Тематический план Содержание дисциплины

Вопросы для самоконтроля:
1. В чем суть идеи теории тяготения Эйнштейна?

2. Каковы основные положения теории электромагнетизма?

3. Какие элементарные частицы входят в состав ядра атома?

4. Как формулируются три закона термодинамики?

5. Почему невозможна тепловая смерть Вселенной?
Тесты
1. Принцип корпускулярно-волнового дуализма утверждает, что:

а) в квантовой механике нет принципа относительности;

б) дуалитность СТО и ОТО;

в) фотон движется со скоростью света;

г) любой квантовый объект представляет собой одновременно и частицу и волну.

2. Корпускулярные представления о материи характеры для:

а) механической картины мира;

б) электромагнитной картины мира;

в) современной картины мира;

г) религиозной картины мира.

3. Сильное взаимодействие передается:

а) фотонами;

б) глюонами;

в) гравитонами;

г) вионами.
4. Электромагнитное излучение – это поток …

а) фотонов;

б) электронов;

в) протонов;

г) нейтронов.
5. Из фундаментальных взаимодействий наиболее сильным является

а) гравитационной;

б) сильное;

в) слабое;

г) электромагнитное.
6. Всеобщими свойствами пространства и времени являются:

а) объективность;

б) трехмерность;

в) единство прерывности и непрерывности;

г) ассиметрия.
7. Основу общей теории относительности составляют следующие положения:

а) скорость света есть величина постоянная в любых системах отсчета;

б) все физические процессы при одних и тех же условиях протекают одинаково в любых системах отсчета;

в) скорость света постоянна в областях, где гравитационными силами можно пренебречь;

г) масса не эквивалентна энергии в неинерциальных системах отсчета.
8. Мера неупорядоченности, или мер хаоса в термодинамике называется:

а) изометрией;

б) энтропией;

в) негэнтропией;

г) анизотропией.
9. Сингулярность— это:

а) теория об одиночестве человечества во Вселенной;

б) начальное состояние Вселенной;

в) информация о состоянии объекта;

г) разрушение пространственно-временного континуума.
10. Вселенная в модели Эйнштейна является.

а) стационарной;

б) неизменной;

в) расширяющейся;

г) развивающейся.

Семинар №3 по теме: «Химические концепции описания мира»

Время 2 часа

Цели занятия:

- объяснение структуры вещества и химических систем;

- пояснение термохимических реакций;

- раскрытие сущности химической эволюции.

Вопросы для обсуждения:

1. Структура вещества и химические системы.

2. Энергетика химических реакций.

3. Химическая эволюция.

Темы докладов и рефератов:

1. Эволюционная химия.

2. Химические свойства органических веществ.

3. Взаимодействие физики и химии.

4. Фундаментальные константы.

5. Экзотермические и эндотермические реакции.

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания: Курс лекций. 4-е изд., стер. – СПб: Издательство «Лань», М.: ООО Издательство «Омега-Л», 2008.

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: учебник / С.Х. Карпенков. -11-е изд., перераб. и доп. – М.: КНОРУС, 2009.

3. Лавриненко В.Н.Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

4. Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие.- М., ИНФРА, 2007.

5. Найдыш В.М.Концепции современного естествознания. Учебное пособие. - М.: Гардарики, 2002.

6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.:ЮНИТИ - ДАНА,2009.

7. Свиридов В.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие.- 2-изд. – СПб.: Питер, 2008.

Дополнительная:

1. Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии.- М., 1983.

2. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа./ Под ред. О.М.Петрухина. - М., 2005.

3. Артеменко А.И. Органическая химия.- М., 2006

4. Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая формула материи. М., 1983.

5. Возникновение и развитие химии с древних времен до XVII века. М., 1980.

6. Глинка Н.Л. Общая химия. - М., 2005.

7. Дорохова Е.Н., Прохорова К.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы. - М., 2004

8. Данцев А.А. Философия и химия.- Ростов н/Д, 1991.

9. Ким А.М. Органическая химия. - Новосибирск, 2007

10. Кругляков П.М.,Лещенко Н.Ф. Физическая и коллоидная химия. - М., 2007

11. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития.- М., 1989.

12. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Химия. Ответы на вопросы.- М., 1997.

13. Печенкин А.А. Взаимодействие физики и химии (философский анализ).- М., 1986.

14. Пиментел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и завтра.- М., 1992.

15. Семенов И.Н., Перфилова Н.Л. Химия. - СПб., 2005

16. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. - М., 2005

17. Семчиков Ю.Д., Жильцов С.В., Кашаева В.Н. Введение в химию полимеров. - М., 1988;

18. Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук.- М., 1989.

19. Тунце У.Я.,Шведт Г.Р. Основы качественного и количественного анализа. - М., 2007

20. Филиппович Ю.В. Основы биохимии. - М., 2007

21. Фугоровский Н.А. История химии.- М., 1979.

