения Этиловый спирт Диметиловый эфир
Структурная формула CH3—CH2—OH CH3—O—CH3
Температура кипения (°С) 78,4 -23,7
Агрегатное состояние Жидкость Газ
Растворимость в воде Растворим Малорастворим
Взаимодействие с натрием Реагирует Не реагирует
Реакция дегидратации Характерна Не характерна
Александр Михайлович Бутлеров
Рис. 43. Объёмные модели молекул: а — этилового спирта; б — диметилового эфира

Явление изомерии, очень широко распространённое в органической химии, является одной из причин многообразия органических ве¬ществ.
Другая причина многообразия органических веществ заключается в уникальной способности атома углерода образовывать друг с другом химические связи, в результате чего получаются углеродные цепи раз¬личной длины и строения: неразветвлённые, разветвлённые, замкну¬тые. Например, четыре атома углерода могут образовать такие цепи:
-C—C—C—C —
-C—C—C —
I I I
—C—
-C—C—C —
-V- 1
Если учесть, что между двумя атомами углерода могут существо¬вать не только простые (одинарные) связи C—C, но и двойные C=C, и тройные C=C, то число вариантов углеродных цепей и, следователь¬но, различных органических веществ значительно увеличивается.
На теории химического строения А. М. Бутлерова основана и клас¬сификация органических веществ.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. В зависимости от того,
атомы каких химических элементов входят в состав молекулы, все
органические вещества можно
условно разделить на несколько
больших групп: углеводороды,
кислородсодержащие, азотсодер-
жащие соединения.
По строению углеродной цепи,
наличию или отсутствию в ней кратных связей все углеводороды де-
лятся на несколько классов. Эти классы представлены на схеме.
» Напомним, что углеводородами называются органические соеди-нения, состоящие только из ато¬мов углерода и водорода.
Если углеводород не содержит кратных связей и цепь углеродных атомов не замкнута, он относится, как вы знаете, к классу предельных

углеводородов, или алканов. Суффикс «-ан»
указывает на принадлежность углероводоро-
да к этому классу. Напомним формулы и на-
звания первых представителей класса алка-
нов, содержащих в молекуле от 1 до 6 атомов
углерода:
CH4 — метан; C4H10 — бутан;
C2H6 — этан; C5H12 — пентан;
C3H8 — пропан; C6H14 — гексан.
Наличие в молекуле углеводорода одной
двойной связи позволяет отнести его к классу
алкенов, причём его отношение к этой группе веществ подчёркивается суффиксом «-ен» в названии. Простейшим алкеном является этилен, имеющий формулу CH2=CH2.
Двойных связей C=C в молекуле может быть две, в этом случае ве¬щество относится к классу алкадиенов (попытайтесь сами пояснить значение суффиксов). Например, бутадиен-1,3 имеет структурную формулу: CH2=CH—CH=CH2. ”
Углеводороды с тройной углерод-углеродной связью в молекуле на¬зывают алкинами, на принадлежность к этому классу веществ указы¬вает суффикс «-ин». Родоначальником класса алкинов выступает аце¬тилен, молекулярная формула которого C2H2, а структурная HC=CH.
Из соединений с замкнутой цепочкой углеродных атомов важней¬шими являются арены — особый класс углеводородов, название пер¬вого представителя которых вы наверняка слышали, это бензол C6H6 (рис. 44), структурная формула которого выглядит следующим обра¬зом:
H
H
C*
I
C,
H
I
,C„
„ C’
I
H
/H CH
X CH^ «» CH
II , или I II ,
X CHX /CH
SH CH
или
или
Как вы уже поняли, помимо углерода и водорода в состав органиче¬ских веществ могут входить атомы других элементов, в первую оче¬редь кислорода и азота. Чаще всего атомы этих элементов в различных сочетаниях образуют группы, которые называют функциональными.
Функциональной называют группу атомов, определяющую наиболее характерные химические свойства вещества и его при¬надлежность к определённому классу соединений.

Основные классы органических соединений, содержащих функцио¬нальные группы, представлены на схеме.
Спирты
Альдегиды
Карбоновые
кислоты
Амины и аминокислоты
Функциональная группа — OH называется гидроксильной и опреде-
ляет принадлежность к одному из важнейших классов органических
веществ — спиртам. Названия спиртов образуются с помощью суф-
фикса «-ол». Например, наиболее известный представитель спиртов —
это этиловый спирт, или этанол C2H5OH.
Атом кислорода может быть связан с атомом углерода двойной хи-
мической связью. Группа C=O называется карбонильной. Карбо-
нильная группа входит в состав нескольких функциональных групп,
в том числе альдегидной и карбоксильной. Органические вещества, со-
держащие эти функциональные группы, называются соответственно
альдегидами и карбоновыми кислотами. Например, наиболее извест-
ный представитель альдегидов — это формальдегид HCOH (рис. 45, а)
и уксусный альдегид CH3COH. С уксусной кислотой CHgCOOH
(рис. 45, б), раствор которой называется столовым уксусом, наверняка
знаком каждый.
Отличительным структурным признаком азотсодержащих органи-
ческих соединений, в первую очередь аминов и аминокислот, являет-
ся присутствие в их молекулах аминогруппы — NH2.
Приведённая классификация органических веществ также весьма
относительна. Подобно тому, как в одной молекуле (например, ал-
кадиенов) может содержаться две кратные связи, вещество может
принадлежать к двум (и даже более) функцио-
нальным группам. Так, структурными едини-
цами главных носителей жизни на Земле —
белковых молекул — являются аминокисло-
ты. В молекулах этих веществ присутствуют
две функциональные группы — карбоксиль-
ная и аминогруппа. Простейшая аминокис-
лота называется глицином и имеет формулу
H2N—CH2—COOH.
ft*
a 6
Рис. 45. Модель молеку-лы: а — формальдегида; б — уксусной кислоты

Рис. 46. Структура белковой молекулы, состоящей из нескольких полипеп- тидных цепочек: а — первичная; б — вторичная; в — третичная; г — чет-вертичная
Подобно амфотерным гидроксидам, аминокислоты сочетают в себе свойства кислот (за счёт карбоксильной группы) и оснований (благо¬даря наличию в молекуле аминогруппы). Для развития живых орга¬низмов амфотерные свойства аминокислот имеют особое значение — за счёт взаимодействия аминогрупп и карбоксильных групп амино¬кислоты соединяются в полимерные цепочки белков различной структуры (рис. 46).
Е»
Далее мы подробно остановимся на полимерах, пого-
ворим об их видах и свойствах, а также о разных по-
лимерных материалах.

Теперь вы знаете
У основные положения теории химического строения органических соеди¬нений А. М. Бутлерова, Ф. Кекуле, А. Купера
У классификацию органических веществ
Теперь вы можете
У доказать, что классификация органических веществ относительна
У сформулировать три основных положения теории химического строения А. М. Бутлерова
У назвать классы, на которые делятся все углеводороды
Выполните задания
1. Дайте определение понятия «изомер», приведите примеры изомеров.
2. Назовите основные классы органических соединений, содержащих функциональные группы.
3. Отнесите вещества, формулы которых C6H6, C2H6, C2H4, HCOOH, CH3OH,
O
/
CH3—C , C6H12O6, к соответствующим классам органических соедине- H
ний и дайте их названия. Можете использовать Интернет.
O
/
4. Структурная формула глюкозы CH2OH—(CHOH)4—C . К какому классу
H
вы отнесёте это соединение? Почему его называют веществом с двой¬ственной функцией?
Темы для рефератов
1. А. М. Бутлеров — выдающийся русский химик. 2. Изомерия и многообра¬зие органических веществ. 3. Аминокислоты — «кирпичики» жизни. 4. Обла¬сти применения альдегидов в промышленности и народном хозяйстве.

. Полимеры
1. Перечислите предметы из различных полимерных материалов, окружа¬ющие вас в квартире, в школе, на транспорте.
2. Расскажите, что вам известно об истории шёлка и Великом шёлковом пути.
3. Докажите, что XXI век — это век полимеров.
N
СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ. В сознании любого чело¬века понятие «полимеры» ассоциируется с чем-то необыкновенно большим, крупным. В действительности, это так и есть.
Полимерами называют вещества, молекулы которых состо¬ят из множества повторяющихся структурных звеньев, соеди¬нённых между собой химическими связями.
Эти повторяющиеся структурные фрагменты в макромолекуле по¬лимера называют элементарным звеном и в химической формуле за¬писывают в круглых скобках. Число элементарных звеньев называют степенью полимеризации. Поскольку степень полимеризации для каждой конкретной молекулы полимера может варьироваться в зна-чительных пределах, её обозначают не числом, а подстрочным индек¬сом n в формуле вещества. Например, химическую формулу одного из самых распространённых полимеров — полиэтилена записывают так: (—CH2—CH2—)n, где (—CH2—CH2—) — элементарное звено, n — сте¬пень полимеризации.
Вещество, из которого образуется полимер, называется мономером. По природе мономера различают неорганические и органические поли¬меры.
Превращение мономера в полимер может осуществляться в ходе ре¬акции полимеризации (в этом случае помимо полимера в результате реакции не образуется никаких других веществ) или реакции поли¬конденсации (в таких реакциях кроме полимера образуются также низкомолекулярные побочные продукты, например вода).
Приведём пример реакции полимеризации для получения полиэти¬лена:
nCH2=CH2 —► (- CH2- CH2-)n.
Примером реакции поликонденсации служит превращение углево¬дов — глюкозы в крахмал:
nC6H12O6 (C6H10O5)n + nH2°.

По происхождению различают природные полимеры, или биопо¬лимеры (они создаются самой природой, без участия человека), ис¬кусственные (это химически модифицированные природные поли¬меры) и синтетические полимеры (те, которые получают химиче¬ским путём).
Буквально на каждом шагу в повседневной жизни мы сталкиваемся с веществами полимерного строения. Это строительные, отделочные, упаковочные, изоляционные материалы; детали машин и механиз¬мов; одежда, ткани и обувь; декоративные, антикоррозионные и спе¬циальные покрытия; резинотехнические изделия, эластомеры и мно¬гое другое. При этом сама жизнь немыслима без природных высокомо¬лекулярных веществ — биополимеров, к числу которых относятся белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и др.).
Кратко охарактеризуем наиболее важные группы известных вам полимеров — пластмассы и волокна.
ПЛАСТМАССЫ. К первой группе полимерных материалов относятся пластмассы.
Пластмассы — это полимерные материалы, способные при нагревании приобретать заданную форму и сохранять её после охлаждения.
Как правило, пластмасса представляет собой смесь нескольких ве¬ществ, а полимер — это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее одно¬родное целое. Поэтому полимер в составе пластмассы называют связу¬ющим.
Понятно, что превращать в готовые изделия удобно те пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Такие пластмассы назы¬вают термопластами или термопластичными полимерами. К ним от¬носятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромо¬лекул и полимер, твердея, приобретает пространственную структуру, то подобные пластмассы называют реактопластами или термореак¬тивными полимерами, — это фенолоформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы. Обратно в вязкотекучее состояние такой поли¬мер вернуть нельзя.
Кроме связующего полимера в состав пластмасс часто вводят раз¬ные добавки — наполнители, красители, а также вещества, повышаю¬щие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старе¬нию. Наполнители не только значительно удешевляют пластмассы, но

Тара и упаковка
Другое
Медицинское
оборудование
Текстильная
промышленность
Промышленные
технологии
Сельское
хозяйство’
Товары для дома Производство игрушек
и спортивного инвентаря
Строительство
Электротехника
Транспорт
Мебельная
промышленность
Рис. 47. Примерное соотношение объёмов применения пластмасс в различных областях народного хозяйства
и придают им многие специфические свойства. Так, пластмассы с на¬полнителем в виде алмазной и карборундовой пыли — это абразивы, т. е. шлифовальный материал. Широкому применению пластмасс спо¬собствует их низкая стоимость, лёгкость переработки. По свойствам пластмассы часто не уступают металлам и сплавам, а иногда даже пре¬восходят их.
Основные потребители пластмасс — это строительная индустрия, машиностроение, электротехника, транспорт, производство упаковоч¬ных материалов, товаров народного потребления (рис. 47). Именно по¬этому многими исследователями ХХ век был назван «пластмассовым» веком.
Понятие «полимеры» часто воспринимается как категория хими¬ческая, как нечто придуманное и синтезированное химиками-изо- бретателями. Однако многие полимеры встречаются в природе, и не в форме брошенных человеком и загрязняющих её отработанных изде¬лий, а в виде натуральных веществ, синтезированных растительными и животными организмами. Так, растущее в Малой Азии дерево ликви- дамбар выделяет пахучую смолу, называемую стираксом, которую ещё 3000 лет назад древние египтяне использовали при бальзамиро¬вании умерших. Стиракс, так же как и «драконова кровь», выделяемая малайской пальмой ротангом, представляет собой не что иное, как полистирол. Жужелица чёрная (Abax ater) в случае опасности вы¬стреливает жидкостью, состоящей в основном из мономерного метилме- такрилата, который, полимеризуясь на теле врага, делает его непо¬движным.

Основные пластмассы и области их применения приведены в таб¬лице 6.
ТАБЛИЦА 6
ПЛАСТМАССЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Полимер Структурное звено Применение
ТЕРМОПЛАСТЫ
Полиэтилен —CH2—CH2— Упаковочные плёнки, бутылки, оболочки кабелей
Полипропилен —CH2—CH—
2 1 CH3 Детали автомобилей, трубы
Полистирол —CHp—CH—
2 1 C6H5 Мензурки, корпуса телевизоров, игрушки
Поливинилхло¬
рид —CHp—CH—
2 1 Cl Трубы, искусственная кожа, хозяйственные сумки
Полиметилме-
такрилат -CH2-C(CH3)-
COOCH3 Органическое стекло для светильников, пуленепробиваемых окон, шприцев
Политетра¬
фторэтилен -CF2-CF2- Тефлоновое покрытие посуды, электроизо¬ляция
Полиэтилен-
терефталат —O—(CH2)2—O—CO—C6H4—CO— Волокна, бутылки
Полиамид —NH—(CH2)5—CO— Волокна
РЕАКТОПЛАСТЫ
Полиуретан —R—NH—COO—R—OOC—NH— Детали автомобилей, подошва для обуви, эластомеры, волокна, пенопласты
Силиконы 1
0 R
1 1
—O—Si—O—Si— 1 1 RO
1 Эластомеры, имплан¬таты, водоотталки¬вающие покрытия
Ненасыщенные
полиэфиры —OCH2CH2OCOCH=CHCO— Цистерны, корпуса лодок

Полимер Структурное звено Применение
Фенолофор-
мальдегидные
смолы OH
-•’^^-CH2- Электроизоляторы, рукоятки ножей
ВОЛОКНА. Ко второй группе полимерных материалов относятся во¬локна.
Волокна — это полимеры линейного строения, которые пригод¬ны для изготовления текстильных материалов (нитей, жгутов, тканей).
Как и все полимеры, волокна бывают природные (натуральные) и химические.
Природные волокна по происхождению бывают растительные, животные и минеральные.
Волокна растительного происхождения (рис. 48) делят на волок¬на, формирующиеся на поверхности семян (хлопок); волокна стеблей растений — лубяные волокна (лён, джут, пенька); волокна оболочек плодов (копра орехов кокосовой пальмы).
Наиболее важное волокно растительного происхождения — хлоп¬ковое. Оно обладает хорошими механическими свойствами, износо¬устойчивостью, термостабильностью, умеренной гигроскопичностью, применяется в производстве различных тканей и трикотажа, ниток, ваты. Лён используется для изготовления бельевых, платьевых и де-
I ■
■ВВЩз,
Рис. 48. Волокна растительного происхождения: а — хлопок; б — лён; в — копра орехов кокосовой пальмы

коративных тканей, лубяные волокна — в производстве тканей, из ко¬торых делают тару (мешки), канаты, верёвки.
К волокнам животного происхождения (рис. 49) относят шерсть и шёлк. При горении таких волокон можно почувствовать запах жжё¬ного рога.
Натуральная шерсть характеризуется невысокой прочностью, большой эластичностью. Она идёт на изготовление тканей бытового и технического назначения, трикотажа, валяльно-войлочных изделий.
Натуральный шёлк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки. Самое известное насекомое, играющее важную экономическую роль в производстве шёлка, — это гусеница тутового шелкопряда.
Китайцам шёлк был известен более чем за 2500 лет до н. э. Секрет его изготовления охранялся государством, пока в 550 г., по легенде, два персидских монаха не вывезли контрабандой из Китая яйца шел¬ковичных червей для разведения, спрятав их в полые бамбуковые тро¬сти. Они привезли их в Константинополь византийскому императору Юстиниану I.
Натуральный шёлк — это очень дорогое волокно. Например, в Япо¬нии шёлковое кимоно стоит около 30 000 долларов.
Раньше шёлк окрашивали натуральными красителями, например кошенилью, в различные цвета — пурпурные, алые, лиловые и т. д. Такой шёлк использовали для одежды царствующих особ, священно¬служителей (рис. 50) и т. п.
Единицей измерения шёлка является мумми — это единица массы (3,75 г), соотнесённая с квадратным метром ткани фабричного произ¬водства. Квадратный метр большинства сортов шёлка весит 16—22 мум¬ми, однако некоторые китайские сорта весят только 4—8 мумми.

