Страница 19 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

✓ Каких атомов больше всего во Вселенной?

Больше всего во Вселенной атомов водорода (H). Водород — самый простой и самый легкий химический элемент, его ядро в наиболее распространенном изотопе (протий) состоит всего из одного протона.

Согласно современным научным данным, на долю атомов водорода приходится около 90% от общего числа всех атомов в наблюдаемой Вселенной и примерно 75% от ее барионной (то есть состоящей из протонов, нейтронов и электронов) массы.

Такое огромное преобладание водорода объясняется условиями, которые сложились в ранней Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, в эпоху первичного нуклеосинтеза, Вселенная была достаточно горячей и плотной для образования ядер легких элементов из протонов и нейтронов. Большинство протонов так и не вступили в реакции и остались в свободном состоянии, сформировав ядра самого распространенного изотопа водорода — протия ($^{1}\text{H}$).

Вторым по распространенности элементом является гелий (He), который составляет около 24% массы Вселенной. Он также образовался в основном во время первичного нуклеосинтеза при слиянии протонов и нейтронов.

Все остальные химические элементы, более тяжелые чем водород и гелий (в астрономии их условно называют "металлами"), были синтезированы гораздо позже в недрах звезд в результате реакций термоядерного синтеза и распространены по Вселенной благодаря взрывам сверхновых и звездным ветрам. Их суммарная доля в массе Вселенной чрезвычайно мала и составляет не более 2%.

Ответ: Больше всего во Вселенной атомов водорода.

✓ В каких веществах эти атомы есть на Земле?

Поскольку в вопросе не уточняется, о каких именно атомах идет речь, рассмотрим наиболее распространенные и важные химические элементы на Земле и вещества, которые они образуют. Атомы на нашей планете распределены неравномерно и входят в состав различных геосфер (литосферы, гидросферы, атмосферы) и живых организмов (биосферы).

Атомы в составе литосферы (земной коры)

Земная кора в основном состоит из соединений, в которых преобладают атомы кислорода, кремния, алюминия и железа.

• Кислород (O): самый распространенный элемент в земной коре (около 47% по массе). Он входит в состав практически всех минералов:
  • Оксиды: например, оксид кремния(IV) $SiO_2$ (кварц, песок), оксид алюминия $Al_2O_3$ (корунд, основной компонент бокситов), оксиды железа $Fe_2O_3$ (гематит) и $Fe_3O_4$ (магнетит).
  • Силикаты и алюмосиликаты: это самый большой класс минералов, составляющий более 90% земной коры. Примеры: полевые шпаты, слюды, глинистые минералы. Их формулы сложны, но в основе лежат кремний-кислородные тетраэдры.
  • Карбонаты: например, карбонат кальция $CaCO_3$ (известняк, мрамор, мел) и доломит $CaMg(CO_3)_2$.
• Кремний (Si): второй по распространенности элемент (около 27-28%). Встречается в виде оксида $SiO_2$ и в составе силикатов.
• Алюминий (Al) и Железо (Fe): также широко распространены в виде оксидов и в составе алюмосиликатов.

Ответ: В земной коре атомы кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция и других металлов находятся в составе таких веществ, как оксиды (кварц, гематит), силикаты (полевые шпаты, слюды) и карбонаты (известняк, мрамор).

Атомы в составе гидросферы

Гидросфера — это водная оболочка Земли. Ее основу составляют атомы водорода и кислорода.

• Водород (H) и Кислород (O): эти атомы образуют главное вещество гидросферы — воду ($H_2O$).
• В воде морей и океанов растворено большое количество солей, поэтому в гидросфере также присутствуют атомы (в виде ионов) хлора (Cl), натрия (Na), магния (Mg), серы (S), кальция (Ca) и калия (K). Они образуют такие вещества, как хлорид натрия $NaCl$ (поваренная соль), хлорид магния $MgCl_2$, сульфат магния $MgSO_4$ и другие.
• Также в воде растворены газы из атмосферы, в первую очередь это молекулярный кислород $O_2$ и углекислый газ $CO_2$.

Ответ: В гидросфере атомы водорода и кислорода образуют воду ($H_2O$), а атомы натрия, хлора, магния, серы и другие находятся в виде растворенных солей (например, $NaCl$, $MgSO_4$) и газов ($O_2$, $CO_2$).

Атомы в составе атмосферы

Атмосфера — это газовая оболочка Земли.

• Азот (N): составляет около 78% объема воздуха. Находится в виде простого вещества — двухатомных молекул азота ($N_2$).
• Кислород (O): составляет около 21% объема воздуха. Находится в виде простого вещества — кислорода ($O_2$). В верхних слоях атмосферы (стратосфере) атомы кислорода образуют также озон ($O_3$).
• Аргон (Ar): инертный газ, составляет почти 1% воздуха. Существует в виде отдельных атомов.
• Углерод (C) и Кислород (O): образуют углекислый газ ($CO_2$), содержание которого в атмосфере невелико (около 0.04%), но он играет важнейшую роль в климате планеты и процессе фотосинтеза.