По первому вопросу

Прежде всего необходимо сказать что, характер любой системы, как известно, зависит не только от ее строения и состава ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходится заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия элементов химических систем, тем не менее, все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействий их элементов.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению известного шведского химика Йенса Берцелиуса (1779-1848) структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Шарль Жерар (1816-1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления.

В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтезирования новых веществ предпринял известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829-1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их сродства или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.

Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения Александра Михайловича Бутлерова (1828-1886), который, хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике.

Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой - установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

Далее скажите, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.

К этим условиям относятся, прежде всего, термодинамические условия, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других факторов. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей и иных условий.

Обратите внимание на то, что при реакции в гомогенной системе, состоящей из одной фазы, протекают, как правило, быстрее, чем в гетерогенной системе, состоящей из нескольких фаз.

Говоря о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами.

По второму вопросу

Следует сказать, что химическая реакция – это процесс, при котором одни соединения разлагаются, другие образуются, в результате одни химические связи заменяются другими. Как следствие химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Реакции, протекающие с выделением теплоты в окружающую среду, называются экзотермическими, а с поглощением теплоты – эндотермическими. Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции.

Далее, обратите внимание на энтальпию и скажите, что тепловой эффект реакции, протекающей в условиях р=const, T=const, равен изменению энтальпии системы ∆Н и измеряется в кДж. При экзотермической реакции энтальпия системы уменьшается и ∆Н < 0, а при эндотермической – энтальпия системы увеличивается и ∆Н > 0. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то энтальпию реакции называют стандартной и обозначают ∆Н0 или ∆. Верхний индекс отвечает стандартному давлению (101кПа), нижний индекс соответствует стандартной температуре, принятой по международному соглашению, равной 298 К.

Уравнения химических реакций, в которых указаны изменения энтальпии (тепловые эффекты реакций), называются термохимическими.

Например, термохимическое уравнение
N2(г) + 3Н2 (г) = 2NH3 (г), ∆ = –92, 4 кДж.
показывает, что при взаимодействии 1 моль N2 и 3 моль Н2 образуется 2 моль NH3 и выделяется количество теплоты, равное 92,4 кДж.

Термохимические уравнения подчиняются закону Лавуазье-Лапласа: тепловой эффект прямой реакции равен по абсолютному значению и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции.

Укажите на то, что закон Лавуазье-Лапласа носит частный характер, а в основе термохимических расчетов лежит фундаментальный закон термохимии – закон Гесса: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Из закона Гесса следует два важных следствия.

Первое следствие: тепловой эффект получения любого вещества не зависит от способа его получения. Так как энтальпия образования вещества зависит от его состояния и от условий, все энтальпии образования отнесены к одинаковым состояниям и условиям, которые называют стандартными. Стандартная энтальпия реакции образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 101 кПа называется стандартной энтальпией образования. Обозначается ∆ или ∆Н0 (температуру 298 К можно опустить), измеряется в кДж/моль. Следует отметить, ∆Н0 простых веществ равна нулю.

В термохимических расчетах более часто применяют второе следствие из закона Гесса: энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов реакции. Направление протекания химической реакции определяет энергия Гиббса (∆G), в которой вводится понятие энтропии.

Изменение стандартной энергии Гиббса химической реакции может быть также вычислено по уравнению:

∆ = ∆ – Т∆,

где Т – абсолютная температура, ∆ – изменение энтропии.

Здесь важно сказать что, энтропия – это мера неупорядоченности состояния системы; стремление частиц (молекул, ионов, атомов) к хаотическому движению, а системы – к переходу от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Энтропия возрастает с увеличением движения частиц при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация), сопровождаются уменьшением энтропии. Измеряется энтропия в Дж/моль×К.

Энтропия также является критерием возможности самопроизвольного протекания процесса: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т.е. к росту энтропии.

По третьему вопросу

Прежде всего, скажите о том что, химическая эволюция - процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений - продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е гг. в связи с изучением проблемы постоянно усложняющихся химических процессов до уровня, способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь. Первым осознал высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах основатель органической химии Й.Я. Берцелиус (конец XVIII - начало XIX в.). Он установил, что основой лабораторий живого организма является биокатализ.

Укажите на то, что внимание каталитическому опыту живой природы придавалось и в XX в. Так, академик Н.Н. Семенов рассматривал химические процессы, протекающие в тканях растений и животных, как своеобразное <�химическое производство> живой природы.

Затем кратко рассмотрите этапы химической эволюции. Вероятно, следует признать, что она началась с появлением простейшего носителя - атома. Согласно теории Большого взрыва, существующие сейчас химические элементы, возникли в процессе эволюции Вселенной от сверхплотного и сверхгорячего состояния до современного мира звезд и галактик. Предполагается, что первыми образовались простейшие атомы (вернее, их ядра) водорода. Приблизительно через 1 с после Большого взрыва плотность материи уменьшилась до 1 т/см3, температура - до 100 млрд. К, а диаметр вырос до 1500 млрд. км. Вещество находилось в состоянии полностью ионизированной плазмы, состоящей из нуклонов (протонов и нейтронов) и электронов. Еще через 10 с, когда температура понизилась до 10 млрд. К, появились условия для протекания ядерной реакции образования дейтронов - ядер дейтерия (тяжелого водорода).