К природным волокнам мине-
рального происхождения отно-
сятся асбесты, из которых полу-
чают технические волокна. По-
сле переработки этих волокон в
пряжу из неё делают огнезащит-
ные и химически стойкие ткани,
фильтры, трубы, шифер и т. п.
Ещё асбестовое волокно исполь-
зуют в производстве композитов
и картонов. Интересно, что в Рос-
сии асбест был известен давно под
названием «горный лён». Из него
на фабриках хозяина «Каменного
пояса» (так нередко называли
Уральские горы) промышленни-
ка Демидова делали несгораемое
бельё, которое тот в качестве эк-
зотических презентов дарил знат-
ным людям, в том числе и импе-
ратрице Екатерине Великой.
Химические волокна полу-
чают из растворов или расплавов
волокнообразующих полимеров. Их делят на искусственные (вискоз-
ное, ацетатное и др.) и синтетические (капрон, лавсан, энант, ней-
лон). Искусственные волокна производят из природных полимеров
или продуктов их переработки, главным образом из целлюлозы и её
эфиров, а синтетические — из синтетических полимеров.
Рис. 50. А. Ван Дейк. Портрет кардинала Гвидо Бентивольо. 1623
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ. Рассмотрим ещё одну группу полиме¬ров, которую обычно редко связывают с этим понятием. Это неоргани¬ческие полимеры — вещества с атомной кристаллической решёткой.
Неорганический полимер — серу пластическую — нетрудно полу¬чить из кристаллической серы, выливая её расплав в холодную воду. В результате получается резиноподобное вещество, строение которого можно отобразить так:
S S S …
/ \ / \ / \ /
… S S S
Элементарным звеном в этом полимере являются атомы серы.
Другие неорганические полимеры, имеющие атомную структуру, — это все аллотропные видоизменения углерода (в том числе алмаз и гра¬фит), селен и теллур цепочечного строения, красный фосфор, кристал¬лический кремний. Последний обладает полупроводниковыми свой¬

Рис. 51. Солнечная батарея, изготовлен-ная с применением кристаллического кремния
ствами и используется для из-
готовления солнечных батарей
(рис. 51).
Мы привели примеры простых
веществ, имеющих полимерную
атомную структуру. Ещё более
разнообразна группа неорганиче-
ских полимеров — сложных
веществ. Это, например, оксид
кремния (IV):
I I I
… — Si—O—Si—O—Si—…
I I I
0 O O
1 I I
… — Si—O—Si—O—Si—…
I I I
Разновидностями этого поли-
мера, который образует основ-
ную массу литосферы, являются
кварц, кремнезём, горный хру-
сталь, агат (рис. 52).
Не менее распространён и та-
кой важный для литосферы поли-
мер, как оксид алюминия. Чаще
всего оба эти полимера образуют
минералы, имеющие общее на-
звание алюмосиликаты. К ним относятся, например, белая глина (као-
лин), полевые шпаты, слюда.
Почти все минералы и горные породы представляют собой природ¬ные полимеры.
Рис. 52. Агат
Следующий параграф будет посвящён смесям — твёр¬дым, жидким, газообразным, их классификации, со¬ставу, методам очищения основного вещества от при¬месей.
Теперь вы знаете
► структуру и классификацию полимеров
► что такое пластмассы
► что такое волокна
► что такое неорганические полимеры
Теперь вы можете
► объяснить, чем отличаются реакции полимеризации и поликонденсации, и проиллюстрировать эти реакции примерами

► назвать добавки, которые часто вводят в состав пластмасс, что придаёт пластмассам многие полезные свойства
► перечислить известные вам природные неорганические полимеры и их разновидности, которые образуют основную массу литосферы Земли
► сформулировать, что такое полимер, мономер, пластмасса, волокна
Выполните задания
1
Перечислите биополимеры, которые вы знаете, охарактеризуйте их био¬логическую роль.
2. Дайте определение понятия «пластмассы». Приведите их классифика¬цию, назовите представителей пластмасс, области их применения.
3. Дайте определение понятия «волокна». Приведите классификацию воло¬кон, подкрепите свой ответ примерами волокон разных групп и назовите области их применения.
4. Объясните, что объединяет неорганические полимеры. Какую роль они играют в природе и технике?
Темы для рефератов
1. Синтетические материалы и их роль в современной технике. 2. Полиме¬ры — природные минералы. 3. Полупроводники, их классификация и исполь¬зование в электронной технике. 4. История шёлка, шёлковое искусство.
5. Русский лён: от Древней Руси до наших дней.
w . Смеси веществ,
их состав и способы разделения
V
1. Объясните, что такое смесь и как её разделить на компоненты.
2. Назовите жидкие, твёрдые и газообразные смеси, которые часто ис-
пользуют в быту.
\
КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСЕЙ ПО ВИЗУАЛЬНЫМ СВОЙСТВАМ. В повсе¬дневной жизни мы редко сталкиваемся с чистыми веществами. В ка¬честве немногочисленных примеров чистых веществ можно привести сахар, перманганат калия (марганцовку), поваренную соль, да и то если в них не внесены различные добавки (например, в поваренную соль добавляют иод для профилактики заболеваний щитовидной же¬лезы).

Значительно чаще нас окружают смеси веществ, которые содержат два или более индивидуальных соединения, называемых компонента¬ми смеси.
Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц. Ино¬гда эти частицы настолько велики, что их можно видеть невооружён¬ным глазом. Например, в смеси речного песка с сахарным вы без тру¬да отличите кристаллики одного и другого. К подобным смесям мож¬но отнести и стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки блинов или тортов, строительные сухие смеси, которые смешивают с водой. Смеси, в которых частички составляющих их веществ видны невооружённым глазом или с помощью оптических приборов, называ¬ются неоднородными или гетерогенными.
Есть смеси, при образовании которых вещества дробятся на мель¬чайшие частицы (молекулы, ионы), не различимые даже в микроскоп. Как бы вы ни всматривались в воздух, различить составляющие его газы вам не удастся. Так же бесполезно искать «неоднородность» в растворах уксусной кислоты или поваренной соли в воде. Такие смеси называются однородными или гомогенными.
КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСЕЙ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ, ИХ СОСТАВ.
Гомогенные смеси, равно как и химические вещества, по агрегатному состоянию можно разделить на газообразные, жидкие и твёрдые.
Наиболее известными вам природными смесями газов являются воздух, а также природный и попутный нефтяной газы.
Самая распространённая на Земле жидкая смесь, а точнее, рас¬твор, — это вода морей и океанов. В 1 л морской воды в среднем содер¬жится 35 г солей, основная часть которых приходится на хлорид на¬трия. В отличие от чистой воды морская имеет горько-солёный вкус, замерзает не при 0 °С, а при -1,9 °С.
С жидкими смесями в повседневной жизни мы сталкиваемся посто¬янно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии — всё это смеси веществ. Даже воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворённые соли, мельчайшие нерас¬творимые примеси и микроорганизмы, от которых избавляются хло-рированием или озонированием. Однако и в этом случае воду рекомен¬дуется кипятить. Специальные бытовые фильтры помогут сделать воду пригодной для питья и очистить её не только от твёрдых частиц, но и от некоторых растворённых примесей.
Широко распространены и твёрдые смеси. Как мы уже говорили, горные породы представляют собой смесь нескольких веществ. Почва, глина, песок — это тоже смеси. К твёрдым искусственным смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы.
Как вам известно из биологии, состав воздуха, который мы вдыха¬ем, отличается от того, который мы выдыхаем. В выдыхаемом воздухе меньше кислорода, зато больше углекислого газа и водяного пара. Но

«больше—меньше» — понятия относительные. Состав смесей можно выразить количественно, т. е. в цифрах.
Состав газовой смеси выражают объёмной долей каждого из её ком¬понентов.
Объёмной долей газа в смеси называется отношение объёма данного газа к общему объёму смеси, выраженное в долях единицы или процентах:
ф (газа) = /(Гмеси) •100%.
Объёмную долю газа в смеси обозначают буквой ф (фи). Эта величи¬на показывает, какую часть общего объёма смеси занимает конкрет¬ный газ. Например, вы знаете, что объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21%, азота — 78%. Оставшийся 1% приходится на благо¬родные газы, углекислый газ и другие компоненты воздуха.
Очевидно, что сумма объёмных долей всех газов в смеси равна 100%.
Состав жидких и твёрдых смесей принято выражать величиной, ко¬торая называется массовой долей компонента.
Массовой долей компонента в смеси называется отношение массы данного вещества к общей массе смеси, выраженное в долях единицы или процентах:
w (вещества) = т (в^Щест^а) •100%. v ‘ т (смеси)
РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ, ОЧИСТКА ОСНОВНОГО ВЕЩЕСТВА ОТ ПРИМЕ¬СЕЙ. Практически любая таблетка в домашней аптечке — это спрессо¬ванная смесь одного или нескольких лекарственных веществ и напол¬нителя, в качестве которого может выступать гипс, крахмал, глюкоза. Строительные и кулинарные смеси, парфюмерные композиции и крас¬ки, удобрения и пластмассы имеют состав, который может быть выра¬жен в массовых долях образующих их компонентов.
Вещества с примесями — это тоже смеси. Только в таких смесях принято выделять главное (основное) вещество и посторонние компо¬ненты, которые называют одним словом — примеси. Чем меньше при¬месей, тем чище вещество.
В некоторых областях техники использование недостаточно чистых веществ недопустимо. Микросхему компьютера не сделать без особо чистых кристаллов кремния. В атомной энергетике предъявляются повышенные требования к очистке ядерного топлива. Световой сигнал «погаснет» в стекловолоконном кабеле, «наткнувшись» на посторон¬ние примеси.

Чтобы разделить компоненты смеси или очистить основное веще¬ство от примесей, используют различные приёмы и методы.
Как правило, вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои физические свойства: температуру кипения, температуру плавления, растворимость. Поскольку свойства одного вещества отличаются от свойств другого, разделить смеси на отдельные компоненты можно, используя переход из одного агрегатного состояния в другое.
ПЕРЕГОНКА, ИЛИ ДИСТИЛЛЯЦИЯ. Разделение смесей жидких веществ основано на различии в их температурах кипения. Такой процесс, как вы знаете на примере переработки нефти, называется ректификацией или перегонкой.
Известно, что любые газы смешиваются в любых соотношениях. А можно ли из смеси газов выделить отдельные компоненты? Задача не из простых. Но учёные предложили очень эффективное решение. Смесь газов можно превратить в жидкость и подвергнуть её перегонке. Например, воздух при сильном охлаждении и сжатии сжижают, а за¬тем позволяют одному за другим выкипать отдельным компонентам, имеющим различные температуры кипения. Первым из жидкого воз¬духа испаряется азот, у него самая низкая температура кипения (-196 °С). Затем из жидкой смеси кислорода и аргона можно удалить аргон (-186 °С). Остаётся практически чистый кислород (его темпера¬тура кипения -183 °С), который вполне годится для газовой сварки, химического производства, а также для медицинских целей.
Перегонку используют не только для разделения смесей на отдель¬ные составляющие, но и для очистки веществ.
Вода из-под крана чиста, прозрачна, не имеет запаха. Но чистое ли это вещество с точки зрения химика? Загляните в чайник: накипь и коричневатый налёт остаются после многократного кипячения в нём воды. А известковый налёт на кранах? И природная, и водопроводная вода — это смесь, раствор твёрдых и газообразных веществ. Конечно, их содержание в воде очень мало, но эти примеси могут привести не только к образованию накипи, но и к более серьёзным последствиям. Не случайно лекарства для инъекций, растворы реактивов, электро¬лит для автомобильного аккумулятора готовят только с использовани¬ем очищенной воды, называемой дистиллированной.
Откуда взялось такое название? Всё дело в том, что перегонка по- другому называется дистилляцией. Сущность дистилляции состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся пары чистого вещества отводят, охлаждают и вновь превращают в жидкость. Но она уже не содержит загрязняющих примесей.
В лабораторных условиях перегонку ведут на установке, изобра¬жённой на рисунке 53. Она состоит из перегонной колбы (1). В неё на¬ливают разделяемую смесь, например воду с растворёнными в ней примесями. Жидкость нагревают до кипения. Колба соединена с ни-

Рис. 53. Лабораторная установка для перегонки жидкостей
сходящим холодильником (2) — устройством для конденсации паров кипящего вещества. С этой целью в рубашку холодильника по резино¬вым шлангам (3) подаётся холодная вода. Сконденсированные в холо¬дильнике капли чистого вещества попадают в колбу-приёмник (4).
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. Как поступить, если требуется выделить из раство¬ра не жидкость, а растворённое в ней твёрдое вещество? Для этого ис¬пользуют метод кристаллизации.
Выделить твёрдое вещество из раствора методом кристаллизации можно, выпаривая растворитель. Для этого предназначены специаль¬ные фарфоровые чашки (рис. 54).
Такой же способ широко применяется для добычи соли из концен¬трированных растворов соляных озёр.

В природе соляные озёра — это своеобразные гигантские чаши. За
счёт испарения воды на берегах таких озёр кристаллизуется огромное
количество соли, которая после очистки попадает к нам на стол (рис. 55).
При проведении кристаллизации
не обязательно испарять раствори-
тель. Известно, что при нагревании
растворимость большинства твёрдых
веществ в воде увеличивается. Зна-
чит, при охлаждении раствора неко-
торое количество кристаллов выпадет
в осадок.
Кругом полынь и привкус хины, и, крепким натром солона, цветную от лучей равнину чуть лижет ровная волна.
Н. Ушаков
Лабораторный опыт V
К 5 г оранжевых кристаллов соли дихромата калия добавьте не¬сколько кристалликов перманганата калия (марганцовки) в качестве примеси. Смесь растворите в 8—10 мл кипящей воды. При охлажде¬нии раствора растворимость дихромата калия резко понижается, ве¬щество выпадает в осадок. Кристаллы очищенного от марганцовки дихромата отделите, промойте несколькими миллилитрами ледяной воды. Если растворить очищенное вещество в воде, то по цвету раство¬ра можно определить, что марганцовки оно не содержит — она оста¬лась в исходном растворе.
ОТСТАИВАНИЕ И ФИЛЬТРОВАНИЕ.
Для выделения из жидкостей не-
растворимых веществ используют
метод отстаивания. В его осно-
ве лежит различная плотность
веществ. Если частички твёрдого
вещества достаточно крупные,
они быстро оседают на дно,
а жидкость становится прозрач-
ной (рис. 56). Её можно осторож-
Рис. 56. Отстаивание почвы в воде но слить с осадка.
Чем меньше размер твёрдых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь.
Лабораторный опыт \
В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки сан¬техники и залейте его до половины водой. Образуется мутная смесь. Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему смесь отстаивается так долго? Слейте прозрачную жидкость. Какой способ разделения вы использовали?

Отстаиванием разделяют и смеси двух
нерастворимых друг в друге жидкостей.
Если в систему смазки автомобиля попала
вода, масло придётся слить. Однако через
некоторое время смесь расслоится. Вода,
имеющая большую плотность, образует
нижний слой, сверху отстоится слой масля-
ный. Аналогично отстаивается смесь воды
и нефти, воды и растительного масла. Для
разделения таких смесей удобно пользо-
ваться особой лабораторной посудой, назы-
ваемой делительной воронкой (рис. 57).
Лабораторный опыт \
В коническую колбу налейте равные
объёмы воды и растительного масла. При
интенсивном взбалтывании вода и масло
разбиваются на мелкие капельки, образуя
мутную смесь. Перелейте её в делительную воронку. Через некоторое
время смесь расслаивается на более тяжёлый водный слой и масло,
всплывающее наверх. Откройте кран делительной воронки и слейте
воду.
Отделить частицы твёрдого нерастворимого вещества от жидкости можно с помощью фильтрования. В лаборатории для этого использу¬ется специальная пористая бумага, называемая фильтровальной. Ча¬стицы твёрдого вещества не проходят через поры бумаги и остаются на фильтре. Жидкость с растворёнными в ней веществами (её называют фильтратом) свободно просачивается через него и становится совер¬шенно прозрачной.
Фильтрование — очень распространённый процесс и в быту, и в тех¬нике, и в природе.
На водоочистительных станциях воду фильтруют через слой чисто¬го песка, на котором задерживаются ил, примеси нефтепродуктов, ча¬стицы почвы и глины. Топливо и масло в двигателе автомобиля обяза¬тельно проходят через фильтрующие элементы.
Клеточные мембраны, стенки кишечника или желудка — это тоже своеобразные биологические фильтры, поры которых пропускают одни вещества и задерживают другие.
Фильтровать можно не только жидкие смеси. Не раз вы видели лю¬дей в марлевых повязках, да и самим, наверное, приходилось ими пользоваться. Проходя через несколько слоёв марли с проложенной между ними ватой, вдыхаемый воздух очищается от частиц пыли, смога, болезнетворных микробов. В промышленности для защиты ор¬ганов дыхания от пыли используют специальные приспособления —
Рис. 57. Разделение двух несмешивающихся жидко-стей с помощью делитель-ной воронки

респираторы. Воздух, попадающий в двигатель автомобиля, тоже очи¬щают от пыли тканевыми или бумажными фильтрами.
Лабораторный опыт \
Положите на стол кубик льда из морозильной камеры. На верхнюю грань кубика положите конец нитки и посыпьте кубик солью. Через минуту потяните нитку вверх. Что произошло? Объясните почему.
Далее мы подробно рассмотрим дисперсные системы и растворы, образованные смесями из различных ве¬ществ.
Теперь вы знаете
У какие бывают виды смесей по составу У как разделяют смеси
У как выражают состав газовых, твёрдых и жидких смесей
Теперь вы можете
У классифицировать смеси по составу и по агрегатному состоянию
У выразить количественно (в цифрах) состав газовой смеси, а также состав жидких и твёрдых смесей
У назвать способы разделения газовых, твёрдых и жидких смесей и объяс¬нить, в чём их сущность
У с помощью лабораторных опытов на практике подтвердить свои теорети¬ческие знания о способах разделения смесей
Выполните задания
1. Объясните, корректно ли словосочетание «молекулы воздуха», назовите постоянные, переменные и случайные составные части воздуха. Сделайте предположение об относительном содержании отдельных компонентов в воздухе после грозы, в глубоких ущельях и на горных вершинах, в лесо¬парковой зоне и вблизи крупного промышленного предприятия.
2. Рассчитайте, какой объём кислорода содержится в 500 м3 (н. у.) воздуха.
В природном газе некоего месторождения объёмные доли предельных углеводородов равны: метан — 85%, этан — 10%, пропан — 4% и бутан — 1%. Вычислите, какой объём каждого из газов может быть по¬лучен из 125 л природного газа (н. у.).

4. В состав сухой цементной смеси для штукатурных работ входят 25% це¬мента и 75% песка. Определите, сколько килограммов каждого компо¬нента нужно взять для приготовления 150 кг такой смеси.
5. Предложите способ разделения следующих смесей:
а) железная и медная стружка;
б) песока и древесные опилки;
в) бензин и вода;
г) меловая побелка на мел и воду;
д) раствор этилового спирта в воде.
Темы для рефератов
1. Фракционная перегонка жидкого воздуха. 2. Объединённые Арабские Эми¬раты — жизнь на опреснённой воде. 3. Области применения дистиллирован¬ной воды. 4. Суспензии и эмульсии: сравнительная характеристика. 5. Есте¬ственные и искусственные аэрозоли.
§14.
Дисперсные системы
V
Дайте характеристику таких атмосферных явлений, как радуга, облака, туман, пыльная буря.
Л
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в различных агре¬гатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные си¬стемы — дисперсные системы и растворы.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределе¬но в объёме другого.
То вещество, которое присутствует в дисперсной системе в меньшем количестве и распределено в объёме другого вещества, называют дис¬персной фазой (может состоять из нескольких веществ). Вещество, присутствующее в большем количестве, в объёме которого распределе¬на дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между дис-персионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверх¬ность раздела, именно поэтому дисперсные системы называют гетеро¬генными, т. е. неоднородными.

