Космохимия или Химическая космология — область химии, наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Космохимия исследует преимущественно холодные процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ .
Главная задача космохимии – стремление объяснить на химической основе происхождение и историю космических тел, изучение их эволюции на основе состава и распространенности химических элементов.
Основоположниками этой науки являются норвежский минералог, кристаллограф, геохимик Гольдшмидт Виктор Мориц, американский физикохимик Гарольд Клейтон Юри и советский геохимик Виноградов Александр Павлович. Все они изучали лунный грунт и сделали важные для космохимии открытия. В.М. Гольдшмидт изучал метеориты и впервые сформулировал закономерности распределения элементов в метеоритном веществе, нашел основные принципы распределения элементов в фазах метеоритов. Г. Юри написал 47 работ о химии Луны и показал возможность интерпретации данных по химическому составу планет на основе представлений об их «холодном» происхождении из пылевой компоненты протопластного облака. А. П. Виноградов, обосновал концепцию выплавления и дегазации вещества планет земной группы как основу механизма дифференциации вещества планет и формирования их наружных оболочек — коры, атмосферы и гидросферы.
До второй половины XX века исследования состава космических тел и химических процессов в космическом пространстве осуществлялись несколькими способами. Первый — изучение химического и фазового состава метеоритов. Второй способ — спектральный анализ вещества звезд и внешних слоев атмосферы планет. Свет от объекта пропускают через призму и разлагают на спектры. После делают выводы о характеристиках испустившего свет объекта. Спектральный анализ позволил открыть некоторые ранее неизвестные элементы, например, рубидий и цезий. Только спектральный анализ помог определить химический состав нашего светила и других звёзд. Благодаря ему обнаружился и гелий, причём, на Солнце его открыли на 27 лет раньше, чем на Земле. Приняв на вооружение эффект Доплера, стало возможным измерение лучевых скоростей тысяч звёзд, газовых туманностей и других внегалактических объектов.
Спектральные методы анализа. виды спектральных методов анализа
... веществ. Каждое вещество поглощает определенное количество света, обусловленное его природой или концентрацией. Абсорбционный спектральный анализ в ультрафиолетовой видимой и инфракрасной областях спектра. Различают спектр фотометрический и фотоколориметрический методы. Спектрофотометрический метод анализа ...
Благодаря развитию астрофизики и космонавтики расширились возможности получения информации, относящейся к космохимии. Стали возможными непосредственное исследование пород Луны при участии космонавтов или путём забора образцов грунта автоматическими аппаратами и поиски молекул в межзвездной среде посредством методов радиоастрономии(путём исследования электромагнитного излучения космических объектов в диапазоне радиоволн).
Это привело к фундаментальным открытиям: установлению широкого распространения пород базальтового состава на поверхности Луны, Венеры, Марса; определению состава атмосфер ближайших планет; выяснению определяющей роли ударных процессов в формировании структурных и химических особенностей поверхности планет и образовании реголита и других веществ. Как оказалось, и на нашей планете, и на далёких звёздах присутствуют одинаковые химические элементы.
Глава 1. Химические элементы в космосе
Самый распространенный элемент Вселенной – водород. Он составляет основную массу Солнца, звезд и других космических тел. В недрах звезд на определенной стадии их эволюции протекают разнообразные термоядерные реакции с участием водорода. Они и являются источником неисчислимого количества энергии, излучаемого звездами в космическое пространство. Распространенность водорода на Земле существенно иная, ведь в свободном состоянии он встречается крайне редко.
звёзд
На агрегатное и фазовое состояние вещества в космосе на разных стадиях его превращений оказывают разностороннее влияние огромный диапазон температур и давлений; глубоко проникающие галактическое и солнечное излучения различного состава и интенсивности; излучения, сопровождающие превращения нестабильных атомов в стабильные. При этом процессы фракционирования вещества в космосе касаются не только атомного, но и изотопного состава. Определение изотопных равновесий, возникших под влиянием излучений, позволяет глубоко проникать в историю процессов образования вещества планет, астероидов, метеоритов и устанавливать возраст этих процессов. Благодаря экстремальным условиям в космическом пространстве протекают процессы и встречаются состояния вещества, не свойственные Земле: плазменное состояние вещества звёзд; конденсация Не, CH4, NH3 и других легколетучих газов в атмосфере больших планет при очень низких температурах; образование нержавеющего железа в космическом вакууме при взрывах на Луне; хондритовая структура вещества каменных метеоритов; образование сложных органических веществ в метеоритах.
Глава 2. Химия межзвездной среды
В 1859 году, благодаря исследованиям немецкого физика Густава Кирхгофа и химика Роберта Бунзена появился спектральный анализ, и 1860-е годы стали временем бурного расцвета звездной спектроскопии.