Однако при этой температуре равновесие данной реакции сильно сдвинуто влево (оно сдвигается вправо только при температуре 1млрд К - примерно через 100 с после Большого взрыва), и дейтроны не могли накапливаться, так как они при этих условиях превращаются в ядра гелия (эта схема вполне удовлетворительно объясняет количество гелия в нашей Вселенной). На дозвездной стадии развития материи ядра других химических элементов не образуются, поскольку плотность и температура расширяющейся Вселенной быстро падают. При этом процесс образования 4Не (цифра слева вверху - относительная атомная масса, т.е. масса атома, выраженная в атомных единицах массы, которая составляет 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12- 1,6605655(86)10"27 кг), начавшись приблизительно через 2 мин после Большого взрыва, прекращается уже к концу 4-й минуты. При остывании Вселенной до температуры 3500 К (приблизительно через 1 млн. лет) происходит рекомбинация ядер гелия и оставшихся ядер водорода с электронами: образуются атомы гелия и водорода - исходный материал для межзвездного газа и звездных систем.

Дальнейший синтез химических элементов продолжается в недрах звезд при повышении температуры. В процессе конденсации в протозвезду межзвездного газа, состоящего из водорода и гелия, в результате гравитационного сжатия температура повышается и снова становится возможной реакция образования гелия из водорода. Этот этап характеризуется температурами, не превышающими 20 106 К.

После ядер гелия Не наиболее устойчивыми являются ядра 12С и 1бО. Термоядерная эпоха образования таких ядер (Т < 100 млн. К) наступает после того, как на первом этапе истощается, <�выгорает> водород. В эту эпоху в плотных выгоревших ядрах звезд-гигантов возможно непосредственное образование углерода и кислорода (не атомов, а ядер). Дальнейшее слияние ядер гелия приводит к образованию 20Ne, 24Mg и т.п. Более поздняя ядерная эпоха, когда обеспечивается температура до 1 млрд. К, характеризуется <�горением> углерода. При этом образуются ядра вплоть до 27А1 и 28Si. Выше 30 млрд. К в реакцию вступают более тяжелые ядра, начиная с кремния 32Si В условиях складывающегося при этом термодинамического равновесия синтезируются элементы вплоть до железа и атомы близких ему элементов, ядра которых являются самыми стабильными ядрами. При этом достигается минимум энергии всей системы, и более тяжелые ядра не синтезируются. Получение элементов с большими атомными номерами осуществляется по другому механизму - последовательный захват ядрами нейтронов и последующий (3-распад). В подобных процессах в качестве самого тяжелого может получиться нуклид l81Bi. Ядра, более тяжелые, чем 18lBi, синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд в условиях огромной плотности нейтронных потоков, когда возможен захват ядрами нейтронов не по одному, а группами.

Обратите внимание на то, что можно с большой долей вероятности предположить, что в Солнечной системе сменилось несколько этапов ядерного синтеза. Сравнение химического состава Солнца и химического состава звездного вещества позволяет заключить, что все описанные выше процессы синтеза ядер имели место в Солнечной системе, причем первоначальная масса образовавшейся в нашем участке Галактики звезды превышала критическую (равную 1,44 массы Солнца), и она оказалась неустойчивой. Под действием гравитационного притяжения протозвезда сжималась, ее температура повышалась, обеспечивая первые этапы ядерного синтеза. Выделяющаяся при этом энергия оказалась слишком велика, вследствие чего через некоторое время происходил взрыв и образовывались ядра самых тяжелых элементов. Масса звезды уменьшалась за счет выброса вещества. Этот процесс повторялся неоднократно до тех пор, пока масса центральной массивной звезды не стала ниже критического предела. Такой механизм обеспечивает интервал времени, достаточный для химической, геолого-географической и биологической эволюции.

В настоящее время многие исследователи полагают, что планеты Солнечной системы образовались из солнечной материи, выброшенной из Солнца, когда оно становилось сверхновой звездой. Охлаждение образовавшейся вокруг Солнца доскообразной газовой туманности дало возможность для соединения атомов в молекулы, т.е. началась собственно химическая эволюция.

Молекулы не могли образоваться при звездных температурах, когда большинство атомов существует в виде многозарядных ионов (например, в солнечной короне при 1 млн. К. атомы железа являются ионами Fe13+). Двухатомные молекулы обнаружены в спектрах лишь наиболее холодных звезд с температурой поверхности 2000-3000 К. (оксиды Al, Mg, Ti, Zr, С, Si и некоторые другие двухатомные молекулы с наиболее прочной химической связью). При этом в межзвездном пространстве присутствует большое количество молекул, в том числе достаточно сложных (табл. 7.1). Предполагается, что состав указанных молекул соответствует составу первых молекул, образовавшихся в результате охлаждения звездного вещества. Найдены и другие молекулы, но в значительно меньших количествах.