Ответ: В атмосфере атомы азота и кислорода находятся в виде простых веществ ($N_2$ и $O_2$), атомы углерода — в составе углекислого газа ($CO_2$), а инертные газы, как аргон, — в виде отдельных атомов.

Атомы в составе биосферы (живых организмов)

Живые организмы состоят из так называемых "элементов-органогенов".

• Кислород (O), Углерод (C), Водород (H), Азот (N): эти четыре элемента составляют около 96% массы живых организмов. Они образуют как неорганические, так и органические вещества:
  • Вода ($H_2O$): самое распространенное неорганическое вещество в живых клетках.
  • Органические соединения:
    • Углеводы (например, глюкоза $C_6H_{12}O_6$, крахмал, целлюлоза) — состоят из C, H, O.
    • Белки (протеины) — сложные полимеры, состоящие из аминокислот. В их состав обязательно входят C, H, O, N, а иногда и сера (S).
    • Жиры (липиды) — состоят в основном из C, H, O.
    • Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — несут генетическую информацию. Состоят из C, H, O, N и фосфора (P).
• Фосфор (P) и Кальций (Ca): образуют фосфат кальция $Ca_3(PO_4)_2$, который является основной минеральной составляющей костей и зубов.

Ответ: В живых организмах атомы углерода, водорода, кислорода и азота образуют воду и сложные органические вещества: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Атомы кальция и фосфора формируют костную ткань.

✓ Какие элементы есть и на Солнце, и в живых организмах?

Химические элементы, из которых состоит Вселенная, универсальны. Это означает, что и далекие звезды, и наша планета, и живые организмы на ней построены из одних и тех же атомов, хотя и в разных пропорциях и сочетаниях. Ответ на этот вопрос лежит в области пересечения астрофизики и биохимии и демонстрирует единство материального мира.

Солнце, как и большинство звезд, состоит преимущественно из самых легких элементов. Его масса примерно на 73% состоит из водорода (H) и на 25% из гелия (He). Оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, которые в астрономии принято называть "металлами". Среди них наиболее распространены кислород (O), углерод (C), неон (Ne), железо (Fe), азот (N), кремний (Si), магний (Mg) и сера (S).

Живые организмы на Земле также имеют определенный элементный состав. Около 96–98% массы живых клеток составляют всего четыре элемента, называемые органогенами: кислород (O), углерод (C), водород (H) и азот (N). Остальная часть приходится на макроэлементы (например, кальций, фосфор, калий, сера, магний) и микроэлементы, которые требуются в очень малых количествах (например, железо, цинк, медь).

Сравнивая состав Солнца и живых организмов, можно выделить целый ряд общих элементов:

• Водород (H): Самый распространенный элемент на Солнце и во Вселенной. В живых организмах он является неотъемлемой частью молекулы воды ($H_2O$), а также входит в состав абсолютно всех органических соединений (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот).
• Углерод (C): Присутствует на Солнце и является основой жизни на Земле. Атомы углерода способны образовывать длинные и сложные цепи, создавая "скелет" для всех ключевых органических молекул.
• Кислород (O): Один из самых распространенных элементов на Солнце (после водорода и гелия). В живых организмах кислород — самый массовый элемент, в основном за счет воды. Он также играет ключевую роль в процессе клеточного дыхания.
• Азот (N): Обнаруживается в составе Солнца. Для живых организмов он критически важен, так как входит в состав аминокислот (из которых строятся белки) и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), являющихся носителями наследственной информации.
• Железо (Fe), Магний (Mg), Сера (S), Кремний (Si), Кальций (Ca), Натрий (Na), Калий (K): Эти и другие элементы также присутствуют и на Солнце, и в живых организмах. Например, железо необходимо для транспорта кислорода кровью (входит в состав гемоглобина), магний — центральный атом в молекуле хлорофилла, обеспечивающего фотосинтез, а сера входит в состав некоторых аминокислот.

Таким образом, жизнь на Земле построена из тех же химических элементов, которые были синтезированы в недрах звезд и рассеяны по Вселенной. Это подтверждает идею о том, что жизнь является космическим явлением, тесно связанным с эволюцией звезд.

Ответ: Элементы, которые присутствуют и на Солнце, и в живых организмах, — это прежде всего ключевые "элементы жизни": водород (H), углерод (C), кислород (O) и азот (N). Кроме них, общими являются и многие другие, например, железо (Fe), магний (Mg), сера (S), кремний (Si), кальций (Ca), натрий (Na) и калий (K).