Творча робота на тему: «Хімія космосу»

Навчально-методичний центр освіти м. Львова

Міський конкурс проектно-дослідницьких і реферативних робіт з хімії «Хімічні реалії» для учнів 9-10-х класів ЗЗСО

Науково-популярна номінація

Конкурсна робота

на тему:

«Хімія космосу»

Виконали

Пищик Софія, Гнилякевич Мирослава
 учениці 9-А класу

ліцею “Галицький” ЛМР.

Керівник Вербинська О.С.,

вчитель хімії ліцею “Галицький” ЛМР

Львів-2020

ЗМІСТ

ВСТУП

«На що здатне STEM-покоління?» «Яким відкриттям, зроблених дітьми сучасності, аплодує весь світ?», «Винаходи людства та інжиніринг» - така наскрізна тематика «steam-дня» у Всесвітній день дітей-винахідників, з проведення якого розпочався II семестр 2019-2020 н.р у нашому ліцеї.

Цей день відбувався у форматі Всеукраїнського «Інженерного тижня», приуроченого дню народження найвідомішого у світі українського інженера Сергія Корольова, генія, який запустив першу міжконтинентальну балістичну ракету, перший штучний супутник Землі та організував перший політ людини в космос.

Майже усі навчальні заняття з учнями молодшої, середньої та старшої школи були об'єднані однією темою «ВИНАХОДИ» та мали напрямок інженерного конструювання. Адже, так багато проблем сучасного світу та України потребують участі інженерів у їх вирішенні. Виконання завдань, побудованих на перетині науки, техніки, інженерії, математики та мистецтва сприяли візуалізації наукових явищ та практичного вирішення проблем. Було захопливо і цікаво!

Серед активностей та викликів, які запропонували розробники «Інженерного тижня», були завдання, де ми дотримувались чітких інструкцій і здебільшого відтворювали запропоноване рішення, а за бажання, вдосконалювали його. А були й такі, що надавали якнайбільше можливостей для експериментування і так, чи інакше, допомагали нам зазирнути у майбутнє. Одна з таких тем – КОСМОС! Безмежна, таємнича, наповнена мріями...

Хімія має пряме відношення до багатьох досягнень людини в освоєнні космосу. Без зусиль численних учених-хіміків, технологів, інженерів-хіміків не були б створені дивовижні конструкційні матеріали, які дозволяють космічним кораблям подолати земне тяжіння, надпотужне пальне, що допомагає двигунам розвинути необхідну потужність, найточніші прилади, інструменти та пристрої, які забезпечують роботу космічних орбітальних станцій.

 «4,3,2,1.Пуск!»- модель ракети, що працює на оцті та соді (Додаток 1), «Марсохід» – пересувна модель дослідження червоної планети (Додаток 2), «Термос для марсіанина» – прилад, температура води в якому не буде змінюватися більш ніж на 2°С протягом 10 хвилин (Додаток 3), – такі інженерні завдання, що об'єднували хімію та астрономію, термодинаміку та хімічні реакції, були простими у виконанні, та одночасно, приносили неочікувані результати, надихнули нас до пошуку нової інформації та цікавих досліджень. Так ми розпочали опрацьовувати науково-популярні видання та джерела інтернету з теми «Хімія космосу». І натрапили на свіжі заголовки NASA:

• «Вчені виявили нову планету в зоні населеності — вона таких же розмірів як Земля. Планета обертається навколо зірки, і на ній потенційно може бути життя…».
• «17-річний школяр Вульф Цукер відкрив нову екзопланету всього на третій день стажування в NASA. Він виявив її, помітивши тінь на одній з досліджуваних зірок…

Саме в 17 років проєкт свого першого безмоторного літака розробив і Сергій Корольов. Офіційна комісія розглянула його та рекомендувала до будівництва.

Отже, наша мотивація лише зростала. І наші сміливі бажання зазирнути за лаштунки Всесвіту з погляду хімії вже не змінювали напрямку. 

Відповіді на питання: «Що таке космохімія?», «Який хімічний склад космічних об’єктів?», «Чим заповнений міжзоряний простір?», «З чого складаються метеорити?», «Чи можуть у космосі утворюватись органічні сполуки?» – мета нашої конкурсної роботи.

Нові знання із перших кроків вивчення курсу органічної хімії в 9 класі, пробуджують інтерес дізнатися чи є у Космосі ці кілька елементів-органогенів (Карбону, Гідрогену, Оксигену, Нітрогену, Сульфуру, Фосфору), які творять величезну кількість сполук живої природи на Землі?

Сподіваємось, що конкурсна робота буде цікавою для розуміння природознавства Нового часу, де прокладається єдиний шлях від еволюційної космохімії до еволюційної біохімії, від хімії міжзоряних хмар до хімії метеоритів, планет, Місяця і, нарешті, Землі. А ще, стане своєрідним майданчиком у розвитку наших дослідницький здібностей та творчого самовдосконалення, маленьким винаходом, можливо, з «космічним успіхом».