Когда температура протопланетной туманности понизилась до 1000-1800 К, начали конденсироваться, т.е. становиться жидкими и твердыми, самые тугоплавкие вещества, в частности образовались капельки железа, а впоследствии и силикатов (солей кремниевых кислот).

При температурах 400-1000 К конденсировались другие металлы и их соединения с серой и кислородом. Застывшие капли силикатного материала в виде хондр (маленьких сферических тел) образовали, по-видимому, при последующем сгущении множество астероидов - первичных тел хондритовых метеоритов. Можно предположить, что в результате дифференциации первичного газа под действием солнечного ветра (истечения плазмы солнечной короны в межпланетное пространство) и градиента температур атомы наиболее легких элементов были отброшены на периферию Солнечной системы и расположенные ближе к Солнцу планеты земного типа возникли путем сгущения наиболее высокотемпературной фракции с повышенным содержанием железа.

Содержание летучих компонентов, которые, вероятно, попали в планетное вещество главным образом в результате адсорбции на пылевых частицах или химических реакций с ними, оказалось очень малым. Поэтому масса гидросферы Земли составляет лишь 0,024%, а атмосферы - 0,00009% общей массы Земли.

Далее скажите что, с формированием Земли как планеты на химическую эволюцию стала оказывать действие эволюция Земли. Это влияние выражалось (и выражается в настоящее время) в изменении концентрационного распределения химических элементов в теле Земли и по ее оболочкам (в атмосфере, гидросфере, коре, мантии, ядре), а также в создании условий (температура, давление) для образования новых веществ.

Конечно, при этом имело место и обратное воздействие. Образование новых веществ и появление возможностей для новых химических процессов вызывали формирование новых геологических образований, например осадочных пород.

В заключение скажите, что, таким образом, геологическая и химическая эволюции протекают в значительной степени совместно, взаимно влияя друг на друга. Химическая эволюция привела к появлению жизни. Это произошло благодаря развитию не веществ, а химических систем и процессов, в них происходящих.

Вопросы для самоконтроля:
1. Какова роль химическая эволюции в формировании Земли?

2. Когда в науке стали использоваться атомистические представления?

3. В суть понятия эволюции химических структур?

4. Когда возникла химия как наука?

5. Каков принцип синтеза органических веществ?

Тесты
1. А.М. Бутлеров, А.И. Опарин, А. П. Руденко способствовали укрепления взаимосвязи химии с:

а) биологией;

б) геологией;

в) космологией;

г) физикой.
2. Как называется раздел химии, изучающий количественный состав веществ?

а) структурная химия;

б) стехиометрия;

в) плаэмохимия;

г) эволюционная химия.
4. Какой закон утверждает, что в равных объемах различных газов при одинаковых условий (температуре н давлении) содержится одинаковое число молекул?

а) закон Гесса;

б) закон Авогадро;

в) закон сохранения массы вещества;

г) закон эквивалентов.
5. Какой закон сформулирован для веществ, находящихся в газообразном состоянии?

а) закон Гука;

б) закон всемирного тяготения;

в) закон сохранения энергии;

г) закон простых объемных отношений.
6. Как называются мельчайшие частицы, кз которых, согласно Дальтону, состоит материя?

а) атомы;

б) молекулы;

в) электроны;

г) кварки.
7. Какая концепция нашла свое подтверждение в законе кратных отношений Дальтона?

а) концепция дальнодействия;

б) концепция близкодействия;

в) атомистическая гипотеза;

г) гипотеза Авогадро.
8. Когда был открыт периодический закон Менделеева?

а) 1799 г

б) 1869 г.

в) 1897 г.

г) 1905 г.
9. Какай теория утвердилась во второй половине XIX в. в качестве теоретической основы химии?

а) теория строения атома;

б) теория электромагнетизма Максвелла;

в) радиохимия;

г) атомно - молекулярная теория.
10. Какой закон был сформулирован Ломоносовым?

а) закон действующих масс;

б) закон сохранения массы вещества;

в) закон инерции;

г) закон электромагнитной индукции.
Семинар № 4. по теме « Геологические концепции описания мира»

Время 2 часа

Цели занятия:

- ознакомление с историей геологического развития Земли;

- уяснение теории тектонических плит;

- уяснение роли эндогенных и экзогенных процессов Земли.

Вопросы для обсуждения:

1. Геологическая история и строение Земли.

2. Теория тектонических плит.

3. Литосфера как абиотическая основа жизни.

Темы докладов и рефератов

1. Литосфера Земли во взаимодействии с атмосферой и гидросферой.

2. Тектоническая активность Земли.