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять веще¬ства, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимо¬сти от сочетания дисперсионной среды и дисперсной фазы можно вы¬делить восемь видов таких систем (табл. 7).
По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (или взвеси) с размера¬ми частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 100 до 1 нм.
Гомогенная система однородна, поверхности раздела между части¬цами и средой нет, а потому растворы к дисперсным системам не отно¬сятся.
ТАБЛИЦА 7
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ
Дисперсионная
среда Дисперсная
фаза Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем
Газ Жидкость Туман; попутный газ с капельками нефти; карбюраторная смесь в двига¬телях автомобилей (капельки бензина в воздухе); аэрозоли
Твёрдое вещество Пыль в воздухе, дым, смог, самум (пыльная и песчаная буря); сухие аэрозоли
Жидкость Газ Шипучие напитки; пены
Жидкость Эмульсии, жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеваритель¬ные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)
Твёрдое вещество Золи (коллоидные растворы); гели; пасты (кисели, студни, клеи); речной и морской ил, взвешенный в воде; строительные растворы
Твёрдое вещество Газ Снежный наст с пузырьками воздуха в нём; почва; текстильные ткани; кир¬пич и керамика; поролон; пористый шоколад; порошки
Жидкость Влажная почва; медицинские и кос-метические средства (мази, тушь, по¬мада и т. д.)
Твёрдое вещество Горные породы, цветные стёкла; неко¬торые сплавы
Раствором называют гомогенную систему, в которой веще¬ство раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм.

Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в хозяйственной деятельности человека, его по¬вседневной жизни и, конечно, в природе.
Судите сами: без нильского ила не было бы великой цивилизации Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета — наш общий дом — Земля; без клеток не было бы живых организмов.
Классификация дисперсных систем и растворов в зависимости от размеров частиц показана на схеме.
ГРУБОДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. Как можно судить по схеме, грубодис-
персные системы (или взвеси) делятся на три группы: эмульсии, су-
спензии и аэрозоли.
Эмульсии — это дисперсные системы
с жидкой дисперсионной средой и жидкой
дисперсной фазой.
Их также можно разделить на две группы:
1) прямые, с каплями неполярной жидко-
сти в полярной среде (типа «масло в воде»);
2) обратные (типа «вода в масле»).
Однако изменение состава эмульсий или
внешнее воздействие на неё могут привести
к превращению прямой эмульсии в обрат-
ную и наоборот. Примерами наиболее извест-
ных природных эмульсий являются молоко
(прямая эмульсия) и нефть (обратная эмуль-
сия) (рис. 58). Типичная биологическая
эмульсия — это капельки жира в лимфе.
Рис.58. Природные эмульсии: а — молоко; б — нефть

Лабораторный опыт \
Налейте в тарелку цельное молоко. Капните на поверхность не¬сколько разноцветных капель пищевых красителей. Ватную палочку смочите моющим средством и коснитесь ею центра тарелки. Молоко начинает двигаться, а цвета перемешиваться. Объясните почему.
Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материа¬лы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические сред¬ства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голо-дающего или ослабленного организма путём внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое или соевое масло.
В химической технологии широко используют эмульсионную поли¬меризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, по- ливинилацетата и др.
Суспензии — это грубодисперсные системы с твёрдой дисперс¬ной фазой и жидкой дисперсионной средой.
Обычно частицы дисперсной фазы в суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести. Этот процесс называется седиментация.
Наиболее распространённые строительные суспензии — это побел¬ка («известковое молоко»), различные строительные взвеси, например цементный раствор, эмалевые краски (рис. 59). К суспензиям относят¬ся также медицинские препараты, например жидкие мази — лини¬менты.
V
Рис. 59. Использование суспензий: а — в строительстве; б — в медицине

Особую группу составляют грубодисперс-
ные системы, в которых концентрация дис-
персной фазы относительно высока по сравне-
нию с её небольшой концентрацией в суспен-
зиях. Такие дисперсные системы называют
пастами. Пасты хорошо вам известны из
повседневной жизни, например зубные, кос-
метические, гигиенические и др. (рис. 60).
Аэрозоли — это грубодисперсные си-
стемы, в которых дисперсионной средой
является воздух, а дисперсной фазой мо-
гут быть капельки жидкости или части-
цы твёрдого вещества.
В качестве примеров аэрозолей можно на-
звать облака, радугу, дезодоранты, лаки для
волос в баллончиках, пылевые облака, смерчи
(рис. 61).
КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ. Промежуточное по-
ложение между грубодисперсными система-
ми и истинными растворами занимают колло-
идные системы.
Коллоидные системы широко распростра-
нены в природе. Почва, глина, природные
воды, многие минералы, в том числе и некото-
рые драгоценные камни (жемчуг, опал), — всё
это коллоидные системы.
Большое значение имеют коллоидные си-
стемы для биологии и медицины. В состав лю-
бого живого организма входят твёрдые, жид-
кие и газообразные вещества, находящиеся в
сложном взаимоотношении с окружающей средой. Цитоплазма кле¬ток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и для студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в це¬
Рис. 61. Аэрозоли

лом — это сложнейшая совокупность многих
коллоидных систем, включающих в себя и
жидкие коллоиды, и студни — гели (рис. 62).
Биологические жидкости (кровь, плазма,
лимфа, спинномозговая жидкость) представ-
ляют собой коллоидные системы, в которых
такие органические соединения, как белки,
холестерин, гликоген и многие другие, нахо-
дятся в коллоидном состоянии.
Почему же именно коллоидному состоянию
природа отдаёт такое предпочтение? Эта осо-
бенность связана в первую очередь с тем, что
вещество в коллоидном состоянии имеет боль-
шую поверхность раздела между фазами, что
способствует лучшему протеканию обмена ве-
ществ.
Лабораторный опыт V
В пластиковый стакан насыпьте столовую
ложку крахмала. Постепенно добавьте тёплую
воду и тщательно разотрите смесь ложкой.
(Не лейте много воды — смесь должна быть
густой.) Столовую ложку полученного кол-
лоидного раствора налейте на ладонь и до-
троньтесь до неё пальцем — смесь твердеет.
Если вы уберёте палец, смесь снова станет
жидкой.
Рис. 62. Коллоидные системы в живых ор-ганизмах: а — хрящи, сухожилия; б — стекло-видное тело глаза
Коллоиды под давлением могут менять своё
состояние. В результате давления пальца ча-
стички крахмала соединяются друг с другом,
и смесь становится твёрдой. Когда давление
прекращается, смесь возвращается в первона-
чальное — жидкое — состояние.
Коллоидные системы делятся на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок — кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом (плазма крови, лимфа, тканевая жид¬кость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.) являют¬ся коллоидными растворами (золями).
Золи — это коллоидные системы, в которых частицы дисперс¬ной фазы свободно и независимо друг от друга перемещаются в процессе броуновского движения.

Для золей характерно явление коагуляции, т. е. слипания коллоид¬ных частиц и выпадение их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллои¬ды коагулируют при нагревании (яичный белок, клей) или при изме¬нении кислотно-основной среды (пищеварительные соки) (рис. 63).
Гели — это коллоидные системы, в которых частицы дисперс¬ной фазы образуют пространственную структуру.
Классификация гелей, которые часто встречаются в повседневной жизни, представлена на схеме.
Со временем структура гелей нарушается — из них выделяется жид¬кость. Происходит синерезис — самопроизвольное уменьшение объ¬ёма геля, сопровождающееся отделением жидкости. Синерезис опреде¬ляет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей.
Для теплокровных животных очень важен биологический синере- зис, который называется свёртыванием крови. Под действием специ¬фических факторов растворимый белок крови фибриноген превра¬щается в фибрин, сгусток которого и закупоривает ранку. Если этот процесс затруднён, то говорят о возможности заболевания человека

■ ■
Рис. 65. Эффект Тиндаля
Рис. 64. Генрих фон Ангели. Портрет импе-ратрицы Александры Фёдоровны с диадемой, серьгами и бусами из жемчуга. 1896
гемофилией. Как вы знаете из курса биоло-
гии, носителями гена гемофилии являются
женщины, а заболевают ею мужчины. Хоро-
шо известен печальный пример из российской
истории: наследник престола царевич Алек-
сей, сын императора Николая II, страдал ге-
мофилией, ген которой передался ему через
мать, императрицу Александру Фёдоровну.
По внешнему виду истинные и коллоидные
растворы трудно отличить друг от друга. Для
этого используют эффект Тиндаля, когда при пропускании через кол-
лоидный раствор луча света образуется конус «светящейся дорожки»
(рис. 65). Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперс-
ной фазы золя отражают своей поверхностью свет, а частицы истинно-
го раствора — нет. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного,
а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатре при про-
хождении луча света от киноаппарата через запылённый воздух зри-
тельного зала.
В следующем параграфе разговор пойдёт о химиче¬ских реакциях как процессах образования одних ве¬ществ из других, отличающихся по свойствам, о клас¬сификации химических реакций.
Теперь вы знаете
► классификацию дисперсных и коллоидных систем
► в чём заключается эффект Тиндаля
Теперь вы можете
► классифицировать дисперсные системы по агрегатному состоянию сре¬ды и фазы и по размерам частиц фазы
► дать характеристику эмульсий, суспензий, аэрозолей, паст и привести примеры

► объяснить, что с точки зрения химии наш организм — это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем
Выполните задания
1. Сформулируйте, что такое дисперсная система, дисперсионная среда, дисперсная фаза.
2. Докажите, что природный газ и истинные растворы не являются дисперс¬ными системами.
3. Приведите классификацию гелей по группам и объясните, чем определя¬ется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей.
4. Объясните, что такое коагуляция, синерезис, эмульсионная полимериза¬ция, седиментация.
5. Дайте свою трактовку того факта, что природа в качестве носителя эво¬люции избрала именно коллоидные системы.
6. Назовите дисперсные системы, о которых идёт речь в этих строках М. Цветаевой:
Отнимите жемчуг — останутся слёзы,
Отнимите злато — останутся листья Осеннего клёна, отнимите пурпур —
Останется кровь.
Темы для рефератов
1. Латекс и изделия из него. 2. Эстетическая, биологическая и культурная роль коллоидных систем в жизни человека. 3. Коллоидные системы в медицине.
4. Суспензии и эмульсии. 5. Естественные и искусственные аэрозоли.
w . Химические реакции
и их классификация
V
1. Объясните, какие явления называются химическими и чем они отлича-
ются от физических.
2. Предложите признаки, по которым можно классифицировать химиче-
ские реакции.
\
КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПО РАЗНЫМ ПРИЗНАКАМ.
Химия как часть естествознания изучает не только свойства веществ, но и их превращения, стремится использовать такие процессы для по¬лучения соединений с новыми, полезными для человека свойствами.

Химические реакции (химические явления) — это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, от¬личающиеся от исходных по составу или строению, а следова¬тельно, и по свойствам.
В основу классификации химических реакций могут быть положе¬ны самые разные признаки.
Имеются достаточно большие группы реакций, одни из которых не сопровождаются изменением состава вещества, а другие протекают с изменением состава вещества. Последняя группа химических реакций тоже делится по различным признакам: изменению числа, состава ре¬агентов и продуктов реакции; выделению или поглощению теплоты; изменению степеней окисления атомов, образующих вещества, на¬правлению процесса; использованию катализатора; агрегатному со¬стоянию веществ. Рассмотрим все эти группы.
РЕАКЦИИ БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ВЕЩЕСТВА. В неорганической химии к реакциям, в ходе которых не происходит изменения состава вещества, можно отнести процессы взаимопревращения различных аллотропных модификаций одного химического элемента.
Очень интересно, а в настоящее время и практически значимо, на¬пример, превращение одной аллотропной модификации углерода (гра¬фита) в другую (алмаз):
Как вы уже знаете, обе аллотропные модификации углерода — и ал¬маз, и графит — имеют атомную кристаллическую решётку, но разной геометрии: у алмаза она объёмная тетраэдрическая, а у графита — плоскостная.
В 1954 г. учёные из лаборатории знаменитой американской фирмы «Дженерал электрик» получили чёрные кристаллики искусственных алмазов массой 0,05 г при экстремальных условиях — давлении в 100 000 атм и температуре +2600 °С. Такие алмазы стоили в сотни раз дороже природных. Но уже в течение последующих десяти лет были разработаны технологии, позволяющие получить в одной камере за несколько минут 20 и более граммов алмазов. Современное производ¬ство искусственных алмазов основано на их получении из графита не только при сверхвысоких, но и при низких давлениях. Такие алмазы сравнительно дёшевы и используются преимущественно в техниче¬ских целях — в металлургии и машиностроении, радиоэлектронике и приборостроении, геологоразведке и горной промышленности.
В истории химии яркий след оставила аллотропия фосфора. Про¬цесс взаимопревращений его наиболее известных модификаций мож¬но выразить схематически следующим образом:
С (графит) < у С (алмаз).
Р (белый) < > Р (красный).

Фосфор красный имеет атом-
ную кристаллическую решётку,
а фосфор белый — молекулярную
и соответственно формулу Р4.
Исторически первым был полу-
чен белый фосфор. В 1669 г. не-
мецкий алхимик Х. Брант (ок.
1630 — ок. 1710), пытаясь про-
каливанием сухого остатка мочи
получить так называемый фило-
софский камень, получил светя-
щиеся белые кристаллики веще-
ства. Он назвал вещество фосфо-
ром, что в переводе с греческого
означает «светоносный» (рис. 66).
А красный фосфор впервые был
получен в 1847 г. в Швейцарии
австрийским химиком А. Шрёт-
тером (1802—1875) при нагре-
вании белого фосфора при +500 °С
в атмосфере угарного газа в запаянной стеклянной ампуле.
Ещё один пример. Покорители Южного полюса из экспедиции Р. Скотта не учли взаимопревращения аллотропных модификаций олова:
Sn (белое) < > Sn (серое).
Белое олово — это мягкий пластичный металл, с которым мы чаще всего и сталкиваемся. Однако при понижении температуры оно может превращаться в серое олово — порошок со всеми свойствами неметал¬лов. Этот процесс катализируется самим серым оловом: достаточно появиться всего лишь одной его пылинке, как процесс уже невозмож¬но остановить: изделие из белого блестящего металла рассыпается, превращаясь в серый невзрачный порошок. Учёные образно назвали это явление «оловянной чумой». Именно она и стала причиной гибели экспедиции Р. Скотта, пытавшегося в 1912 г. покорить Южный по¬люс. Дело в том, что железные канистры для хранения продуктов и ке¬росина были запаяны оловом. На сильном морозе оловянный припой рассыпался, и экспедиция осталась без топлива. В органической хи¬мии реакции подобного типа относят к реакциям изомеризации.
РЕАКЦИИ СОЕДИНЕНИЯ. Все типы реакций, о которых будет рассказа¬но далее, сопровождаются изменением числа, состава реагентов и про¬дуктов реакции. Начнём их изучение с реакции соединения.
Реакции соединения — это такие реакции, в результате ко¬торых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество.

Удобрения (суперфосфат, аммоний, сульфат и т. д.)
Растворители
Краски и пигменты
Изготовление материалов (нейлон, бумага и т. д.)
Пластик
Очистка металлов
Другие области применения (источники питания, средства для борьбы с вредителями в садах и т. д.)
Рис. 67. Применение серной кислоты
Многообразие реакции соединения можно продемонстрировать на примере трёх этапов получения серной кислоты из серы:
а) оксида серы (IV):
S + O2 = SO2 (из двух простых веществ — одно сложное);
б) оксид серы (VI):
2SO2 + O2 кат’> 2SO3 (из простого и сложного веществ — одно слож¬ное);
в) серная кислота:
SO3 + H2O = H2SO4 (из двух сложных веществ — новое сложное).
Мы выбрали этот пример не только потому, что он максимально ил¬люстрирует палитру реакций соединения, но и потому, что продукт

этих реакций — серная кислота, по образному выражению Д. И. Мен¬делеева, является «хлебом химической промышленности» (рис. 67).
РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ. Это следующий тип реакций, в ходе которых меняется число, состав реагентов и продуктов реакции.
Реакции разложения — это такие реакции, в результате ко¬торых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.
Всё многообразие таких реакций можно рассмотреть на вариантах получения кислорода лабораторными способами:
а) разложение оксида ртути (II):
2Hg20 = 2Hg + O2 (именно этим способом Дж. Пристли (1733— 1804) в 1774 г. впервые получил кислород);
б) разложение пероксида водорода:
2H2O2 = 2H2O + O2;
в) разложение перманганата калия:
2KMnO4 = K2MnO4 + МпО2 + O2.
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ. Эти реакции протекают между простыми и сложными веществами.
Реакции замещения — это такие реакции, в результате ко¬торых атомы простого вещества замещают атомы какого- нибудь элемента в сложном веществе.
Примером таких процессов могут служить реакции, характеризую¬щие, например, свойства металлов:
а) взаимодействие щелочных и щёлочноземельных металлов с во¬дой:
2Na + 2Н2О = 2NaOH + H2;
б) взаимодействие металлов с кислотами в растворе:
Zn + 2НС1 = ZnCl2 + Н2;
в) взаимодействие металлов с солями в растворе:
Fе + CuSO4 = Си + FeSO4;
г) металлотермия, т. е. вытеснение более активными металлами ме¬нее активных из их оксидов:
2А1 + Fе2Oз = AI2O3 + 2Fe.
РЕАКЦИИ ОБМЕНА. И наконец, последний тип реакций из рассматри¬ваемой группы. Реакции обмена протекают между двумя сложными веществами.

Реакции обмена — это такие реакции, в результате кото¬рых два сложных вещества обмениваются своими составными ча¬стями.
Если реакции обмена протекают в растворе, то они возможны толь¬ко в том случае, когда в результате образуется осадок, газ или мало- диссоциирующее вещество (например, вода):
а) красивый золотисто-жёлтый осадок иодида свинца образуется в результате реакции обмена между растворами иодида натрия и нитра¬та свинца:
2 NaI + Pb(NO3)2 = PbI2l + 2NaNO3;
б) образование газа можно заметить, если в раствор соляной кисло¬ты прилить раствор карбоната металла:
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2T + H2O;
в) раствор обесцветится, так как произойдёт не просто реакция об¬мена, а реакция нейтрализации, если к раствору щёлочи добавить не¬сколько капель фенолфталеина (окраска станет малиновой), а затем прилить кислоты до исчезновения цвета:
КОН + HNO3 = KNO3 + H2O.
ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ И ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. Следующая груп¬па химических реакций, протекающих с изменением состава веще¬ства, объединена по признаку выделения и поглощения теплоты, но в неё входят и некоторые типы реакций из предыдущей группы.
Как правило, почти все реакции соединения протекают с выделени¬ем теплоты.
Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими.
Частным случаем экзотермических реакций являются реакции го¬рения:
2Mg + О2 = 2MgO + Q.
Реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими.
За небольшим исключением почти все реакции разложения явля¬ются эндотермическими. Например, обжиг известняка — эндотерми¬ческая реакция:
СаСО3 = СаО + CO2 — Q.
Закрепим уже рассмотренные классификации химических реак¬ций, для чего охарактеризуем реакцию синтеза оксида серы (IV):
+4 кат. +6 -2
2SO2 + O0 <—> 2SO3.