Благодаря усилиям английского астронома-любителя Уильяма Хеггинса накапливались доказательства наличия газа в пространстве между звездами. Он стал пионером научных исследований межзвездной материи. С 1863 года он публиковал результаты спектроскопического исследования некоторых туманностей и продемонстрировал, что спектры туманностей в видимом диапазоне сильно отличаются от спектров звезд. Основной вывод Хеггинса: получено наблюдательное подтверждение предположения о том, что в космосе помимо звезд есть диффузное вещество, распределенное по значительным объемам пространства.
Межзвездная среда и туманности
... Итак, в процессе эволюции галактик происходит круговорот вещества: межзвездный газ -> звезды -> межзвездный газ, приводящий к постепенному увеличению содержания тяжелых элементов в межзвездном газе и звездах и уменьшению количества межзвездного газа в каждой из галактик. Не исключено, что в истории Галактики ...
В 1904 году, немецкий астроном Йоханнес Хартманн заметил, что более холодный или разреженный межзвездный газ выдает свое присутствие, оставляя в звездных спектрах собственные линии поглощения, которые рождаются не в атмосфере звезды, а, на пути от звезды к наблюдателю. Исследование линий излучения и поглощения межзвездного газа позволило к 1930-м годам довольно хорошо изучить его химический состав и установить, что он состоит из тех же элементов, которые встречаются и на Земле. Так же в конце 1930-х годов было окончательно доказано существование межзвездных молекул.
Одна из особенностей химических реакций в межзвездной среде — доминирование двухчастичных процессов: стехиометрические коэффициенты всегда равны единице.
В 1950-х годах стало известно, что в межзвездной среде больше всего содержится водорода. По современным представлениям, межзвездное вещество — это водород, гелий и лишь 2% по массе более тяжелых элементов. Значительная часть этих тяжелых элементов, особенно металлов, находится в пылинках. Полная масса межзвездного вещества в диске нашей Галактики — несколько миллиардов масс Солнца, или 1–2% от полной массы диска. А масса пыли примерно в сто раз меньше массы газа.
Вещество распределено по межзвездному пространству неоднородно. Его можно разделить на три фазы: горячую, теплую и холодную. Горячая фаза — это очень разреженный корональный газ, ионизованный водород с температурой в миллионы кельвинов, занимающий примерно половину объема галактического диска. Теплая фаза, на долю которой приходится еще половина объема диска, имеет температуру 8000–10 000 К.. Водород в ней может быть и ионизованным, и нейтральным. Температура холодной фазы не более 100 K, а в самых плотных областях мороз до единиц кельвинов. Холодный нейтральный газ занимает всего около процента объема диска, но масса его составляет примерно половину всей массы межзвездного вещества.
Поскольку водород — основной компонент межзвездной среды, названия различных фаз отражают состояние именно водорода. Ионизованная среда — это среда, в которой ионизован водород, другие атомы могут сохранять нейтральность. Нейтральная среда — это среда, в которой водород нейтрален, хотя другие атомы могут быть ионизованы. Плотные компактные облака, предположительно состоящие в основном из молекулярного водорода, называются молекулярными облаками.
Глава 3. Молекулы в межзвездной среде
В облаках холодного межзвездного газа можно найти огромное число самых разных молекул — начиная от простых двухатомных и заканчивая относительно сложными многоатомными органическими соединениями. Среди сложных молекул особенно стоит выделить «пребиотические» соединения, например, аминоацетонитрил, который может участвовать в образовании глицина, простейшей аминокислоты. Некоторые ученые предполагают, что в молекулярных облаках может образоваться и рибоза, один из основных кирпичиков органической жизни. Если такие соединения попадут в благоприятные условия, это уже будет ступенькой для возникновения жизни.
Вода как реагент и как среда для химического процесса (аномальные свойства воды)
... Для одних и тех же атомов водорода и кислорода вода не является постоянной формой нахождения. Растения в процессе фотосинтеза разлагают воду . выделяя кислород в атмосферу. Разложение воды происходит в условиях биосферы и при процессах химического ...
Излучение молекул связано с наличием у них дополнительных степеней свободы. Молекула может вращаться, вибрировать, совершать более сложные движения, с каждым из которых связан набор энергетических уровней. Переходя с одного уровня на другой, молекула, так же, как и атом, поглощает и излучает фотоны. Энергетика этих движений невысока, поэтому они с легкостью возбуждаются даже при низких температурах в молекулярных облаках. Фотоны, соответствующие переходам между молекулярными энергетическими уровнями, попадают в невидимый диапазон, поэтому исследования излучения молекул начались, когда у астрономов появились инструменты для наблюдений в длинноволновых диапазонах.
Так как молекулу CO легче всего обнаружить, её используют как индикатор наличия молекулярного газа.
атомов
В ледяных мантиях пылинок тоже идут химические реакции, главным образом связанные с добавлением атомов водорода к примерзшим молекулам. Например, последовательное присоединение атомов H к молекулам CO в ледяных оболочках пылинок приводит к синтезу метанола. Чуть более сложные реакции, в которых помимо водорода участвуют и другие компоненты, ведут к появлению и других многоатомных молекул. Когда в недрах ядра загорается молодая звезда, ее излучение испаряет мантии пылевых частиц, и продукты химического синтеза появляются в газовой фазе, где их также удается наблюдать.