3. Теория тектонических плит.

4 Геологические свойства земной коры

5. Эндогенные и экзогенные геодинамические процессы Земли

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Арнольд В.И. Теория катастроф. – М.: Наука,1990.

2. Батюшкова И. В. История проблемы происхождения материков и океанов. – М.: Наука. 1979.

3. Белоусов В. В. Земля, ее строение и развитие. – М. : АН СССР, 1969.

4. Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. – Л.: Гидрометеоиздат,1997.

5. Будыко М. И. Проблема углекислого газа. – Л.: Гидрометеоиздат, 1997.

6. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие.-М. «Маркетинг», 2007.

7. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: учебник / С.Х. Карпенков. -11-е изд., перераб. и доп. – М.: КНОРУС, 2009.

8. Концепции современного естествознания: учебник для вузов под ред. С.И.Самыгина.- Ростов-Н-Д.: Феникс, 2008.

9. Клиге Р. К., Данилов И. Д., Конищев В. Н. История гидросферы. – М.: Научный мир, 1998.

10. Лавриненко В.Н., Ратников В.П.Концепции современного естествознания. — М.: ЮНИТИ, 2009.

11. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.:ЮНИТИ,2009.

12. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания.- М.: Высшая школа, 2009.

Дополнительная:

1. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. - Москва, ГЕОС, 2010.

2. Белоусов В.В. Структурная геология. - М.: МГУ, 1986.

3. Большая советская энциклопедия. Глав. Ред. Прохоров А. М. Т. IV.- М., 1971.

4. Большая советская энциклопедия. Глав. Ред. Прохоров А. М. Т. XIII.- М., 1973.

5. Бурлацкая С.П. Археомагнетизм: Структура и эволюция магнитного поля Земли. - Москва, ГЕОС, 2007.

6. Горбачев В.В. Современное естествознание и экологическое образование

// Сб. тр. Всерос. конф. по экол. Образованию. Пущино,1998.

7. Горбачев В.В. Энергетические аспекты эволюции биосферы в ноосферу и синергетическое понимание экологии // Этика науки будущего. На пути к духовно-экологической цивилизации. – М.:Дельфис,2002.

8. Данилова В. С.. Основные концепции современного естествознания.- М., 2000.

9. Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды; нефть и газ; углеводороды и жизнь. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения академика П.Н. Кропоткина, 18-22 октября 2010 г. - Москва, ГЕОС, 2010.

10. Добровольский Г.В., Карпачевский Л.О., Криксунов Е.А.Геосферы и педосфера, - М.,2010.

11. Емельяненко П.Ф., Яковлева Е.Б. Петрография магматических и метаморфических пород.- М.: Изд-во МГУ, 1985.

12. Ломизе М.Г., Хаин В.Е. Геотектоника с основами геодинамики.- М.,МГУ, 1995.

13. Михайлов А.Е. Структурная геология и геологическое картирование. - М.: Недра, 1984.

14. Прокопьев А.В., Фридовский В.Ю., Гайдук В.В., Разломы (Морфология, геометрия и кинематика) Учеб. пособие (Отв.ред. Л.М. Парфенов. — Якутск. ЯФ Изд-ва СО РАН, 2004.

15. Свиридов В. В. Концепции современного естествознания. СПб, 2005.

Фролов В.Т. Литология. Учеб.для ВУЗов в 3-х тт. М.: МГУ, 1992-1995.

16. Чистяков А.А., Макарова Н.В., Макаров В.И. Четвертичная геология М.: ГЕОС, 2000.

17. Якушова А.Ф., Геология с элементами геоморфологии. М., МГУ. 1978.

18. Якушова А.Ф., Хаин В.Е., Славин В.И. Общая геология. М., МГУ, 1988.

Методические рекомендации
По первому вопросу

Прежде всего, скажите, что литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии и переходящая без резкой границы в нижележащую астеносферу. Мощность литосферы составляет от 50 до 200 км.

Далее сообщите, что современная наука позволяет говорить, что первоначально, непосредственно по завершении формирования литосферы, поверхность Земли была холодной (около 0 "С), небо практически безоблачным, разница между температурой дня и ночи достигала порядка

50 "С. Горы имели более изломанные очертания, чем сейчас, склоны были круче, а ущелья глубже. Без морей, рек, ледников, при разреженной безветренной атмосфере процессы эрозии были ничтожны. Зато интенсивный вулканизм порождал в земной коре глубокие разломы, многократно перестраивал, сминал в складки, опускал и поднимал земную поверхность. Потоки лавы образовывали озера, заливали огромные пространства и застывали. В результате вулканической деятельности из недр Земли выделялись газы и водяные пары, постепенно образовавшие атмосферу.