Эта реакция:
— соединения (из двух веществ образуется одно);
— окислительно-восстановительная (атомы элементов изменили степени окисления);
— обратимая (может протекать в двух противоположных направле¬ниях);
— каталитическая (происходит в присутствии катализатора);
— экзотермическая (происходит с выделением энергии);
— гомогенная (все вещества — газы).
В следующем параграфе речь пойдёт о скорости хими¬ческих реакций, которая зависит от многих факто¬ров, в том числе и от условий протекания реакций: температуры, присутствия катализатора.
Теперь вы знаете
► чем отличается химическая реакция от физического явления
► классификацию химических реакций по разным признакам
Теперь вы можете
сравнить свойства и строение аллотропных модификаций фосфора, углерода, олова
перечислить химические реакции, которые происходят с изменением числа, состава реагентов и продуктов реакции
на примере синтеза аммиака показать многообразие химических реак¬ций
Выполните задания
Из курса химии основной школы вспомните и назовите признаки и условия протекания химических реакций, проиллюстрируйте ответ примерами.
Объясните аллотропию и причины этого явления.
Докажите относительность деления простых веществ на металлы и неме¬таллы на примере олова.
Сформулируйте, в чём суть реакций соединения, разложения, замеще¬ния, обмена, экзотермических и эндотермических реакций.
Запишите уравнения реакций замещения, иллюстрирующих свойства ме¬таллов, исходя из их положения в ряду напряжений; перечислите, какие особенности взаимодействия металлов с растворами кислот и солей име¬ют щелочные металлы.
Проанализируйте реакции соединения и разложения, найдите, что обще¬го у них с экзотермическими и эндотермическими реакциями.

© Темы для рефератов
1. Фосфор — белый, красный, жёлтый, чёрный. 2. Химия и алхимия. 3. Горе¬ние: химические и физические характеристики. 4. Реакция нейтрализации и её применение в медицине, фармакологии, биологии.
. Скорость химической реакции
V
1. Вспомните, что такое катализаторы.
2. Объясните, что такое ферменты и для чего они нужны живому орга-
низму.
\
ЧТО ТАКОЕ СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ. Известно, что одни хи-
мические реакции протекают за малые доли секунды, другие же — за
минуты, часы, дни. Например, практически мгновенно протекают ре-
акции, которые сопровождаются взрывным эффектом: горение поро-
ха, воспламенение горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания
автомобиля. При сливании растворов хлорида бария и серной кислоты
мгновенно образуется белый осадок сульфата бария:
ВаС12 + H2SO4 = BaSO4l + 2HC1.
Наоборот, реакция ржавления железа (коррозия) идёт так медлен-
но, что проследить за её результатами можно лишь по истечении дли-
тельного времени.
Одна и та же реакция может в одних условиях протекать быстро,
а в других — медленно. Например, процесс окисления серебра или
меди на воздухе тянется годами, а в присутствии озона проходит чрез-
вычайно быстро. Чтобы характеризовать быстроту течения химиче-
ской реакции, пользуются понятием «скорость химической реакции»,
которая обозначается латинской буквой v.
Скорость химической реакции — это изменение концентра-
ции одного из реагирующих веществ или одного из продуктов реак-
ции в единицу времени.
Формула, по которой можно определить скорость реакции:
AC
где С1 и C2 — концентрации реагирующих или образующихся веществ соответственно в момент времени t1 и t2.

Если скорость реакции характеризуют изменением концентрации исходных (реагирующих) веществ, то t2 > t1, a С2 < С1 (концентрация исходного вещества убывает по мере протекания реакции). Так как скорость реакции имеет положительное значение, перед дробью следу¬ет поставить знак «минус». При определении скорости реакции по воз-растающей концентрации образующихся веществ величина дроби получается положительной.
Знание скорости химических реакций имеет очень большое практи¬ческое и научное значение. Например, в химической промышленно¬сти от скорости химической реакции зависят размеры и производи¬тельность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта и в ко¬нечном итоге зарплата работников и себестоимость продукции.
Раздел химии, изучающий скорость химических реакций, называ¬ется химической кинетикой. Зная её законы, человек получает воз¬можность управлять скоростью химических процессов.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ. Данное выше определение и соответствующая ему формула скорости химиче¬ской реакции справедливы для гомогенных реакций. Если реакция ге¬терогенная, то она может идти только на поверхности раздела реаги¬рующих веществ. В этом случае скорость химической реакции будет определяться площадью поверхности соприкосновения веществ.
Зависимость скорости гетерогенной реакции от величины поверх¬ности соприкосновения реагирующих веществ показана на рисун¬ке 68. В химических стаканах налита соляная кислота равного объ¬ёма и одинаковой концентрации. На стёклах находится мрамор одина¬ковой массы: для первого опыта кусочек, для второго — порошок. Реакция во втором случае будет проходить очень бурно и гораздо быстрее, чем в первом случае, так как площадь поверхности частиц порошка значительно больше, чем площадь поверхности кусочка мра¬мора.
Рис. 68. Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ

Скорость химических реакций зависит от
природы реагирующих веществ. На рисун-
ке 69 показано взаимодействие двух щелоч-
ных металлов — лития и калия с водой. Калий
взаимодействует с водой очень бурно и на-
столько энергично, что даже воспламеняется.
Следующим важнейшим фактором, влияю-
щим на скорость химической реакции, явля-
ется концентрация реагирующих веществ.
Продемонстрируем это на опыте. Нальём
в три пробирки раствор тиосульфата натрия.
В первую пробирку — 3 мл, во вторую — 2 мл,
в третью — 1 мл. Затем добавим во все пробир-
ки воды столько, чтобы уровень растворов тио-
сульфата в них стал одинаковым, — 5 мл, т. е.
в первую дольём 2 мл воды, во вторую — 3 мл,
а в третью — 4 мл.
Понятно, что концентрация раствора тио-
сульфата в первой пробирке будет наиболь-
шей, а в третьей — наименьшей. Теперь бы-
стро добавим в каждую пробирку (начиная
с третьей) по 2 мл раствора серной кислоты
и проследим, в какой из них раньше всего вы-
падет осадок серы. Раньше всего он образуется там, где выше концен-
трация тиосульфата, т. е. в первой пробирке. Это и понятно: ведь для
химического взаимодействия серной кислоты и тиосульфата необхо-
димо, чтобы частички (ионы), из которых они состоят, столкнулись,
чем больше число столкновений, тем быстрее протекает реакция.
А число столкновений тем больше, чем больше концентрация реаги-
рующих веществ, т. е. количества, или массы, этих веществ в единице
объёма.
Ещё один важнейший фактор, от которо-
го зависит скорость химической реакции, —
температура. Эта зависимость определяется
правилом Вант-Гоффа.
При изменении (повышении или пониже-
нии) температуры на каждые 10 °С ско-
рость реакции соответственно изменя-
ется (увеличивается или уменьшается)
в 2—4 раза.
Якоб Хендрик Голландский химик Я. Х. Вант-Гофф
Вант Гофф (1852—1911), сформулировавший это прави-
Рис. 69. Зависимость скорости химической реакции от природы вещества: калий (а) взаимодействует с водой более энергич¬но, чем литий (б)

ло, стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии, получив её в 1901 г.
Взаимодействия водорода и кислорода при комнатной температуре почти не происходит — так мала скорость реакции. При +500 °С эта реакция протекает всего за 50 мин, а при +700 °С она происходит поч¬ти мгновенно:
2Н2 + О2 = 2Н2О.
КАТАЛИЗАТОРЫ. Скорость химической реакции зависит также от при¬сутствия катализатора.
Обратимся к опыту. Нальём в пробирку немного 3%-го раствора пе¬роксида водорода Н2О2 и подогреем его. Внесём в пробирку с перокси¬дом водорода тлеющую лучинку — она не вспыхнет, так как реакция разложения пероксида водорода протекает настолько медленно, что образующегося небольшого количества кислорода недостаточно для качественной реакции на кислород. Теперь насыплем в пробирку не¬много порошка оксида марганца (IV) MnO2 (рис. 70, а), начнётся бур¬ное выделение пузырьков газа (рис. 70, б), тлеющая лучинка в пробир¬ке ярко вспыхнет (рис. 70, в). Оксид марганца (IV) увеличивает ско¬рость реакции разложения пероксида водорода во много раз, а сам остаётся по окончании реакции в таком же количестве, в каком был взят изначально.
Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, оставаясь к концу её в первоначальном количестве, называются катализаторами.
Оксид марганца (IV) является катализатором химической реакции, которую мы продемонстрировали на опыте.
Процесс изменения скорости химических реакций с помощью ката¬лизатора называется катализом, а реакции, идущие с участием ката¬лизатора, — каталитическими. Слово «катализ» в переводе с греческо¬
Рис. 70. Разложение пероксида водорода с использова-нием оксида марганца (IV)

го означает «разрушение», т. е. с помощью
катализа происходит как бы разрушение
длинного пути, который предстоит пройти ве-
ществам, вступившим в реакцию. При добав-
лении катализаторов в исходную смесь реа-
гентов скорость реакции увеличивается в де-
сятки и сотни раз, но в итоге реакции сами
катализаторы остаются неизменными по фор-
ме, по цвету, по объёму и массе.
Обыкновенное вещество вода может тво-
рить чудеса, если выступает в роли катали-
затора. Например, при взаимодействии по-
Герман Иванович Гесс »
рошков алюминия с серой или алюминия
с иодом.
Одним из первых исследователей катализа был русский химик Г. И. Гесс (1802—1850). В 1831 г. Гесс опубликовал статью, содержа¬ние которой достаточно полно отражено в её названии: «О свойстве весьма мелко раздробленной платины способствовать соединению кис¬лорода с водородом и о плотности платины». Платина применяется хи-миками редко, так как она катализатор дорогой, но иногда просто не¬заменимый. Например, с помощью платинового катализатора амери¬канским и японским автомобилестроителям удалось добиться почти полного сгорания топлива в двигателях, что, в свою очередь, резко уменьшило содержание вредных примесей в выхлопных газах и сдела¬ло чище атмосферу таких больших городов, как Токио и Нью-Йорк.
Катализаторы широко используются в химической промышленно¬сти, так как позволяют сократить время химических процессов, уменьшить стоимость химической аппаратуры, сделать производство экологически более чистым и экономически выгодным.
ФЕРМЕНТЫ. Ещё в древние времена человек наблюдал действие ката¬лизаторов брожения при образовании вина и уксуса из виноградного сока или дрожжей при выпечке хлеба.
Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами.
Ферменты, как вы знаете, ускоряют жизненно важные химические реакции в клетках организмов. Действие некоторых из них вы можете наблюдать на опыте. Опустите поочерёдно в пробирку с небольшим ко¬личеством пероксида водорода по кусочку сырой моркови, картофеля или мяса. Вы заметите бурное выделение кислорода. Это работает фер¬

мент каталаза, который содержится почти во
всех растительных и животных клетках. Но
если в раствор пероксида водорода опустить
кусочек варёной моркови или мяса, то выде-
ления кислорода не произойдёт, каталаза при
варке разрушилась. Следует отметить и ещё
одну особенность ферментов — они действуют
в строгом интервале температур и в строго
определённой среде. Например, фермент слю-
ны птиалин действует на крахмал пищи луч-
ше всего при температуре +35—40 °С в слабо-
щелочной среде. В желудке птиалин уже не
действует, так как там среда кислая. Здесь на-
чинается действие уже другого фермента —
пепсина, который расщепляет белки пищи.
Теперь вам должно быть понятно, почему в инструкциях по примене¬нию стиральных порошков, содержащих ферменты (их ещё называют энзимами), рекомендуется строго придерживаться указанного интерва¬ла температур.
Клетки живых организмов чётко соблюдают заданную им природой «инструкцию» по использованию ферментов. Под действием фермен¬тов-катализаторов в клетках происходит распад молекул белков, жи¬ров и углеводов, поступивших в организм с пищей, и синтез новых мо¬лекул, которые точно соответствуют потребностям данного организма. Не случайно великий русский физиолог И. П. Павлов (1849—1936) назвал ферменты «носителями жизни».
В заключение необходимо добавить, что помимо катализаторов, увеличивающих скорость химических реакций, есть вещества, кото¬рые, наоборот, эту скорость уменьшают. Они называются ингибитора¬ми (от лат. inhibeo — сдерживать, останавливать). Значение ингибито¬ров так же велико, как и катализаторов. Например, коррозию метал¬лов удаётся резко уменьшить именно с помощью ингибиторов.
Следующий параграф будет посвящён обратимым и необратимым химическим реакциям, химическому равновесию и общему закону его смещения в зависи¬мости от внешних факторов.
Теперь вы знаете
► определение и формулу скорости химической реакции
► факторы, влияющие на скорость химической реакции
► что такое катализаторы, ферменты

Теперь вы можете
► определить скорость химической реакции по формуле
► перечислить факторы, которые влияют на скорость химической реакции, и сформулировать правило Вант-Гоффа
► дать сравнительную характеристику катализаторов и ингибиторов
► объяснить, почему физиолог И. П. Павлов назвал ферменты «носителями жизни»
Выполните задания
1. Сравните понятия «скорость движения» и «скорость химической реак¬ции» и покажите, что между ними общего.
2. Запишите формулу, по которой рассчитывается химическая реакция, и объясните, в чём заключается роль катализаторов.
3. Назовите ферменты, которые вы знаете из курса биологии, опишите, ка¬кой из них за что отвечает в нашем организме.
4. Дайте объяснение тому факту, что при обработке порезов и других ран пероксидом водорода (перекисью водорода) наблюдается бурное вспе¬нивание препарата.
5. Напишите синквейн о понятиях этого параграфа по своему выбору. На¬помним, что синквейн — короткое литературное произведение, состоя¬щее из пяти строк, которое пишется по определённому плану:
1- я строка — одно слово: тема синквейна (существительное или место¬имение);
2- я строка — два слова: описание темы, её признаки и свойства (прилага¬тельные или причастия, могут быть соединены союзами);
3- я строка — три слова: описание характерных действий темы (глаголы, словосочетания);
4- я строка — четыре-пять слов: фраза или цитата на данную тему (выра¬жает личное отношение автора к данной теме);
5- я строка — одно слово: суть темы, ассоциация, синоним к теме (суще¬ствительное, описательный оборот).
Темы для рефератов
1. Катализ в биологии. 2. Г. И. Гесс — основатель термохимии. 3. Ингибиторы и область их применения. 4. Практическое использование ферментов в народ¬ном хозяйстве, в научных исследованиях и медицине. 5. Энзимы и иммунитет человека.

Учебник по Естествознанию 11 класс, часть 2

1. Назовите три исторические эпохи в развитии цивилизации, для которых было характерно производство орудий труда и оружия из соответству¬ющих материалов.
2. Перечислите основные рудные (или металлические) месторождения в России.
3. Объясните, какие металлы называют благородными и почему, какую роль они играли в истории человечества с древнейших времён и до на¬ших дней.
4. Приведите примеры литературных и музыкальных произведений, связанных сюжетно или по названию с металлами и сплавами.
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.
Для атомов металлов характерны некоторые отличительные особенно¬сти строения. Первая: они, как правило, имеют 1—3 электрона на внешнем энергетическом уровне. Однако у атомов олова и свинца ва¬лентных электронов 4, у сурьмы и висмута — 5, а у полония — 6. По¬чему же эти элементы являются металлами? Ответ получим, зная о второй особенности строения атомов металлов — у них сравнительно большой радиус. Поэтому валентные электроны притягиваются к по¬ложительному ядру слабее и легко отрываются от атома.
Атом, от которого «ушли» электроны, превращается в ион. В ре¬зультате этого в металлическом изделии или кусочке металла форми¬руется совокупность свободных электронов, которые непрерывно пе¬ремещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положитель¬ным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая в ионы, и так бесконечно. Следователь¬но, в металлах происходит непрерывный процесс превращения «атом < *• ион», его осуществляют валентные электроны, а частицы, из ко¬торых состоят металлы, так и называют — атом-ионы.
M0 — ne Mn+
То же самое наблюдается и в металлических сплавах.
Металлической связью называется связь в металлах и спла¬вах между атом-ионами металлов, осуществляемая совокупно¬стью валентных электронов.
Эта связь определяет особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в уз¬лах которой расположены атом-ионы.