Глава 4. Космохимия в наши дни
Помимо ион-молекулярных в межзвездной среде происходят и другие процессы: и нейтраль-нейтральные реакции, и фотореакции (ионизации и диссоциации), и процессы обмена компонентами между газовой фазой и пылинками. В современные астрохимические модели приходится включать сотни различных компонентов, связанных между собой тысячами реакций. Важно вот что: количество моделируемых компонентов существенно превышает то количество, что реально наблюдается, поскольку из одних только наблюдаемых молекул составить работающую модель не удается.
Все современные данные о химических реакциях в межзвездной и околозвездной среде собраны в специализированных базах данных, из которых наиболее популярны две: UDFA (UMIST Database for Astrochemistry) и KIDA (Kinetic Database for Astrochemistry).
Эти базы данных, представляют собой списки реакций с двумя реагентами, несколькими продуктами и численными параметрами, позволяющими рассчитать скорость реакции в зависимости от температуры, поля излучения и потока космических лучей. Реакции, включенные в эти наборы, позволяют количественно объяснить результаты наблюдений молекулярного состава объектов разного возраста и при разных физических условиях.
Сегодня космохимия развивается в четырех основных направлениях.
Во-первых, большое внимание привлекает к себе химия изотопомеров, в первую очередь химия соединений дейтерия. Помимо атомов водорода ( H ) в межзвездной среде присутствуют также атомы дейтерия (D ).
Помимо молекул H2 на пылинках образуются также молекулы HD. В холодной среде реакция:
H3+ + HD → H2D+ + H2 не уравновешивается обратным процессом. Ион H2D+ играет в химии роль, аналогичную роли иона H3+, и через него атомы дейтерия начинают распространяться по более сложным соединениям. Итог оказывается достаточно интересным: при общем отношении D/H порядка 10–5 отношение содержания некоторых дейтерированных молекул к содержанию недейтерированных аналогов (например, HDCO к H2CO, HDO к H2O) достигает процентов и даже десятков процентов. Аналогичное направление совершенствования моделей — учет различий в химии изотопов углерода и азота.
Основные классы неорганических соединений и типы химических реакций
... химическое свойство оснований - способность образовывать с кислотами соли. Например, при взаимодействии перечисленных оснований с соляной кислотой получаются хлористые соли соответствующих ... молекуле кислоты, способных замещаться на металл с образованием соли. Такие кислоты, как соляная и уксусная, могут служить примерами одноосновных кислот, серная кислота - двухосновна, ортофосфорная кислота ...
Во-вторых, одним из основных астрохимических направлений остаются реакции на поверхностях пылинок. Здесь проводится большая работа по изучению особенностей реакций в зависимости от свойств поверхности пылинки и от ее температуры. До сих пор неясны детали испарения с пылинки синтезировавшихся на ней органических молекул.
В-третьих, химические модели постепенно проникают все глубже в исследования динамики межзвездной среды, в том числе в исследования процессов рождения звезд и планет. Это проникновение очень важно, поскольку оно позволяет напрямую соотносить численное описание движений вещества в межзвездной среде с наблюдениями молекулярных спектральных линий. Кроме того, эта задача имеет и астробиологическое приложение, связанное с возможностью попадания межзвездной органики на формирующиеся планеты.
В-четвертых, все больше становится наблюдательных данных о содержании различных молекул в других галактиках, в том числе и в галактиках на больших красных смещениях. Это означает, что мы можем изучать химический состав других галактик.
Заключение:
Благодаря космохимии, на основе состава и распространенности химических элементов, мы можем понять происхождение космических тел и их эволюцию. Что в будущем поможет нашим ученым выстроить единую картину мира.
Сейчас, космохимия занимается только изучением состава космических тел, но я уверенна, что в будущем, космохимия найдет и практическое применение. На основе полученных знаний, будут синтезироваться новые вещества, создание которых не возможно на Земле.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-metallyi-v-kosmose/
1. Аллер Л. Х., , пер. с англ., М., 1963
2. Виноградов А. П., Высокотемпературные протопланетные процессы, «»,1971, в. 11
3. Дмитрий Зигфридович Вибе,
4. Тейлер Р. Дж., Происхождение , пер. с англ., М.. 1975
5. Шкловский И. С., Звезды: их рождение, жизнь и смерть, 3 изд., М., 1984.
6. Сайт «Химик»:
7. Сайт «Light Science»:
8. Сайт «Индикатор»:
9. Сайт «Российская Цивилизация»:
10. Сайт «Школа жизни»:
11. Сайт «Элементы»:
12. Сайт «N +1»:
13. Сайт « SpaceGid »: http://spacegid.com/spektralnyiy-analiz-v-astronomii.html