В трещинах и углублениях земной поверхности стала конденсироваться вода, сначала в виде небольших лужиц, постепенно сливавшихся в более крупные водоемы. Со временем образовался первичный океан. Под действием холода и жары, ветра и воды начали разрушаться скалы и отлагаться первые осадочные породы. Примерно 4 млрд. лет назад над пустынной Землей, покрывшейся водами, нависли тяжелые густые облака, почти не пропускавшие солнечных лучей. Земную поверхность сотрясали титанические бури и ураганы на фоне неутихающего вулканизма. Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей. Жизни еще не было, но, как считают многие ученые, уже имелись все предпосылки для ее появления.

Обратите внимание на то, что существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. К субстратному относят теории происхождения жизни, отправным пунктом которых являются определенный состав элементов органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Известно более ста химических элементов, однако основу живых систем составляют только шесть, названные органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в организмах – 97,4 %. Далее следуют 12 элементов, участвующих в физиологически важных компонентах биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (весовая доля в организмах – 1,6 %). Еще 20 участвуют в работе отдельных биосистем, участие остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, никель, а углерод занимает лишь 16-ое место. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Следовательно, геохимия не играет существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

Далее скажите, что по своей форме Земля представляет собой геоид, приближающийся геометрически к трехосному эллипсоиду, или сфероиду. Гравитационное поле Земли обусловливает ее сферическую форму, а также удерживает атмосферу. Предполагают, что Земля возникла около 4,7 млрд. лет назад из первоначального газопылевого вещества, которое затем в результате действия сил тяготения, дифференциации и разогрева образовало несколько геосферных оболочек, которые различаются по химическому составу, агрегатному состоянию и другим физическим свойствам. Обычно различают внутренние оболочки Земли, к которым относят ее ядро, мантию и земную кору, и внешние оболочки: литосферу, гидросферу и атмосферу. Все эти сферы непрерывно взаимодействуют, о чем свидетельствует не только продолжающаяся тектоническая деятельность внутренних оболочек Земли, но и постоянное воздействие атмосферы и гидросферы, а также позднее возникшей биосферы на процессы, происходящие в земной коре.

Затем дайте краткую характеристику по эрам Земли.

Эры:

1. Протерозойская эра (700 млн. лет) — Земля покрыта океаном, в кот. Обитали бактерии, примитивные морские животные. Эволюция шла медленно.

2. Палеозойская эра ( 365 млн. лет) — образование больших пространств суши с наземными растениями, расцвет папоротников, эволюция животных(появились земноводные). Темпы эволюции ускорились.

3. Мезозойская эра — господство пресмыкающихся (динозавры), первые млекопитающие сумчатые, распространение хвойных растений.

4. Кайнозойская эра — совершенствование млекопитающих и птиц, распространение цветковых растений, формирование современных видов растений и животных.

С возникновением человека около 2 млн. лет назад начинается нынешний период кайнозойской эры — четвертичный или антропоген.

Затем перейдите к геологическим свойствам земной коры. Скажите, что согласно современным представлениям, в центре Земли находится ядро, внутренняя часть которого представляет собой твердое тело, на 80% состоящее из железа и на 20% — из никеля. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии и содержит железо и жидкую смесь железа и серы. Такое предположение основывается, во-первых, на результатах исследования глубинных структур Земли с помощью сейсмических волн, во-вторых, отождествлении их состава и структур с составом метеоритов, которые образовались из того же протопланетного вещества, что и Земля, в-третьих, изучении магнитного поля Земли в далеком прошлом на основании измерения остаточной намагниченности земных пород.

Температура внутреннего ядра составляет 4500 градусов по Цельсию, а внешней его части — 3200°. Именно такая разница температур должна существовать между ними, чтобы внутреннее ядро Земли оставалось твердым, а внешнее — жидким.

Выше ядра расположена большая по своим размерам сфера земной мантии, которая по химическому составу и структуре резко отличается от ядра. Мантия состоит в основном из силикатов, являющихся соединениями кремния, в нижней ее части преобладают, по-видимому, хондриты, подобные каменным метеоритам. Верхняя часть мантии непосредственно связана с земной корой. В нижней части мантии преобладают силикаты, которые под давлением сверху приобретают особо прочную структуру.

Особенности земной коры складываются не только под воздействием внутренних слоев Земли, но и геологических факторов внешней среды. Известно, что в результате выветривания и сноса вещество на поверхности континентов полностью обновляется каждые 100 млн. лет, а ее убыль компенсируется за счет поднятия континентов.

Геологические свойства земной коры непрерывно и постепенно изменяются под совокупным воздействием трех внешних ее сфер: атмосферы, гидросферы и биосферы. Такие изменения происходят медленно, постепенно и непрерывно, но на определенной стадии они приводят к коренным переменам в облике Земли, и, прежде всего в земной коре и на ее поверхности.