Рис. 17. Золочёная резьба по дереву — основной элемент декора аудиенц-зала Боль-шого Петергофского дворца. 1714— 1755
НАИБОЛЕЕ ХАРАКТЕРНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ. Такие свойства метал-
лов, как пластичность, ковкость, электро- и теплопроводность, метал-
лический блеск, способность к образованию сплавов, обусловлены имен-
но металлической кристаллической решёткой и металлической связью.
Пластичность — важнейшее свойство металлов, выражающееся
в их способности деформироваться под воздействием механической
нагрузки. Это свойство лежит в основе обработки металла давлением
(ковка, прокатка и др.), протягивании его в проволоку и т. п.
Пластичность металла объясняется тем, что под внешним воз-
действием одни слои атом-ионов
в кристаллах легко смещаются,
как бы скользят относительно
друг друга без разрыва связи меж-
ду ними.
Наиболее пластичны золото,
серебро и медь. Недаром для свое-
го знаменитого опыта, позволив-
шего создать планетарную модель
атома, Э. Резерфорд использовал
именно золото, из которого была
изготовлена фольга толщиной
всего 0,003 мм. Такие же тонкие
листочки фольги используются
для золочения художественных
изделий, например деревянной
резьбы. Потрясает воображение
сиянием золота декор залов Пе-
Рис. 18. Так называемая золотая маска Агамемнона (XIV в. до н. э.), найденная Г. Шлиманом при раскопках в Микенах

тергофского дворца (рис. 17) под Санкт-Петербургом и резной золочё-
ный деревянный алтарь Успенского собора во Владимире. Замечатель-
ные изделия из золота дошли до нас через тысячелетия (рис. 18).
Высокая электропроводность металлов объясняется наличием в
них подвижных электронов, которые под действием электрического
поля начинают двигаться направленно. Луч-
шими проводниками электрического тока яв-
ляются золото, серебро и медь, немного усту-
пает им алюминий. Однако в большинстве
стран провода и кабели делают в основном не
из меди, а из более дешёвого алюминия. Хуже
всего электрический ток проводят марганец,
свинец, ртуть, вольфрам и некоторые другие
тугоплавкие металлы.
Теплопроводность металлов также объяс-
няется высокой подвижностью электронов,
которые, сталкиваясь с колеблющимися в уз-
лах решётки ионами металлов, обменивают-
ся с ними тепловой энергией. С повышени-
ем температуры эти колебания ионов с помо-
щью электронов передаются другим ионам,
и температура металла быстро выравнивается.
О практическом значении этого свойства вы
можете судить по равномерному нагреванию
кухонной металлической посуды.
Гладкая поверхность металла или металли-
ческого изделия характеризуется металличе-
ским блеском, который является результатом
отражения световых лучей. Высокой световой
отражательной способностью обладают ртуть
(её раньше использовали для изготовления
знаменитых венецианских зеркал), серебро,
палладий и алюминий. Последние три метал-
ла в настоящее время используются при про-
изводстве зеркал, прожекторов и фар.
В порошкообразном виде металлы теряют
блеск, приобретая чёрную или серую окраску,
и только магний и алюминий сохраняют его.
Поэтому из алюминиевой пыли делают краску
серебрянку для декоративных покрытий.
Большинство металлов имеет серебристо-
белый цвет, золото и медь — соответственно
жёлтый (червонный) или красно-жёлтый (мед-
ный) цвет (рис. 19).
Рис. 19. Самородки: а — золота; б — меди; в — серебра

Металлы также классифицируются в зависимости от своей плотно¬сти, температуры плавления и твёрдости. Все металлы при обычных условиях — твёрдые вещества. Исключение составляет жидкая ртуть. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (так, хром по твёрдости приближается к алмазу). Самые мягкие — щелоч¬ные металлы, натрий и калий, например, легко режутся ножом.
По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий, из металлов побочных под¬групп — скандий, иттрий и титан. Эти металлы благодаря легкоплав¬кости и тугоплавкости всё шире применяют в различных областях тех-ники.
Самый лёгкий металл — литий, плотность которого 0,53 г/см3, са¬мый тяжёлый — осмий с плотностью 22,6 г/см3.
Лёгкие металлы обычно легкоплавки (галлий может плавиться уже на ладони руки), а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшая тем¬пература плавления — у вольфрама (+3422 °С). Это его свойство (так же как и огромное электрическое сопротивление) используют для изготов¬ления ламп накаливания. Однако сейчас в Российской Федерации, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято реше¬ние о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы — галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, но заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома и иода). Люминесцентные лампы — это хоро¬шо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток: они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светоди¬одные лампы самые экономичные и самые долговечные (срок их рабо¬ты — до 100 тыс. ч).
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ. Металличе¬ская химическая связь и металлическая кристаллическая решётка ха¬рактерны не только для чистых металлов, но и для их сплавов. Это от¬личает металлические сплавы от неметаллических, как искусствен¬ных (стекла, керамики, фарфора, фаянса), так и природных (гнейсов, базальтов, гранитов и т. д.).
Ещё в глубокой древности люди заметили, что сплавы обладают другими, нередко более полезными свойствами, чем входящие в их состав чистые металлы. Поэтому металлы в чистом виде используют¬ся редко. Например, у первого полученного человеком сплава — брон¬зы — прочность выше, чем у её составляющих — меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Чистый алюминий — очень мягкий

Рис. 20. Один из са-мых больших пасса-жирских самолётов «Конкорд» — 20 тонн дюралюминия
Рис. 21. Э. Фальконе. Медный всадник — памятник Петру I в Санкт-Петербурге. 1768—1770
Рис. 22. Чугунная решёт-ка Летнего сада в Санкт- Петербурге, выполненная по проекту архитекторов Ю. Фельтена, И. Фока и П. Егорова. 1771—
1784
металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из
алюминия, магния, марганца, меди, никеля, называемый дюралюми-
нием, в 4 раза прочнее алюминия и используется в самолётостроении
(рис. 20), а потому образно называется «крылатым» металлом.
Кроме большей прочности сплавы обладают и лучшими литейными
свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо подда-
ётся литью, а оловянная бронза имеет прекрасные литейные качест-
ва — из неё отливают художественные изделия, памятники, которые
требуют тонкой проработки деталей (рис. 21). Чугун — сплав железа
с углеродом — также великолепный литейный материал (рис. 22).
Кроме высоких механических
качеств, сплавам присущи свой-
ства, которых нет у чистых метал-
лов. Например, нержавеющая
сталь — сплав на основе железа —
обладает высокой коррозионной
стойкостью даже в агрессивных
средах и высокой жаропрочно-
стью.
Начавшаяся примерно 100 лет
назад научно-техническая рево-
люция, затронувшая и промыш-
ленность, и социальную сферу,
также тесно связана с произ-
водством металлов и сплавов
(рис. 23). На основе вольфрама,
Рис. 23. Эйфелева башня в Париже, названная в честь своего конструктора Густава Эйфеля. 1887— 1889

Рис. 24. Космическая техника, при создании которой используются современные сплавы
молибдена, титана и других ме-
таллов начали создавать устой-
чивые к коррозии, сверхтвёрдые
и тугоплавкие сплавы, примене-
ние которых значительно расши-
рило возможности машинострое-
ния. В ядерной и космической
технике из сплава вольфрама и
рения делают детали, выдержива-
ющие температуру до +3000 °С
(рис. 24). В медицине использу-
ют хирургические инструменты
и имплантаты из сплавов тантала
и платины.
В следующем параграфе познакомимся с молекуляр¬но-кинетической теорией, рассмотрим различные аг¬регатные состояния вещества и взаимные переходы из одного состояния в другое.
Теперь вы знаете
► механизм образования металлической химической связи
► наиболее характерные свойства металлов
► металлические сплавы и области их применения
Теперь вы можете
объяснить, что такое металлическая химическая связь и как она возни¬кает
назвать самые пластичные металлы, металлы с самой плохой электро¬проводностью, самый лёгкий и самый тяжёлый металл, металл с самой высокой температурой плавления
дать сравнительную характеристику физических свойств металлов и сплавов
перечислить те отрасли современной промышленности, где находят ши¬рокое применение металлические сплавы
Выполните задания
1. Назовите некоторые отличительные особенности, характерные для стро¬ения атомов металлов.

2. Дайте определение металлической связи, объясните, что из себя пред¬ставляют атом-ионы и какую роль они играют в механизме образования химической связи.
3. Объясните, как особенности строения металлов — простых веществ ска¬зываются на их физических свойствах, перечислите основные свойства металлов.
4. Охарактеризуйте тяжёлые и лёгкие металлы, легкоплавкие и тугоплав¬кие, назовите основные области их применения.
5. Приведите примеры наиболее выдающихся произведений искусства из металлов и сплавов.
Темы для рефератов
1. Типы металлических кристаллических решёток. 2. История возникновения и развития зеркального производства. 3. «Крылатый» металл и история миро¬вой авиации. 4. История металлических денег в России. 5. Драгоценные ме¬таллы и сплавы в истории мирового искусства. 6. Роль современных сплавов в науке, технике, медицине, быту.
w . Молекулярно-кинетическая теория.
Агрегатные состояния вещества
V
1. Приведите примеры веществ, которые могут существовать в жидком,
твёрдом и газообразном состояниях; преимущественно только в жид-
ком; только в твёрдом; только в газообразном состоянии.
2. Назовите приборы и аппараты, работающие на основе искусственно
созданной плазмы, и явления природы, в основе которых — земная
природная плазма.
\
ТРИ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ. Как вы уже
знаете, представления о том, что все тела в природе состоят из мель¬чайших неделимых частиц — атомов, появилось в Древней Греции бо¬лее двух тысяч лет назад. Древнегреческий философ Демокрит (460—371 до н. э) писал: «…атомы бесчисленны по величине и по мно¬жеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким обра¬зом рождается всё сложное: огонь, вода, воздух, земля».
Первые атомистические воззрения можно считать началом станов¬ления фундаментальной естественно-научной теории, получившей впоследствии название молекулярно-кинетической.

Сформулируем первое положение молекулярно-кинетической тео¬рии.
Все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, моле¬кул, ионов.
Для чего же нужна молекулярно-кинетическая теория? Какую на¬учную ценность она представляет? Оказывается, макроскопические свойства веществ, например температура, давление и объём, для газо¬образных веществ определяются свойствами микроскопических ча¬стиц, их составляющих.
Казалось бы, всем хорошо известен термин «температура». А что такое температура? Попробуйте сформулировать определение этого понятия. Оказывается, это не так просто. Попытка связать его с «ме¬рой нагретости тела» — это, как говорится, масло масляное. В соответ¬ствии с представлениями молекулярно-кинетической теории темпера¬тура — это физическая величина, характеризующая среднюю ско¬рость хаотического движения частиц, составляющих данное тело. Например, чем быстрее движутся молекулы газообразного вещества, тем выше его температура.
Именно о движении частиц речь идёт во втором положении молеку- ляр но-кинетической теории.
Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
Дальнейшее развитие молекулярно-кинетическая теория получила после открытия в XVII—XVIII вв. газовых законов — Бойля—Мариот- та, Шарля и Гей-Люссака. Эти законы связывают попарно в математи¬ческие уравнения основные параметры состояния газов: температуру, давление и объём.
Напомним, что давление — это физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности. Как же этот макро¬скопический параметр связан с микроскопическим строением газа? В любой момент времени молекулы ударяются о стенки сосуда и при каждом ударе передают им определённый импульс силы, который сам по себе крайне мал, однако суммарное воздействие огромного числа молекул приводит к значительному силовому воздействию на стенки, которое и воспринимается нами как давление. Например, накачивая автомобильное колесо, вы перегоняете молекулы атмосферного возду¬ха внутрь замкнутого объёма шины дополнительно к числу молекул, уже находящихся внутри неё. В результате концентрация молекул внутри шины оказывается выше, чем снаружи, они чаще ударяются о стенки, давление внутри шины оказывается выше атмосферного, и шина становится упругой.

Для того чтобы математически связать давление газа с движением и соударениями его молекул, необходимо принять третье положение молекулярно-кинетической теории.
Частицы газа взаимодействуют друг с другом путём абсолют¬но упругих механических столкновений.
Абсолютно упругими называются столкновения, при которых ки¬нетическая энергия одной из сталкивающихся частиц полностью пе¬реходит в кинетическую энергию другой, а между ними отсутствуют любые иные виды взаимодействия, в том числе и химического.
ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. На самом деле столкновения реальных молекул га¬зов не такие уж и абсолютно упругие. Например, часть кинетической энергии одной частицы может переходить в потенциальную энергию другой, а направление движения после соударения отличаться от пря¬молинейного. Поэтому положения молекулярно-кинетической тео¬рии, равно как и основные газовые законы, справедливы только для некой гипотетической модели газообразного вещества, названной иде¬альным газом. Вы уже знаете о том, что метод моделирования широко используется в естествознании. Например, в механике в качестве эле¬ментарного объекта рассматривается материальная точка. В молеку¬лярно-кинетической теории физические закономерности и математи¬ческие уравнения, связывающие воедино параметры отдельных час¬тиц и газообразного вещества в целом, справедливы для особой виртуальной модели — идеального газа.
Идеальным называется газ, молекулы которого имеют беско¬нечно малые размеры (т. е. представляют собой материальные точки), а единственным видом их взаимодействия являются абсо¬лютно упругие столкновения со стенками сосуда.
Зачем же создавать теорию для несуществующего в природе газа? Дело в том, что реальные газы, особенно при умеренных температурах и низком давлении, достаточно хорошо подчиняются закономерно¬стям, полученным для газа идеального. Ну а в случае значительных отклонений вводят поправочные коэффициенты, позволяющие с до-статочной точностью рассчитать значение нужного параметра и для реального газа.
В качестве примера соотношения, связывающего воедино основные параметры газообразного вещества, можно привести уравнение состо¬яния идеального газа:
где p — давление; V — молярный объём; v — количество вещества; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температу-
pV = vRT,
ра (К).

Как видите, зная три из пяти величин, входящих в уравнение со¬стояния (универсальная газовая постоянная R является константой), можно рассчитать неизвестную искомую величину.
РАЗВИТИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ В XIX В. Во второй половине XIX в., казалось бы, простая внешне картина атомно-моле¬кулярной структуры вещества развилась в мощную универсальную теорию. Пик её развития связан с именами замечательных учёных Дж. Максвелла (1831 —1879) и Л. Больцмана (1844—1906), кото-рые заложили основы статистического (вероятностного) описания свойств веществ (главным образом газов), состоящих из огромного ко¬личества хаотически движущихся молекул. Были выведены десятки закономерностей, которые позволили связать измеримые макроско¬пические показатели состояния газа (температуру, давление, объём) с микроскопическими характеристиками (числом, массой, скоростью движения молекул).
В современной физике на смену молекулярно-кинетической теории пришли более общие теоретические воззрения, получившие название кинетической теории (или статистической механики). Эти теории опи¬сывают состояние не только веществ молекулярного строения, но и ионных соединений, рассматривают, помимо теплового, другие виды движения частиц, принимают во внимание не только их упругие стол-кновения. Тем не менее молекулярно-кинетическая теория остаётся выдающимся достижением естествознания. На этой схеме мы даём краткую хронологию её развития.

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА. Основными доказательствами положений молекулярно-кинетической теории считаются уже знако¬мые вам явления — диффузия, броуновское движение и изменение агрегатных состояний вещества. Именно агрегатные состояния веще¬ства и взаимные переходы из одного состояния в другое мы и рассмо¬трим далее более подробно.
Вы знаете, что вещества могут существовать в различных агрегат¬ных (от лат. aggrego — присоединяю, связываю) состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. То или иное агрегатное состояние вещества характеризуется в первую очередь его способностью сохранять форму и объём и зависит от физических условий, в которых оно находится. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обуслов¬лено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.
Агрегатные состояния вещества связаны между собой взаимными переходами (рис. 25).
ГАЗ
9
9
9
9 »
Сублимация
Рис. 25. Схема взаимных переходов агрегатных состояний вещества
ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ. Рассмотрим сначала газообразное состо¬яние вещества.
Газ — это агрегатное состояние вещества, характеризующее¬ся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму.
Газ (от фр. gaz, от греч. chaos — хаос) стремится занять весь объём, ему предоставленный. Молекулы газообразного вещества перемеща¬ются по всему сосуду, в котором он находится. Благодаря большому расстоянию между молекулами любые газы смешиваются друг с дру¬гом в любых отношениях.
ТВЁРДОЕ
ВЕЩЕСТВО
ЖИДКОСТЬ
Плавление
►»
9 9(
Кристаллизация
Парообразование
< 1
Конденсация

Лабораторный опыт \
Проверьте прибор для получения газов на герметичность. С этой це¬лью конец газоотводной трубки опустите в стакан с водой, а реактор (пробирку или колбу, закрытую пробкой с газоотводной трубкой) на¬грейте ладонями. Что вы наблюдаете? Почему?
По химическому составу газы и их смеси весьма разнообразны. Это и благородные газы, молекулы которых одноатомны, и простые веще¬ства — азот (N2), кислород (O2), озон (O3), водород (H2), фтор (F2), хлор (Cl2) и сложные вещества — углекислый (CO2) и угарный (CO) газы, аммиак (NH3), сероводород (H2S), сернистый газ (SO2), оксиды азота (NO и NO2), метан (CH4) и т. д. Важнейшими природными смесями га¬зов являются воздух, природный и попутный нефтяной газы.
Газы легко сжимаемы. При этом расстояние между частицами уменьшается, давление газа на стенки сосуда увеличивается, а форма молекул не изменяется.
В 1811 г. выдающийся итальянский физик и химик А. Авогадро (1776—1856) открыл закон, названный его именем. Как вы помните, он сформулирован так:
в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (тем¬пературе и давлении) содержится одинаковое число молекул.
Конечно, верно и обратное: если взять равное число частиц различ¬ных газов, то они при одних и тех же условиях будут занимать одина¬ковый объём. Вы знаете, что 1 моль любого вещества молекулярного строения содержит 6,02^1023 молекул. Предположим, что было взято по 1 моль нескольких газообразных веществ при температуре 0 °С и давлении 1 атм, или 105 Па (такие условия называются нормаль¬ными). Очевидно, газы эти будут занимать равные объёмы, а имен¬но 22,4 л. Это важнейшее следствие из закона Авогадро. Объём 1 моль газа называется молярным объёмом газа, обозначается Vm и имеет значение 22,4 л/моль.
Часто вместо термина «газ» для многих веществ, которые при обыч¬ных условиях находятся в жидком или твёрдом агрегатном состоянии, используют слово «пар», чтобы характеризовать газообразное состоя¬ние. Например, пары воды прозрачны и бесцветны, их невозможно увидеть. А вот в бытовом понимании водяным паром называют мель¬чайшие капельки сконденсированной влаги, например туман, пар над поверхностью водоёма в холодное утро, пар из носика кипящего чай¬ника. Процесс перехода вещества из газообразного в жидкое агрегат¬ное состояние называется конденсацией (см. рис. 25).

ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА. Следующее агрегатное состояние, которое мы рассмотрим, это жидкость.
Жидкость — это агрегатное состояние вещества, которое ха¬рактеризуется малой сжимаемостью, т. е. способностью сохра¬нять объём, но не сохранять форму, а принимать конфигурацию сосуда, в который жидкость помещена.
Эта способность обусловлена тем, что в жидкостях молекулы веще¬ства расположены близко друг к другу благодаря силам взаимного притяжения.
Если вы попробуете сжать жидкость, то у вас ничего не получится. При попытке уменьшить расстояние между молекулами возникают силы их взаимного отталкивания, которые превосходят силы их вза¬имного притяжения, поэтому жидкие вещества практически несжи¬маемы. Тем не менее увеличение давления жидкости при её сжатии можно пронаблюдать на опыте.
Лабораторный опыт \
Опустите глазную пипетку в стакан с водой и наберите в неё воды. Если пипетка не тонет, добавьте ещё воды, если тонет — удалите не¬много воды. Добейтесь, чтобы пипетка не плавала на поверхности, не тонула, а стояла в толще воды.
Налейте в полуторалитровую пластиковую бутылку воды до самого верха. Опустите пипетку в бутылку и плотно завинтите крышку (в бу¬тылке не должно быть пузырьков воздуха).
Сожмите бутылку. Что вы наблюдаете? Что происходит, если пре¬кратить сжатие? Почему?
Поступательное движение молекул, хотя и
затруднено по сравнению с газами, но всё-таки
сохраняется. Это обусловливает такое важней-
шее свойство жидкостей, как текучесть. По-
верхностное натяжение заставляет жидкие ве-
щества принимать форму шара, но это воз-
можно только в невесомости, при свободном
падении капли или при очень малом объёме
капли (рис. 26).
ТВЁРДОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА. Любое жид-
кое вещество при охлаждении переходит в
твёрдое агрегатное состояние. Такой процесс
называется кристаллизацией (см. рис. 25).
Рис. 26. Капля жидко-сти, в свободном полёте принимающая шаро-образную форму

Рис. 27. Изумительная красота и бесконечное разнообразие форм снежинок
Для воды этот процесс происходит при температуре 0 °С. Часто о воде говорят как о живом существе: вода замерзает.
Вам хорошо знаком причудливый и неповторимый узор снежинок (рис. 27), острые, похожие на стекло кромки ледяных осколков. Это вода в твёрдом агрегатном состоянии.
Твёрдое состояние — это агрегатное состояние вещества, характеризующееся его способностью сохранять объём и форму.
Частицы твёрдого вещества находятся настолько близко друг к дру¬гу, что очень ограничены в движении. Они совершают главным об¬разом колебания относительно положения равновесия, а вот посту¬пательное движение для них почти невозможно. Силы взаимного при¬тяжения частиц в твёрдых веществах настолько велики, что это позволяет твёрдым веществам сохранять не только объём, но и форму.
Лабораторный опыт \
В два пластиковых стакана налейте по 150 мл воды. Один стакан поставьте в морозильную камеру на сутки. Затем оба стакана поставь¬те в СВЧ-печь и включите её на полную мощность на 2 мин. Что про¬изошло? Вода в стакане практически закипела, а лёд даже не растаял. Почему?
Как вы думаете, может ли бельё высохнуть на морозе, допустим, при -5 °С? Хозяйки вам ответят утвердительно: да, может. Как же так? Ведь при минусовой температуре вода — это лёд. Вроде бы, для того чтобы она испарилась, её нужно как минимум расплавить. Ока¬зывается, это совсем не обязательно. Все низкомолекулярные веще¬ства могут переходить из твёрдого состояния сразу в газообразное. Та¬кой переход называется возгонкой или сублимацией (см. рис. 25). Причём получить некоторые соединения даже в жидком состоянии не¬

просто. К ним относится сухой
лёд — твёрдый углекислый газ,
который при атмосферном давле-
нии переходит из твёрдого состоя-
ния в газообразное, минуя жид-
кое. Температура, при которой
существует сухой лёд, -78 °С.
И он действительно сухой — не
плавится, а возгоняется (рис. 28),
что очень удобно для хранения
пищевых продуктов, и в первую
очередь мороженого. Легко возго-
няются также кристаллический
иод, нафталин.
Твёрдое агрегатное состояние присуще всем без исключения веще¬ствам, а вот расплавить или превратить в газ удаётся не все вещества. И вовсе не потому, что нет возможности создать достаточно высокую температуру. Наоборот, большинство твёрдых веществ начинают раз¬лагаться, так и не успевая расплавиться или испариться. К таким ве-ществам относятся, например, гидроксид меди (II), карбонат кальция, целлюлоза.
Возможность существования веществ с ионным типом связи в твёр¬дом агрегатном состоянии объяснить легко. Катионы и анионы во всём объёме вещества притягиваются друг к другу. Чтобы заставить веще¬ство расплавиться или перейти в газообразное состояние, его нужно нагреть, преодолев тем самым силы взаимного притяжения.
Твёрдое агрегатное состояние металлов тоже объяснимо. Атомы и катионы металла «не разлетаются», подобно атомам благородных га¬зов, поскольку их удерживает вместе совокупность обобществлённых валентных электронов.
Почему же вещества молекулярного строения, у которых ковалент¬ные связи образуются между атомами только в пределах одной моле¬кулы, бывают и жидкие, и твёрдые? Что заставляет молекулы в таких веществах притягиваться друг к другу?
Молекулы в целом электронейтральны, однако и между ними могут возникнуть силы взаимного притяжения, получившие, как мы уже го¬ворили ранее, название ван-дер-ваальсова взаимодействия. Причиной такого притяжения является главным образом электромагнитное вза¬имодействие электронов и ядер одной молекулы с электронами и ядра¬ми другой. Межмолекулярные связи значительно менее прочны, чем химические, однако именно они приводят к тому, что вещества моле¬кулярного строения могут существовать в конденсированном (т. е. жидком или твёрдом) состоянии.

ПЛАЗМА. Четвёртым агрегатным состоянием вещества считают плаз¬му (от греч. plazma — вылепленный, оформленный).
Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором суммарный электрический заряд равен нулю.
При сильном нагревании вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и далее, то молекулы газа начнут рас¬падаться на составляющие их атомы, которые, в свою очередь, при дальнейшем нагревании превращаются в ионы. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звёзды, галакти¬ческие туманности, межзвёздное пространство. Напомним, что сол¬нечный ветер и ионосфера Земли не что иное, как плазма. Она образу¬ется на поверхности нашей планеты в естественных условиях лишь при вспышках молний.
В лабораторных условиях плазма впервые была получена в виде газо¬вого разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д. За последние годы применение плазмы суще¬ственно расширилось. Высокотемпературную плазму (T ~ 106—108 К) из смеси дейтерия с тритием пытаются использовать для осуществле¬ния управляемого термоядерного синтеза; низкотемпературную плазму (T < 105 К) — в различных газоразрядных приборах: газовых лазерах, ионных приборах, плазменных панелях телевизоров и т. п.
Е»
Следующий параграф будет посвящён более подроб-
ному знакомству с газообразными веществами, в том
числе с классом предельных углеводородов — алка-
нов, и природным газом.
Теперь вы знаете
► три положения молекулярно-кинетической теории
► в чём заключается модель «идеальный газ»
► как происходило развитие молекулярно-кинетической теории в XIX в.
► чем различаются агрегатные состояния вещества
Теперь вы можете




сформулировать три положения молекулярно-кинетической теории в со-
временном варианте
объяснить, что такое идеальный газ, и написать уравнение состояния
идеального газа
перечислить, какие бывают агрегатные состояния вещества, привести
примеры взаимных переходов агрегатных состояний вещества
охарактеризовать плазму и указать области её применения

© Выполните задания
1. Охарактеризуйте газообразное, жидкое и твёрдое состояния ве¬щества.
2. Назовите группы, на которые делятся газы по химическому составу, а так¬же природные газовые смеси.
3. Сформулируйте закон Авогадро, скажите, какое следствие из этого за¬кона имеет наибольшее практическое значение.
4. Дайте определения взаимных переходов агрегатных состояний «газ — жидкость», «жидкость — твёрдое вещество», «твёрдое вещество — газ».
5. Приведите примеры природных жидких смесей и твёрдых веществ с раз¬ным типом химической связи.
Темы для рефератов
1. Историческое развитие молекулярно-кинетической теории. 2. Кинетиче¬ская теория газов Дж. Максвелла. 3. Л. Больцман — основатель статистиче¬ской механики и молекулярно-кинетической теории. 4. Плазма в природе и технике.
7 . Углеводороды
V
1. Назовите важнейшие месторождения природного газа в нашей стране,
покажите их на карте.
2. Перечислите нетрадиционные источники энергии и страны, где они на-
ходят применение.
3. Расскажите, какие правила техники безопасности нужно соблюдать при
работе с бытовым газом.
N
ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА АЛКАНОВ. Продолжим характеристи¬ку газообразных веществ знакомством с важнейшей группой органи¬ческих соединений — углеводородами.
Название «углеводороды» говорит само за себя: это вещества, мо¬лекулы которых состоят из атомов двух элементов — углерода и во¬дорода. Благодаря уникальной способности атомов углерода соеди-

Рис. 29. Основные месторождения природных источников углеводородов (нефти, газа, каменного угля) в Российской Федерации
няться друг с другом в цепи различной длины и формы, таких соеди¬нений великое множество. Поэтому их делят на классы. Мы оста¬новимся на краткой характеристике только одного класса — предель¬ные углеводороды, или алканы. И это не случайно, поскольку предельные углеводороды — это основная составная часть природного газа и нефти. Наша страна занимает одно из ведущих мест в мире по запасам, добыче, экспорту и переработке углеводородного сырья (рис. 29).
Знание этой темы представляет определённый профессиональный интерес не только для тех, кто хочет углублённо изучать естественные науки, но также для будущих юристов и экономистов, обществоведов и политологов, инженеров и экологов. Природные источники углево¬дородов являются связующим звеном межгосударственных отноше¬ний в политической и экономической области и вместе с тем причиной вооружённых конфликтов и войн за контроль над ними.
Итак, вернёмся к характеристике предельных углеводородов.
Алканы (предельные углеводороды, парафины) — это угле¬водороды, в молекулах которых все валентности атомов углеро¬да, не задействованные на образование простых связей C—C, на¬сыщены атомами водорода; состав алканов соответствует об¬щей формуле CnH2n + 2.

Приведём развёрнутые и сокращённые структурные формулы, а также названия первых трёх представителей ряда алканов:
H H H
H
I
H—C—H
I
H
CH4
метан
H H
I I
H—C—C—H
I I
H H
CH3—CH3
H—C—C—C—H
I I I
H H H
CH3—CH2—CH3
пропан
Свойства предельных углеводородов зависят от состава их молекул, т. е. от относительной молекулярной массы, что наглядно иллюстри¬рует таблица 1.
ТАБЛИЦА 1
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Название Формула Относительная
молекулярная
масса Агрегатное
состояние Плотность,
г/мл Т °С
‘кип» С
Метан CH4 16 Газ — -161,6
Этан c2h6 30 Газ — -88,5
Пропан C3H8 44 Газ — -42,2
Бутан C4H10 58 Газ — -0,5
Пентан C5H12 72 Жидкость 0,626 36,1
Гексан C6H14 86 Жидкость 0,659 68,7
Гептан C7H16 100 Жидкость 0,684 98,4
Октан C8H18 114 Жидкость 0,703 125,7
Нонан C9H20 128 Жидкость 0,718 150,8
Декан C10H22 142 Жидкость 0,730 174,1
Нетрудно заметить, что с ростом относительной молекулярной мас¬сы у алканов возрастают температура кипения, плотность, а также из¬меняется агрегатное состояние: первые четыре алкана — газообразные вещества, следующие одиннадцать — жидкости, а начиная с C16H34 — твёрдые вещества.
СОСТАВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА. Практически повсе¬местно на нашей планете в толще Земли встречается природный газ.
Природный газ — это смесь предельных углеводородов и неор¬ганических газов, образующих месторождения.

Рис. 30. Добыча природного газа
(Q3:, ЩМ.
Рис. 31. Модели метана:
а — объёмная; б — ша-
ростержневая
Содержание каждого компо-
нента зависит от месторождения,
однако в любом случае в природ-
ном газе (рис. 30) преобладает ме-
тан (рис. 31), количество других
углеводородов резко сокращается
с уменьшением их относительной
молекулярной массы (табл. 2).
ТАБЛИЦА 2
ПРИМЕРНЫЙ СОСТАВ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Компонент Формула Объёмная доля, %
Метан CH4 88—95
Этан C2H6 00
1
СО
Пропан СзН8 0
1
to
0
Бутан С4Н10 0
to
1
о
Пентан С5Н12 0,03—0,5
Углекислый газ CO2 0,6—2,0
Азот N2 0
со
1
СО
О
Гелий Не 0,01—0,5
При сгорании предельных углеводородов выделяется большое ко¬личество теплоты, поэтому природный газ служит самым эффектив¬ным и дешёвым топливом для тепловых электростанций, котельных установок, доменных и стекловаренных печей. Пропан-бутановая фракция природного газа в сжиженном виде используется как быто¬вое топливо и топливо для карбюраторных двигателей автомобилей. Кроме того, при полном сгорании алканов воздух практически не за¬грязняется вредными выбросами, поскольку продуктами их горения являются углекислый газ и водяной пар. В этом нетрудно убедиться, если записать уравнения реакций горения алканов, например метана:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q.

Природный газ — это не только высокоэффективное топливо, но и важное сырьё для химической промышленности. Перед вами схема различных вариантов промышленной переработки природного газа.
САЖА. СИНТЕЗ-ГАЗ. При полном разложении метана, основного ком¬понента природного газа, образуются водород и сажа. Около 90% всей получаемой сажи использует резинотехническая промышленность. Резиновые изделия, автомобильные покрышки и камеры имеют чёр¬ный цвет именно потому, что в качестве наполнителя в них добавляют сажу. Кроме того, это вещество входит в состав типографских красок, некоторых типов батареек.
При взаимодействии метана с перегретым водяным паром образует¬ся смесь газов — оксида углерода (II) и водорода в соотношении 1 : 3. Эту смесь называют синтез-газом:
CH4 + H2O —CO + 3H2.
Синтез-газ используется для получения синтетического бензина — смеси предельных углеводородов, содержащих от 6 до 12 атомов угле¬рода в молекуле. Такой бензин называется газовым, он используется в качестве основы низкосортного автомобильного топлива. Кроме того, синтез-газ используется для получения кислородсодержащих органи-ческих веществ, в частности метилового спирта:
CO + 2H2 CH3OH.
ЭТИЛЕН. Второй представитель алканов — этан является сырьём для получения ценного газообразного вещества — этилена. У вас сразу возникла ассоциация: полиэтилен. Абсолютно верно: этилен действи¬тельно является сырьём для получения этой ценной пластмассы, с ко¬торой вы будете знакомиться при изучении полимеров. Покажем, как из этана получается этилен. Для этого сравните формулы первого (C2H6) и второго (C2H4) газов. Очевидно, чтобы из этана получить эти¬лен, нужно из каждой его молекулы отнять два атома (молекулу) водо¬рода, или, как говорят в химии, провести реакцию дегидрирования:
C2H C2H4 + H2.

Обратите внимание, что в молекуле этилена все четыре валентнос¬ти атомов углерода задействованы по-разному: три связаны с други¬ми атомами, а четвёртая образует ещё одну связь между атомами угле¬рода:
Сокращённая структурная формула этилена CH2=CH2 показывает, что его молекула содержит двойную связь, а потому этот углеводород относится к непредельным углеводородам.
БИОГАЗ. В последнее время всё большее внимание привлекают нетра¬диционные с технической точки зрения источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и многое другое. Некоторые из них, на¬пример ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение. Одним из забытых видов сырья являет-ся и биогаз, использовавшийся ещё в Древнем Китае и вновь «откры¬тый» в наше время.
Все природные источники углеводородного сырья, в том числе при¬родный газ, имеют органическое происхождение. Нельзя ли использо¬вать современные растительные и животные остатки для производства газообразных алканов сегодня, не дожидаясь результатов труда ма¬тушки-природы? Оказывается, это вполне возможно и в значительных масштабах уже используется во многих странах. Газ, полученный та¬ким способом, и называется биогазом.
На заводах по производству биогаза в качестве сырья используются отходы животного и растительного происхождения — навоз, пищевые отходы, растительные массы, ботва. В генераторах-ферментёрах эти отходы перегнивают под действием анаэробных бактерий.
В отличие от природного газа биогаз содержит значительные коли¬чества оксида углерода (IV) — от 25 до 50%. Однако основным его ком¬понентом, как и в природном газе, является метан. Биогаз можно ис¬пользовать непосредственно для отопления жилищ, приготовления пищи или получения электроэнергии с помощью электрогенератора. Отходы после получения биогаза имеют высокое содержание азота и могут использоваться в качестве высокоэффективных, экологически безопасных удобрений.
Поскольку разложение органических отходов происходит за счёт деятельности определённых типов бактерий, существенное влияние на процесс получения биогаза оказывает окружающая среда. Так, ко¬личество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации
H H
H—C—C—H H—C=C—H + H2.
H H
H H

органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с тёплым климатом. Одна¬ко применение надёжной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20 °С. Существуют определённые требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое ве¬щество и в большом количестве — воду (90—94%). Желательно, что¬бы среда была нейтральной и без примеси веществ, мешающих дей¬ствию бактерий, например мыла, стиральных порошков, антибиоти¬ков. В среднем из 1 кг органического вещества при производстве биогаза получается 250 л метана, 160 л углекислого газа, 200 г воды и 300 г неразложимого остатка.
ЗАПАСЫ ПРИРОДНОГО ГАЗА В РОССИИ. В России находится почти 40% мировых запасов природного газа. Уникальные месторождения расположены на севере в Ямало-Ненецком автономном округе, а так¬же на шельфах арктических морей. Всего в России более 12 нефтегазо¬носных регионов, занимающих почти половину территории страны (см. рис. 34). Запасы газа значительно больше, чем нефти. По оценкам специалистов на сегодняшний день добыто только около 5% мировых запасов голубого топлива.
Затраты на добычу и транспортировку природного газа постепенно возрастают. Это связано с исчерпанием его запасов в старых месторож¬дениях, необходимостью вкладывать средства в разведку новых. Да и запасы природного сырья на Земле не безграничны.
Далее поговорим подробно о другом ценном полезном ископаемом — нефти и способах её переработки.
Теперь вы знаете
► каковы состав и основные свойства алканов
► состав природного газа
► каковы запасы природного газа в России
► что такое биогаз и как он используется
Теперь вы можете
► объяснить, что такое алканы, и перечислить их основные свойства
► дать характеристику природного газа, его состава и количественного со¬держания его компонентов
► назвать области применения сажи, синтез-газа, этилена, природного газа, биогаза