В заключение данного вопроса скажите, что вещество коры распределяется на три класса пород, имеющих различное происхождение:

- изверженные (или магматические) породы появились на поверхности в результате деятельности вулканов. Примером является гранит;

- осадочные породы появились в процессе осаждения на дно океанов, причем океаны не всегда занимали то же положение, что и сейчас, и осадочные породы могут встречаться вдали от морских берегов. Примером является мел;

- метаморфические породы на протяжении геологической истории Земли подверглись воздействию высоких температур и давлений и изменили свою кристаллическую структуру. Например, известняк превращается в мрамор.

По второму вопросу

Обратите внимание на то, что в последние 30 лет всеобщее признание получила концепция или теория тектонических плит земной коры, согласно которой в течение всей кайнозойской эры материки перемещались по поверхности планеты. Действительно, рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что в целом ряде случаев - Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан - границы материков удивительным образом хорошо совмещаются. Это любопытное обстоятельство было отмечено довольно давно, однако только в 1912 году А.Вегенер сделал обоснованное предположение о существовании праконтинентов, их возможном расколе и дальнейшем движении образовавшихся континентов по поверхности Земли. Но как же может двигаться материк? Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов, объяснявших особенности строения коры на основе предыдущей парадигмы, в которой основная роль отводилась вертикальным перемещениям пород и их слоев.

Затем обсудите вкратце основные аргументы, приводящие к заключению о движении материков. Если считать, что некоторые нынешние материки когда-то составляли одно целое, то можно сделать целый ряд выводов, допускающих проверку. Наиболее достоверным способом датировки и географической привязки пород является метод "руководящих ископаемых" - анализ останков окаменевшей фауны. Если один и тот же вид животных (например, трилобиты) встречается в различных точках поверхности, то можно полагать, что соответствующие осадочные породы образовались в одно и то же время. В различных регионах наибольшее распространение получали различные виды руководящих ископаемых. Оказалось, что в соответствующих точках совмещенных границ материков имеются одинаковые ископаемые, имеющие одинаковый возраст. Немедленным практическим выводом был поиск одинаковых полезных ископаемых в соответствующих точках. И в Южной Америке нашли алмазы, соответствующие Африканским месторождениям.

Другим обстоятельством, до выявления которого Вегенер не дожил, были особенности намагниченности горных пород. Известно, что при повышении температуры до определенного значения (температуры Кюри) вещество теряет свои магнитные свойства, а при понижении температуры вновь намагничивается, если вокруг имеется магнитное поле. Когда раскаленное вещество магмы изливается на поверхность и начинает остывать, его возникающая намагниченность определяется магнитным полем Земли и связана с направлением на магнитный полюс. При анализе намагниченности горных пород было установлено, что направление на магнитный полюс существенно менялось на протяжении истории Земли. Это позволяет вычертить траекторию дрейфа магнитного полюса по поверхности. Получается некоторая кривая, один из концов которой совпадает с современным магнитным полюсом. Построив такую кривую сначала по геологическим данным Европы, а затем Северной Америки, можно обнаружить, что, с одной стороны, они не совпадают, а с другой - их формы чрезвычайно схожи. И если допустить, что Лабрадор, Северная Америка и Европа некогда составляли единое целое, причем смыкались по прослеживаемым линиям, близким к береговым, то полученные траектории дрейфа магнитного полюса практически совпадут.

В 50-е годы был изучен так называемый Атлантический рифт - узкий горный хребет на дне Атлантического океана, протянувшийся с севера на юг от Арктики до Антарктиды. Его осевая линия представляет собой провал, по его сторонам имеются крутые возвышения, части которых иногда достигают поверхности океана и являются островами. Рифт является зоной повышенной вулканической активности. Исследования намагниченности горных пород вдоль склонов хребта обнаружило любопытную особенность: вдоль хребта идут полосы шириной примерно 30 км (так называемые полосовые аномалии), в которых намагниченности поочередно направлены в противоположные стороны. Это указывает на то, что магнитные полюса Земли на протяжении ее истории неоднократно менялись местами. С другой стороны, это означает, что в результате вулканической деятельности кора вдоль рифта раздвигалась. Точные спутниковые измерения показывают, что Северная Атлантика раздвигается примерно на 1 см в год. Аналогичный регион в восточной части Тихого океана раздвигается на 5 см в год. Где же тогда сдвигаются участки коры и куда деваются, сдвинувшись? Один ответ очевиден: горные хребты на суше могут представлять собой результат столкновения плит. Но есть и другой. Помимо рифтовых возвышений на океанском дне существуют и впадины. Как правило, они расположены вдоль побережья. Самой глубокой и самой известной является Марианская впадина в юго-западной части Тихого океана. Если нанести на карту всю систему таких впадин и отметить зоны сейсмической активности, то их расположения совпадут. При этом оказывается, что эпицентры землетрясений располагаются на глубинах от нескольких километров до нескольких десятков километров. Эти значения соответствуют значениям толщины коры под океаном и материком. Можно предположить, что раздвигающаяся океаническая кора "задвигается" под континентальную. При этом образуются понижения поверхности (впадины), а кроме того при взаимных перемещениях возникают значительные механические напряжения, сброс которых (взаимное проскальзывание плит) и приводит к землетрясениям. Таким образом, подводные желоба имеют геологическое значение.