© Выполните задания
1. Определите, чем отличаются предельные углеводороды от непредель¬ных.
2. Назовите первых трёх представителей ряда алканов, напишите их раз¬вёрнутые и сокращённые формулы.
3. Объясните, в чём преимущество газообразного топлива перед другими видами топлива.
4. Перечислите химические свойства метана, которые лежат в основе его применения, ответ проиллюстрируйте уравнениями соответствующих ре¬акций.
5. Приведённую в параграфе схему вариантов промышленной переработки природного газа дополните короткими сообщениями и уравнениями ре¬акций.
Темы для рефератов
1. Топливо и его виды. 2. Биогаз, его производство и применение. 3. Южный и Северный потоки: проблемы и перспективы. 4. Роль России в мировой до¬быче и транспортировке газа.
8 . Жидкие вещества. Нефть
V
1. Перечислите основные нефтяные месторождения мира и России, пока-
жите их на карте.
2. Объясните, почему нефть называют чёрным золотом.
3. Расскажите, что вы знаете об экологической катастрофе 2010 г. в Мек-
сиканском заливе, каковы её причины и последствия.
\
ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ. Из жидких веществ наиболее зна-
чимой в энергетическом отношении природной жидкостью является
нефть.
Нефть — это горючая маслянистая жидкость, распространённая
в осадочной оболочке Земли, важнейшее полезное ископаемое.
Давным-давно, около 200 млн лет назад, в толще Земли образова-
лись залежи нефти. Её происхождение — одна из сокровенных тайн
природы. Некоторые видные учёные, в числе которых был и Д. И. Мен-
делеев, придерживались неорганической теории происхождения неф-

ти. Другие считали, что чёрное золото Земли представляет собой про-
дукт разложения живых организмов. Современная наука имеет веские
доказательства, что в доисторические времена микроскопические мор-
ские растения и животные оказались погребёнными под толщей оса-
дочных пород, образовавшихся
на дне морей. Там органические
вещества в отсутствие кислоро-
да воздуха подвергались воздей-
ствию высоких температур и
давления, что привело к их раз-
ложению и образованию нефти
и газа.
Нефть известна человеку с
глубокой древности. В Персии
жрецы для священного огня до-
бывали её из колодцев. Места,
где добывалась нефть, тщательно охранялись от посторонних и назы¬вались nephtai или nephtoi, отсюда, как полагают, и произошло пер¬сидское слово «нефть».
И бил фонтан, и рассыпался искрами, При свете их я Бога увидал:
По пояс голый, он с двумя канистрами Холодный душ из нефти принимал.
И ожила земля, и помню ночью я На той земле танцующих людей…
Я счастлив, что, превысив полномочия, Мы взяли риск — и вскрыли вены ей!
В. Высоцкий
\
ВИДЫ И СВОЙСТВА НЕФТИ. Нефть принято называть чёрным золотом.
Однако она бывает не только чёр-
ной, но и белой. Огромные запасы
такой нефти обнаружены по при-
току Оби — Васюгану. Здесь из бу-
ровых скважин (рис. 32) подни-
мается бесцветная жидкость, со-
стоящая практически из чистого
бензина. Химики установили,
что из белой нефти можно прос-
то и дёшево получать высокока-
чественный каучук, различные
спирты, ароматические углеводо-
роды и многие другие продукты.
Нефть залегает в недрах Зем-
ли, где она занимает свободное
пространство между породами.
Как выглядит нефть, вы хоро-
шо знаете. Это маслянистая жид-
кость тёмно-бурого, почти чёрно-
го цвета, практически не раство-
римая в воде. Поскольку нефть
легче воды, она всплывает и мо-
жет растекаться по её поверхно-

сти очень тонким слоем. Один
литр нефти образует нефтяную
плёнку площадью с футбольное
поле! Толщина такой плёнки срав-
нима с длиной волны видимого
излучения, поэтому в результате
преломления света нефтяное пят-
но переливается всеми цветами
радуги. Вот только последствия
таких разливов отнюдь не радуж-
ные, это настоящие экологиче-
ские катастрофы. Нефтяная плён-
ка не позволяет растворяться в
воде кислороду воздуха, необхо-
димому для дыхания обитателей
вод. Гибнут водоплавающие пти-
цы, перья которых покрываются несмываемым маслянистым налё-
том. Прибитые к берегу волной и ветром, нефтяные разливы загрязня-
ют сотни километров береговой полосы.
Но нет ничего страшнее нефти горящей. Она горит даже на поверх¬ности воды, и, естественно, потушить её водой невозможно. Огненное пекло, чёрный дым, сотни токсичных продуктов горения превращают нефтяной пожар в настоящий ад (рис. 33).
Почему же люди не договорятся прекратить добычу и использова¬ние нефти как источника повышенной опасности для человечества? К сожалению, в ближайшей перспективе сделать это невозможно, по¬скольку нефть — важнейший природный источник углеводородов, ко¬торые используются и как разнообразные виды топлива, и как бога¬тейшее химическое сырьё.
СОСТАВ НЕФТИ. РЕКТИФИКАЦИЯ. Нефть — это настоящий природный коктейль, в каждой капле которого присутствует более 900 различных соединений! Её главная составная часть — это предельные углеводоро¬ды, содержащие от 6 до 50 атомов углерода в молекуле.
Необработанную нефть называют сырой, практически вся она по¬ступает на переработку. Вначале из неё удаляют растворённые попут¬ные газы, а также парафин, а затем отправляют на фракционную пере¬гонку, или ректификацию.
Ректификацией (перегонкой) называют разделение жидких смесей на фракции, или отдельные компоненты, на основании раз¬личия в их температуре кипения.

Поскольку нефть представляет
собой сложную смесь различных
веществ, она не имеет определён-
ной температуры кипения. При
нагревании из нефти начинают
выкипать компоненты в порядке
увеличения их температуры ки-
пения. Это даёт возможность раз-
делить нефть на отдельные фрак-
ции, представляющие собой смесь
близких по температуре кипения
веществ.
Процесс ректификации проис-
ходит на специальных установ-
ках, называемых ректификационными колоннами (рис. 34). Нефть
подают в нижнюю часть колонны и нагревают до температуры 340—
360 °С. Выкипающие газообразные углеводороды поднимаются по ко-
лонне вверх, постепенно остывая. При охлаждении до температуры
кипения пары вещества конденсируются, превращаясь в жидкость, на
горизонтальных перегородках колонны — тарелках. Чем выше распо-
ложена тарелка, тем ниже температура кипения находящихся на ней
жидких продуктов разделения нефти. Удаляя жидкость с определён-
ных тарелок, получают отдельную нефтяную фракцию, кипящую в не-
котором интервале температур.
НЕФТЕПРОДУКТЫ. Характеристики типичных фракций перегонки нефти приведены в таблице 3.
ТАБЛИЦА 3
ФРАКЦИИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ НЕФТИ
Фракция Температура кипения, °С Число атомов углерода в молекуле
Углеводородный газ < 20 3—4
Бензин 20—200 5—12
Лигроин 150—250 8—14
Керосин 180—300 12—18
Газойль (дизельное топливо) 275—400 17—22
Мазут > 400 > 20
Бензин используется в качестве топлива для двигателей внутренне¬го сгорания автомобилей, лигроин — горючее для тракторов и сырьё для нефтехимических производств. На керосине летают современные реактивные самолёты. Газойль (или дизельное топливо) — это горючее
Рис. 34. Ректификационные колонны на нефтеперерабатывающем заводе

для дизельных двигателей теплоходов, тепловозов и большегрузных автомобилей.
Мазут — тёмная вязкая жидкость, остаток после перегонки нефти. Часть его используется как топливо для тепловых электростанций и котельных. Основное количество подвергается повторной ректифика¬ции, но уже при меньшем давлении. Почему? Вы знаете, что с умень¬шением давления температура кипения жидкостей понижается. По¬скольку мазут составляют высококипящие органические вещества, их ректификация потребовала бы создания высоких температур. Во-пер¬вых, это дорого, во-вторых, многие соединения разлагаются при таком воздействии. Поэтому ректификацию мазута проводят в вакууме, по¬лучая при этом всевозможные смазочные материалы, называемые ми¬неральными маслами. Остаток после перегонки мазута — гудрон — используется для получения битума и асфальта, применяемых в до¬рожном строительстве.
Самая ценная фракция, получаемая при ректификации нефти, — это бензин. Однако из тонны сырой нефти можно получить не более 200 кг бензина. Поэтому часть нефтяных фракций, например лигроин и керосин, отправляют на дальнейшую переработку, в результате ко¬торой получают дополнительное количество бензина, а также другие важные продукты.
Если вы спросите, относится ли ректификация нефти к химиче¬ским явлениям, то ответ будет очевиден: нет. Потому что в процессе перегонки не наблюдается химических превращений одних веществ в другие, разделение происходит на основе физических явлений — ис¬парения и конденсации веществ. А вот вторичная переработка нефте-продуктов уже сопровождается химическими реакциями.
КРЕКИНГ. Одним из таких процессов (вторичной переработки нефте¬продуктов) является крекинг.
Крекингом называется процесс пере-
работки нефтепродуктов при повышен-
ных температуре и давлении с целью полу-
чения продуктов с меньшей молекулярной
массой.
Термин «крекинг» произошёл от анг-
лийского слова cracking, что в переводе озна-
чает «расщепление». Вместе с тем промыш-
ленный крекинг был впервые осуществлён
русским инженером В. Г. Шуховым (1853—
1939) в 1891 г. Основной реакцией процесса
является разрыв углерод-углеродной связи

млн т 400
300
200
100
В Добыча Н Переработка
1998 2000 2010 2020
Рис. 35. Объём добычи и переработки нефти в России в 1998—2020 гг.
C—C исходного предельного углеводорода с образованием углеводоро¬дов с меньшей длиной углеродной цепи. Например, углеводороды ке¬росиновой фракции перегонки нефти превращаются при этом в компо¬ненты бензина.
МИРОВЫЕ ЗАПАСЫ НЕФТИ И ЕЁ ДОБЫЧА В РОССИИ И ДРУГИХ СТРА¬НАХ. Нефтегазовая отрасль даёт около половины доходов в казну Рос¬сии. Доля нефтяного (рис. 35) и газового добывающего сектора в ВВП составляет 20%. В отрасли работает около 1,5 млн человек — 1% всего населения страны. Всего в России по состоянию на 2012 г. работало бо¬лее 30 нефтеперерабатывающих заводов.
Стоимость нефти постоянно колеблется: то растёт, то падает. Госу¬дарственный бюджет Российской Федерации в немалой степени зави¬сит от мировых цен на нефть.
Сведения о мировых запасах нефти значительно разнятся. Некото¬рые специалисты считают, что из недр Земли добыто 16% от её потен¬циала, ещё 17% разведано (около 15 млрд т), а остальные месторожде¬ния перспективные, т. е. ещё не открытые. На 2004 г. мировые разве¬данные запасы составляли 210 млрд т, добыча нефти по странам в 2009 г. показана на диаграмме (рис. 36). Нефтяные компании имеют в своём распоряжении порядка 14 млрд т запасов нефти — примерно 14% от мирового объёма. Специалисты полагают, что при нынешних темпах добычи и потребления нефти этих запасов хватит на 50 лет. Но разведка новых месторождений продолжается, к тому же уже отработанные месторождения через некоторое время снова начинают давать достаточно много чёрного золота. Оптимисты надеются, что при рациональной эксплуатации месторождений, открытии новых и пол-

Прочие — 1182,5 млн
Кувейт —
99,8 млн т; 3%
Норвегия — 100,5 млн т; 3%
Венесуэла —
107.7 млн т; 3% ОАЭ —
112.7 млн т; 3%
Россия —
494,2 млн т; 14%,
в т. ч. Ханты-Мансийский
автономный округ —
270,6 млн т; 7,7%
Саудовская Аравия ■ 393,2 млн т; 11%
Ирак —
119,1 млн т; 3%
Канада —
125,6 млн т; 4%
США —
264.9 млн т; 8%
Китай —
187.3 млн т; 5%
Иран —
184.9 млн т; 5% Мексика —
129.3 млн т; 4%
Рис. 36. Добыча нефти в мире в 2009 г.
ном использовании уже разработанных обеспечить нефтью можно бу¬дет пять грядущих поколений. Кроме того, необходимо увеличивать так называемый коэффициент извлечения нефти. В настоящее время экономически наиболее выгодно извлекать только первые 28—30% нефти одного месторождения, однако эту величину нужно доводить по крайней мере до 50%.
Как ни странно, экономически более выгодно экспортировать нефть за рубеж танкерами, а не по трубопроводам. В этом случае возможно продавать сырьё по ценам, устанавливаемым на рынке на конкретный день или даже время суток.
Своеобразным переходом от жидкого к твёрдому кри-сталлическому состоянию вещества являются жид¬кие кристаллы, о которых речь пойдёт в следующем параграфе.

Теперь вы знаете
У что представляет собой нефть У состав нефти
У каковы мировые запасы нефти и её добыча в России и других странах
Теперь вы можете
У охарактеризовать основные свойства и состав нефти У объяснить, что такое ректификация и крекинг У перечислить фракции, получаемые при перегонке нефти У рассказать о мировых запасах и добыче нефти в России и других странах
Выполните задания
1. Назовите разные точки зрения на происхождение нефти.
2. Объясните, на каких свойствах нефти основана её перегонка и как ис¬пользуют нефтепродукты.
3. Приведите примеры известных вам международных вооружённых кон¬фликтов, которые связаны с контролем над источниками нефти.
4. Дайте сравнительную характеристику процессов ректификации и кре¬кинга.
5. Оцените, какое экономическое значение имеет добыча нефти для бюд¬жета России, какова её доля в мировой добыче. Ответ проиллюстрируйте цифрами.
Темы для рефератов
1. Роль нефти в развитии человеческой цивилизации (от Древнего мира до на¬ших дней). 2. Значение России в мировой системе добычи и транспортировки нефти. 3. И. М. Губкин — основатель советской нефтяной геологии. 4. Нефтя¬ной кризис 1973 г. — крупнейший энергетический кризис, его причины и по¬следствия.

. Твёрдое состояние вещества. Жидкие кристаллы
V
1. Подберите синонимы к слову «аморфный», придумайте словосочета¬ния с ними.
2. Назовите соборы в Москве, в интерьере которых есть витражи, и круп¬нейший православный храм Санкт-Петербурга, украшенный мозаи¬ками.
3. Перечислите химические элементы из таблицы Менделеева, которые обладают пограничными свойствами.
4. Объясните, какие предметы и приборы современного быта ассоцииру¬ются у вас со словами «жидкие кристаллы».
\
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА. Твёрдое состояние веще¬ства по своему строению и свойствам подразделяют на кристалличе¬ское и аморфное.
Атомы, молекулы или ионы твёрдых кристаллических веществ, в отличие от жидкостей и газов, занимают строго определённое место в пространстве, которое, как вы знаете, называется узлом. Если соеди¬нить узлы, в которых находятся частицы твёрдого вещества, вообра¬жаемыми линиями, то получится правильная пространственная ре¬шётка, называемая кристаллической. Вы уже знаете четыре типа кри¬сталлических решёток: ионные, атомные, молекулярные и металличе¬ские, — можете назвать физические свойства веществ с этими типами решёток, которые заметно различаются. Однако у всех кристалличе¬ских веществ есть общее свойство: каждое из них имеет свою, строго определённую температуру плавления.
АМОРФНОСТЬ, ЕЁ ПРИЗНАКИ И СВОЙСТВА. А что же такое аморфное состояние вещества? «Аморфный» в переводе с греческого означает «бесформенный», т. е. в аморфных веществах образующие его части¬цы не имеют определённого расположения по всему объёму, как в кри¬сталле. Частицы, образующие аморфное вещество, расположены бес¬порядочно, и только ближние атомы или молекулы-соседи располага¬ются в относительном порядке. Поэтому аморфным называют такое состояние твёрдых веществ, при котором они, подобно веществам, на¬ходящимся в кристаллическом состоянии, какое-то время сохраняют свою форму, но при определённых условиях эта форма изменяется, что сближает их с жидкостями. Например, восковая свеча, поставленная

вертикально, через некоторое время утолщается внизу. Попробуйте
проделать нечто подобное с обыкновенной жевательной резинкой или
кусочком пластилина. Результат будет таким же. По мере повышения
температуры процесс размягчения ускоряется. Определённой темпера-
туры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
Помните у Пушкина: «Вода и камень, лёд и пламень»? Камень у по-
эта — символ твёрдости. Вы, разумеется, сможете назвать причину
этого свойства камня. Он, как кусочек горной породы, состоит пре-
имущественно из оксида кремния (IV), который имеет атомную кри-
сталлическую решётку, а отсюда и большую твёрдость. Так ли всё про-
сто в химическом мире? Оказывается, оксид кремния может быть не
только кристаллическим твёрдым веществом, но и аморфным. В зави-
симости от условий затвердевания расплава (например, в зависимости
от условий его охлаждения) в аморфном состоянии могут оказаться та-
кие вещества, которые в обычном состоянии имеют кристаллическую
структуру. Так, если расплавить кристалл кварца — оксида крем-
ния (IV), то при его быстром охлаждении образуется плавленый
аморфный кварц, который имеет меньшую плотность, чем кристалли-
ческий. Аморфный кварц широко используется для изготовления раз-
личных изделий, в том числе лабораторной посуды.
Аморфное состояние веществ неустойчиво, и рано или поздно оно
переходит в кристаллическое. Например, в аморфном стекле под влия-
нием ударных нагрузок образуются мелкие кристаллы, и стекло мут-
неет. Застывший твёрдый мёд засахаривается так же, как засахарива-
ется при длительном хранении стекловидная
карамель.
Пластическая сера (рис. 37), представляю-
щая собой вещество в аморфном состоянии,
через некоторое время превращается в кри-
сталлическую ромбическую серу с молекуляр-
ной решёткой.
Таким образом, вещества в аморфном состо-
янии с точки зрения их структуры можно
рассматривать как очень вязкие жидкости,
а с точки зрения их свойств — как твёрдые
вещества.
Аморфное и кристаллическое состояния ве-
щества, являясь двумя крайними полюсами
твёрдого состояния, тем не менее могут встре-
чаться одновременно у одного и того же веще-
ства. Многие полимеры, представляя собой в
целом аморфные вещества, вместе с тем имеют
участки кристаллической структуры. Этим
определяется, например, высокая прочность
полипропиленового и капронового волокон.

Рис. 38. Один из витражей собора Сент-Этьен в Меце (Франция). XIII в.
Рис. 39. Светильник из световодов, вы-полненных из тонких нитей плексигласа
Слово «аморфный» содержит в себе негативный оттенок. Однако это справедливо для характеристики личностных качеств человека. В мире химических веществ и материалов всё наоборот. Именно аморфные вещества являются нам в матовости драгоценного жемчуга, в медовом свечении янтаря, в скромном обаянии полудрагоценных опа¬ла и халцедона, в волшебном многоцветии витражей и мозаик (рис. 38), в изумительной игре света хрусталя и блеске зеркальных витрин.
Аморфность — ценное качество полимеров, так как оно обусловли¬вает такое их технологическое свойство, как термопластичность. Именно благодаря термопластичности полимер можно вытянуть в тон¬чайшую нить (рис. 39), превратить в прозрачную плёнку или отлить в изделие самой замысловатой формы.
ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ И УСЛОВНОСТЬ В ХИМИИ. Существование аморф¬ных тел ещё раз доказывает философскую истину, что всё в мире отно¬сительно… Давайте посмотрим на пройденный материал под этим углом зрения.
Утверждение о том, что деление элементов на металлы и неметаллы универсально, является относительным, так как целый ряд элементов обладает пограничными свойствами — это и германий, и олово, и сурьма.
Один из наиболее ярких примеров относительности — двойственное положение водорода в Периодической системе (табл. 4). Каждому эле¬менту там отведено строго определённое зарядом атомного ядра место¬положение. И единственный элемент, которому в таблице Менделеева отведено два места, причём в резко противоположных группах (ще¬лочных металлов и галогенов), — это водород.

ТАБЛИЦА 4
ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Форма существо¬вания водорода как элемента Признаки сходства
с щелочными металлами с галогенами
Атомы Имеет на внешнем, и един¬ственном, электронном слое 1 электрон и относится к s-элементам, поэтому про¬являет восстановительные свойства До завершения внешнего, и единственного, электрон¬ного слоя не хватает элек¬трона, поэтому проявляет окислительные свойства
Простые веще¬ства Получен металлический водород с соответствующей металлической кристалли¬ческой решёткой и элек-тронной проводимостью При обычных условиях H2 — газ, подобно фтору и хлору, имеет двухатомную молекулу за счёт ковалент¬ной химической связи
Сложные веще¬ства В подавляющем большин¬стве соединений у водорода
степень окисления +1 (на- +1 -1
пример, HCl) С некоторыми металлами образует твёрдые солеподоб¬ные вещества часто ионного типа — гидриды, в которых
имеет степень окисления -1
+2 -1
(например, CaH2)
Деление химической связи на типы носит условный характер, так как все эти типы характеризуются определённым единством.
Ионную связь можно рассматривать как предельный случай кова¬лентной полярной связи. Металлическая связь совмещает ковалент¬ное взаимодействие атомов с помощью обобществлённых электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и ионами металлов.
В веществах часто отсутствуют предельные случаи химической свя¬зи (или чистые химические связи). Например, фторид лития LiF отно¬сят к ионным соединениям. Фактически же в нём связь на 80% ионная и на 20% ковалентная. Правильнее поэтому, очевидно, говорить о сте¬пени полярности (ионности) химической связи.
Различные типы связей могут быть у одних и тех же веществ, например:
• в основаниях: между атомами кислорода и водорода в гидроксо- группах связь ковалентная полярная, а между металлом и гидроксо- группой — ионная;
• в солях кислородсодержащих кислот: между атомами неметалла и кислородом кислотного остатка — ковалентная полярная связь, а между металлом и кислотным остатком — ионная;

• в солях аммония: между атомами азота и водорода — ковалентная полярная связь, а между ионами аммония и кислотным остатком — ионная;
• в пероксидах металлов (например, Na2O2): связь между атома¬ми кислорода ковалентная неполярная, а между металлом и кислоро¬дом — ионная.
Также различные типы связей могут переходить одна в другую:
• при электролитической диссоциации в воде ковалентных соедине¬ний ковалентная полярная связь превращается в ионную;
• при испарении металлов металлическая связь превращается в ко¬валентную неполярную и т. д.
Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая физическая природа — электронно-ядерное взаимо¬действие, сопровождающееся выделением энергии.
Относительна взаимообусловленность физических свойств веществ и типа их кристаллической решётки. Так, например, немало веществ с атомной кристаллической решёткой, отнюдь не характеризующихся твёрдостью (графит, красный фосфор). И другой вариант: не тугоплав¬ки некоторые вещества с ионной кристаллической решёткой (легко-плавки селитры — нитраты щелочных металлов).
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ. Относительно и деление веществ на типы по их агрегатному состоянию. Об этом свидетельствуют так называемые жидкие кристаллы.
Жидкими кристаллами называются вещества, которые одновременно обладают свойствами жидкости (текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии) и твёрдого кристаллического вещества (анизотропией, т. е. зависимостью физических свойств — механических, тепловых, электрических и др. — от направления).
В настоящее время науке известно несколько тысяч веществ, обра¬зующих жидкие кристаллы. Жидкокристаллическое состояние при¬суще таким соединениям, молекулы которых имеют удлинённую, ли¬нейную форму. Для них направление осей молекул упорядоченно, т. е. сохраняется порядок во всём объёме по одному из трёх направлений пространства. Центры же масс молекул расположены беспорядочно.
В зависимости от того, как ориентируются молекулы в простран¬стве, различают три основных типа жидких кристаллов. В кристаллах первого типа оси молекул параллельны, а сами молекулы сдвинуты относительно друг друга на произвольные расстояния в направлении своих осей. В кристаллах второго типа молекулы параллельны друг другу и расположены слоями. Для кристаллов третьего типа харак-

терно закручивание молекул в перпендикулярном направлении от
слоя к слою.
Особенности строения обусловливают свойства жидких кристал-
лов. Так, возможностью хаотического поступательного движения мо-
лекул объясняется текучесть, а их упорядоченным расположением —
анизотропия таких физических свойств, как упругость, электропро-
водность, диэлектрическая и магнитная проницаемость и др.
Изучение жидких кристаллов показало, что их свойства изменяют-
ся в зависимости от температуры, длины волны внешнего излучения,
механической деформации, электрического и магнитного полей. Это
определяет возможность их широкого применения в системах хране-
ния и обработки информации, в индикаторах и т. п.
Одним из свойств жидких кристаллов, нашедших широкое приме-
нение, является изменение цвета в зависимости от температуры. Это
свойство позволяет использовать их для выявления структурных де-
фектов непрозрачных объектов: благодаря неодинаковой теплопрово-
дности дефекты вызывают различные цветовые эффекты в плёнке
жидкого кристалла.
На основе жидких кристаллов разработаны приборы, позволяющие
изменять падающий световой поток, — модуляторы. Модулятор состо-
ит из плёнки жидкого кристалла, расположенной между прозрачны-
ми электродами, и диафрагмы, роль которой может играть оправа чув-
ствительного слоя приёмника.
Напряжение, подаваемое на жидкий кристалл, изменяет степень
рассеяния им падающего света; при этом коэффициент рассеяния в не-
которых пределах линейно зависит от напряжения. Изменяя опреде-
лённым образом напряжение, можно изменить прозрачность слоя
жидкого кристалла и соответственно поток проходящего излучения.
Жидкие кристаллы, оптические свойства
которых изменяются под действием электри-
ческого поля, используются в цифровых инди-
каторах (часы, калькуляторы, весы и т. п.
(рис. 40). Принцип работы таких индикато-
ров следующий. Жидкокристаллическое ве-
щество помещается между чёрной металличе-
ской пластиной и тонкой, прозрачной для
света металлической плёнкой, нанесённой
на покровное стекло. Чёрная металлическая
пластина и тонкая плёнка образуют конденса-
тор. Если на его обкладках напряжения нет,
то свет проходит через жидкий кристалл и по-
глощается чёрной пластиной. Циферблат вы-
глядит чёрным. Если к обкладкам конденса-
тора приложено напряжение, то жидкий кри-
сталл рассеивает свет и становится непрозрач-
[■ЧН}
Рис. 40. Весы торговые с жидкокристаллическим дисплеем

ным. В этом случае циферблат
будет светиться в тех местах, где
создано электрическое поле. Если
верхняя плёнка имеет форму
цифры, то и область свечения по-
лучится в виде цифры. От созда-
ния первых индикаторов прошло
всего лишь несколько лет, как
мы увидели телевизоры (рис. 41)
с жидкокристаллическим экра-
ном. Изображение на экране та-
кого телевизора высокого каче-
ства, а электроэнергии он потреб-
ляет меньше, чем обычный.
Жидкие кристаллы играют большую роль в жизнедеятельности че¬ловеческого организма. Так, белок, входящий в состав мышечной тка¬ни, обладает способностью образовывать жидкие кристаллы. Волокна гладких и поперечно-полосатых мышц имеют структуру жидкого кри¬сталла, благодаря чему могут растягиваться и сжиматься, не разру-шаясь. Вещество коллаген, содержащееся в опорных тканях (костях, сухожилиях) и в мозге, также близко по структуре к жидким кристал¬лам. Мозг человека по своей природе представляет сложную жидко¬кристаллическую систему. В белом веществе мозга и проводящих пу¬тях нервной системы жидкие кристаллы играют роль диэлектриков.
Форма жидких кристаллов наиболее удобна для протекания биоло¬гических процессов. Она соединяет в себе устойчивость к внешним воздействиям с необычайной пластичностью, гибкостью. Жидко¬кристаллические волокнистые образования обладают значитель¬ной прочностью, что необходимо для опорных тканей. Помимо этого, жидкокристаллическое состояние очень чувствительно ко всем вну¬триклеточным процессам. Это объясняет, почему жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки.
ПРИМЕРЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В БИОЛОГИИ И ФИЗИКЕ. Огромное ко¬личество примеров относительности явлений можно привести из био¬логии. Вспомним лишь некоторые примеры из курса естествознания 10 класса. Например, вирусы — своеобразный мостик между живой и неживой природой. Они имеют свойства живых организмов, лишь попадая в клетку. Подобно живым организмам, вирусы, зацепившись за оболочку клетки, растворяют её и впрыскивают в клетку свою ну¬клеиновую кислоту. Эта РНК или ДНК заставляет клетку-хозяина производить многочисленные копии вируса. Вне клетки вирусы пред¬ставляют собой кристаллические вещества, напоминая объекты нежи¬вой природы.
Рис. 41. Телевизор с жидкокристаллическим экраном

Другой пример связан с эвгленой зелёной. Она иллюстрирует отно¬сительность принадлежности простейших к животным, потому что, подобно растениям, содержит хлоропласты и на свету, как и растения, способна синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды, т. е. осуществлять фотосинтез.
Замечательной физической иллюстрацией относительности явле¬ний служит теория, которая так и называется — теория относительно¬сти А. Эйнштейна (1879—1955).
Мы привели всего лишь некоторые примеры относительности из ряда ключевых естественно-научных понятий. Это должно убедить вас в том, что в окружающем нас мире не так много абсолютных истин, что этот мир нарисован не только чёрной и белой красками, он много¬лик, многоцветен и бесконечно прекрасен.
Следующий параграф будет посвящён классифика¬ции и описанию свойств органических и неорганиче¬ских веществ, а также доказательствам относитель¬ности приведённой классификации.
Теперь вы знаете
У что такое кристаллическое состояние вещества У что такое аморфность, её признаки и свойства У в чём заключается относительность и условность в химии У что представляют собой жидкие кристаллы
Теперь вы можете
У объяснить, в чём суть аморфного состояния твёрдых веществ, перечис¬лить известные вам аморфные вещества и указать область их приме¬нения
У проиллюстрировать наиболее яркими примерами из химии, биологии и физики относительность явлений
У назвать свойства жидких кристаллов и причины, по которым эти свойства изменяются
У описать, какую роль играют жидкие кристаллы в жизнедеятельности че¬ловеческого организма
Выполните задания
1. Дайте характеристику аморфных веществ, объясните, что у них общего с жидкостями и кристаллами.

2. Сформулируйте, что доказывает двойственное положение водорода в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и по¬чему деление химической связи на типы носит условный характер.
3. Опишите, что представляют собой жидкие кристаллы, перечислите их типы и области применения.
Темы для рефератов
1. История стекла в человеческой цивилизации. 2. Искусственные полимеры: взгляд в будущее. 3. От принципа относительности Г. Галилея — к теории от¬носительности А. Эйнштейна. 4. Жидкие кристаллы и человеческий организм.
5. История открытия жидких кристаллов.
w . Классификация неорганических
веществ и её относительность
\
1. Объясните, что такое классификация. Приведите примеры классифика-
ций из биологии, астрономии, математики, других наук.
2. Назовите классы простых и сложных веществ, принятые в неорганиче-
ской химии.
\
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. Философская истина «Всё в нашем мире относительно» — справедлива и для клас¬сификации веществ и их свойств. Великое многообразие веществ во Вселенной и на нашей планете состоит всего лишь из 90 химических элементов. В природе встречаются вещества, построенные элементами с порядковыми номерами с 1-го по 91-й включительно. Элемент 43-й — технеций — в настоящее время на Земле в природе не обнаружен, так как не имеет стабильных изотопов. Он был получен искусственно в ре¬зультате ядерной реакции. Отсюда и название элемента: от греческого technetos — «искусственный».
Все земные природные химические вещества, построенные из 90 элементов, можно разделить на два больших типа — неорганиче¬ские и органические.
Органическими веществами называют соединения углерода, за исключением простейших — оксидов углерода, карбидов метал¬лов, угольной кислоты и её солей; все остальные вещества отно¬сятся к неорганическим.

Органических веществ насчитывается более 27 млн — гораздо боль¬ше, чем неорганических, число которых, по самым оптимистическим подсчётам, не превышает 400 тыс. О причинах многообразия органи¬ческих соединений мы поговорим чуть позже, а пока отметим, что рез¬кой границы между двумя этими группами веществ не существует. Например, соль изоцианат аммония NH4NCO считается неорганиче¬ским соединением, мочевина (NH2)2CO, имеющая точно такой же эле¬ментный состав N2H4CO, — вещество органическое.
Вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но раз¬ное химическое строение, а потому и разные свойства, называют¬ся изомерами.
Например, формулу C2H6O имеют два химических вещества — ди- метиловый эфир и этиловый спирт.
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. Неорганические веще¬ства принято делить на два подтипа — простые и сложные. Как вы уже знаете, простыми называют вещества, состоящие из атомов одно¬го химического элемента, а сложные — из двух и более химических элементов.
Казалось бы, число простых веществ должно совпадать с числом хи¬мических элементов. Однако это не так. Дело в том, что атомы одного и того же химического элемента могут образовывать не одно, а не¬сколько различных простых веществ. Такое явление, как вы уже знае¬те, называют аллотропией. Причинами аллотропии может быть раз¬ное число атомов в молекуле (например, аллотропные модификации элемента кислорода — кислород O2 и озон O3), а также различное стро¬ение кристаллической решётки твёрдого вещества (например, уже знакомые вам аллотропные видоизменения углерода — алмаз и гра¬фит).
В подтипе простых веществ выделяют металлы, неметаллы и бла¬городные газы, причём последние часто относят к неметаллам. В осно¬ве такой классификации лежат физические свойства простых веществ, обусловленные строением атомов химических элементов, из которых эти вещества образованы, и типом кристаллической решётки. Вам из¬вестно, что металлы обладают хорошей электро- и теплопроводностью, пластичны, имеют металлический блеск. Неметаллы, как правило, та¬кими свойствами не обладают. Наша оговорка «как правило» не слу¬чайна, она ещё раз подчёркивает относительность классификации простых веществ. Некоторые металлы по свойствам напоминают неме-таллы (например, аллотропная модификация олова — серое олово яв¬ляется комкообразным или порошкообразным веществом серого цве-

та, не проводит электрический ток, лишено
блеска и пластичности; рис. 42). Тогда как
белое олово, другая аллотропная модифика-
ция, — типичный металл. Напротив, неметалл
графит, аллотропная модификация углерода,
обладает хорошей электропроводностью, ха-
рактерным металлическим блеском.
Самая общая классификация сложных не-
органических веществ хорошо вам знакома из
курса химии основной школы. Здесь выделя-
ют четыре класса соединений: оксиды, основа-
ния, кислоты и соли.
Деление неорганических веществ на классы
проводят на основании их состава, который, в свою очередь, отражает-
ся на свойствах соединений.
>> Напомним, что оксидами называют сложные вещества, состоя¬щие из двух элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2 (например, H2O, CO2, CuO).
Основания — сложные вещества, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп (например, NaOH, Ca(OH)2).
Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка (например, HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4).
Соли — сложные вещества, состоящие из атомов металла и кис¬лотных остатков (например, NaNO3, K2SO4, AlCl3).
J
Вот так на схеме выглядит классификация неорганических ве¬ществ.
Рис. 42. Олово: а — белое олово; б — аллотропная модификация — серое олово

Но подобная классификация и определения также весьма относи¬тельны.
Во-первых, роль металла в основаниях и солях могут выполнять сложные частицы наподобие знакомого вам катиона аммония NH+, построенные элементами-неметаллами.
Во-вторых, существует достаточно многочисленная группа веществ, которые по формальным признакам (по составу) являются основания¬ми, а по свойствам относятся к амфотерным гидроксидам, т. е. сочета¬ют свойства оснований и кислот. Например, гидроксид алюминия Al(OH)3 при взаимодействии с кислотой ведёт себя как основание:
Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O, а при сплавлении с щелочами проявляет свойства кислоты:
H3AlO3 + NaOH = NaAlO2 + H2O.
В-третьих, в приведённую выше классификацию сложных неорга¬нических веществ не попадёт большое число соединений, которые нельзя отнести ни к одному из перечисленных классов. Это, например, соединения, образованные двумя или более элементами-неметаллами (хлорид фосфора (V) PCl5, сульфид углерода CS2, фосген COCl2).
Как классифицируют органические вещества, будет рассказано в следующем параграфе.
Теперь вы знаете
У как классифицируют простые и сложные неорганические вещества У какова причина аллотропии
Теперь вы можете
У доказать, что классификация неорганических веществ относительна
У объяснить, почему число простых веществ превышает число химических элементов
Выполните задания
1. Дайте определение понятия «аллотропия», приведите примеры алло¬тропных модификаций разных веществ.
2. Определите, какими веществами являются благородные газы — атомно¬го или молекулярного строения, подкрепите свой ответ аргументами в пользу той и другой точки зрения.
3. Перечислите четыре класса неорганических веществ, проиллюстрируйте их свойства двумя-тремя уравнениями химических реакций.
4. С помощью уравнений химических реакций докажите, что амфотерные гидроксиды проявляют свойства как кислот, так и оснований.

5. Карбонат кальция (мел, мрамор, известняк) вдохновлял скульпторов, ху¬дожников, поэтов. Например, поэт И. Сельвинский пишет:
Видишь мрамор? Это просто кальций.
Химия. Породистый кристалл.
Но коснулись этой глыбы пальцы,
И Венерой вышла красота.
Какую неточность с точки зрения химии допустил поэт?
Темы для рефератов
1. Аллотропия олова. 2. Аллотропия фосфора. 3. Аллотропия углерода.

Естествознание 11 Класс учебник, часть 1

• Основные сведения о строении атома
1. Назовите выдающихся учёных Древней Греции, разработавших теорию, согласно которой материальные вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов.
2. Перечислите физические