Обратите внимание на то, что реконструкция очертаний древних материков и анализ геофизических данных позволяют восстановить следующую картину. В середине кайнозоя (то есть примерно 300 млн. лет назад) на Земле существовало два материка: Гондвана и Лавразия. Гондвана состояла из сомкнутых Южной Америки, Африки, Индостана, Австралии и Антарктиды. Лавразия состояла из Северной Америки, Лабрадора и Европы. Между Гондваной и Лавразией находился океан Тетис, соединяющий современные Атлантический и Тихий океаны. Он сужался по направлению к западу, так что эти материки смыкались. Остатками Тетиса являются Средиземное и Черное моря. Существование в прошлом сухопутных путей между регионами, которые теперь принадлежат разным континентам, привело к распространению одинаковых животных на территориях, впоследствии далеко разделенных водными пространствами. При этом на вновь образующихся континентах эволюция шла по-разному. Так, травоядные сумчатые, первоначально заселявшие также и исходно смежные с Австралией территории, в самой Австралии уцелели, а в Азии были уничтожены новыми - плацентарными млекопитающими, бывшими в основном хищниками. Однако о том, что в давние времена сумчатые проживали там, в изобилии, можно догадаться по останкам костей. Известен также вид гигантских морских черепах, проживающий на побережье Южной Америки, самки которого откладывают яйца на острове, расположенном в 2000 км от берега. Что заставляет их проделывать столь дальний путь, неясно, если не предположить, что в давние времена (а род этих черепах насчитывает 90 млн. лет) остров был неподалеку от места проживания черепах, а затем очень медленно отодвигался от суши в результате материкового дрейфа. Так медленно, что черепахи не могли среагировать на этот процесс.

Укажите, что имеются указания и на то, что помимо раздвиганий и разворотов Гондвана и Лавразия смещались и в целом. Анализ остатков флоры в геологических отложениях показывает, что области суши, которые теперь находятся в экваториальных областях, раньше были в полярных, а экватор пересекал Лавразию. Если материки не двигались, то единственным объяснением, которое могло бы быть ответственным за такое изменение климата, является изменение наклона оси вращения Земли. Однако если бы по каким-то причинам это случилось, то последствия были бы катастрофическими для всей планеты вплоть до распада ее на части. Примерно 200-160 млн. лет назад активизация вулканической деятельности привела к образованию разломов и дроблению протоматериков. Двигающиеся на север Африка и Индия сомкнулись с двигающимися на юг Европой и Азией, Тетис исчез, и возникла Альпийско-Кавказско-Гималайская гряда молодых гор. Из географически близких нам примеров можно упомянуть расширение Кандалакшского залива, в результате чего Кольский полуостров постепенно отъезжает на север.

Что же является движущей силой таких циклопических перемещений? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации, как плотности, так и температуры. Это означает, что возможна циркуляция вещества, когда горячий и менее плотный материал поднимается вверх, растекается, охлаждается и, став более плотным, опускается в глубину. То, что мантия состоит из твердого вещества, не должно смущать, поскольку имеется наглядный пример - текущие ледники. Оказывается, достаточно очень небольшой разности температур, чтобы материал пришел в движение, которое, конечно, является очень медленным. Такая циркуляция вполне может привести к тем подвижкам, о которых шла речь. Правда, необходимо отметить, что для осуществления такого процесса необходима однородная мантия, т.е. состоящая из вещества, состав которого не меняется с глубиной, не становится более плотным. Вынос вещества наружу должен приводить либо к расширению Земли, либо к образованию складок, либо компенсироваться погружением части коры вглубь. Подсчет суточных ростовых колец на кораллах (аналогичных годовым кольцам на деревьях) показывает, что примерно 400 млн. лет назад в году было 400 суток, то есть Земля вращалась быстрее, то есть ее радиус был меньше (момент количества движения сохраняется). Однако недостаточно меньше, чтобы соответствовать расчетному количеству материала, выведенного к настоящему времени наружу из мантии. Складки действительно есть - горные хребты, состоящие из сжатых пород. Однако рассчитанное суммарное сжатие современных гор не соответствует и малой доле того материала, который добавился к коре из верхней мантии за последние 25 млн. лет. А вот погружение коры действительно имеет место, как о том было сказано про глубоководные желоба.

Обратите особое внимание на то, что теория тектонических плит существенно изменила мировоззрение людей и их представление об эволюции нашей планеты. Она имеет также и практические аспекты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением, и, если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность скорого сейсмического толчка. Более того, существуют проекты бурения скважин вдоль разломов, куда в качестве смазки будет закачиваться вода, что приведет к снижению амплитуды толчков. Кроме того, на основе теории тектонических плит стало более понятным распределение полезных ископаемых и источников сырья.
<< предыдущая страница следующая страница >>