ОСНОВНА ЧАСТИНА

Космохімія

Космохімія — наука про космос, що вивчає хімічний склад космічних тіл і речовини, що заповнюють космічний простір, закони розподілу хімічних елементів у Всесвіті, процеси творення й переміщення космічних речовин. Важливе завдання космохімії — вивчення еволюції розвитку космічних тіл і пояснення їх походжень. Раніше дослідження хімічних процесів в космічному просторі і складу космічних тіл здійснювалися спектральним аналізом випромінювання Сонця, зірок і, частково, зовнішніх шарів атмосфер планет. Розшифрувавши спектр нашого денного світла, вчені дізнались, що на Сонці є близько 60 земних хімічних елементів. А елемент Гелій навіть спочатку було виявлено на Сонці і лише потім знайдено на Землі.

Але ця наука досліджує космічну речовину і просто хімічними методами. Єдиним прямим методом вивчення космічних тіл був аналіз хімічного і фазового складу різних метеоритів, що випадали на Землю. Хімічний аналіз метеоритів показує, що космічна речовина не містить нічого несподіваного, такого, чого нема у нас на Землі. Останнім часом, у зв'язку із значними успіхами космонавтики, реальною стає можливість за допомогою автоматичних розвідників дістати зразки речовин з інших планет — наприклад, Марсу або Венери.

Розвиток радіоастрономії і космічної техніки, польоти автоматичних станцій до планет Сонячної системи — Венери, Марсу, Юпітеру, Сатурну; польоти людини в навколоземний простір і на Місяць відкрили перед космохімією широкі можливості. Так, пошуки молекул в міжзоряному середовищі ведуться за допомогою методів радіоастрономії. Встановлено, що спостережувані концентрації їх в 10—100 млн. разів менше, ніж концентрація водню. Ці методи дозволяють також за допомогою порівняння радіоліній ізотопних різновидів однієї молекули (наприклад, H ₂ ¹² CO і H ₂ ¹³ CO)  досліджувати ізотопний склад міжзоряного газу і перевіряти правильність існуючих теорій походження хімічних елементів. 

Як природа формувала таблицю Менделєєва з часів «Великого вибуху»?

Світ, який на оточує – набір хімічних елементів, які почали формуватися ще 13,8 мільярди років тому. За матеріалами Los Angeles Times переважна більшість елементів виникли, завдяки життю і смерті зірок. Тепер вони забезпечують хімічну різноманітність новому поколінню світил і планет. Більшість елементів на Землі (за винятком небагатьох, недавно синтезованих людьми) – це спадок туманності, що породила Сонячну систему 4,5 мільярди років тому. Це і залізо в наших хмарочосах, і кремній в наших комп'ютерах, і золото в наших прикрасах, і кальцій в наших кістках.

Протягом перших хвилин після Великого вибуху в хмарі новонароджених частинок в міру його розширення і охолодження об'єдналися атоми Гідрогену. Деякі з них швидко з'єдналися в гелій. Ці два елементи і по сьогодні складають 98% Всесвіту і є основними компонентами зірок.

Найперші зірки сформувалися приблизно через 100 мільйонів років після Великого вибуху. Вони були масивними, і протягом тривалого часу генерували енергію, «спалюючи» водень і об'єднуючи атоми в гелій за допомогою ядерного синтезу, як Сонце робить і сьогодні.

Однак рано чи пізно у всіх зірок закінчується водневе паливо. Тоді вони в шаленому темпі починають виробляти все більш важкі елементи, заповнюючи в процесі наступні три рядки таблиці Менделєєва. Деякий час вони переробляють гелій у Карбон та Оксиген. Потім, ближче до кінця життя, зірка перетворює Карбон у такі елементи, як Натрій і Магній. Згодом атоми Оксигену починають зливатися в Силіцій, Фосфор і Сульфур. Під завісу свого існування світило виробляє метали, такі як Ферум.

Згодом настає те, що астрономи зловісно називають «залізною катастрофою». Термоядерна реакція не дозволяє сполучати елементи, важчі заліза, тому зірка раптово видихається. Менш ніж за секунду вона колапсує, а потім вибухає як наднова, викидаючи «новоспечені» елементи в космос.

Наднові зірки можуть випускати космічні промені, які поділяють більші атоми, сприяючи утворенню Літію, Берилію і Бору. Цей дивовижний процес і є основним джерелом цих елементів у Всесвіті.

Сьогодні, через 13,8 млрд років після Великого вибуху, зірки перетворили близько 2% водню і гелію у Всесвіті в інші елементи. Тепер вони існують в різних кількостях, в залежності від частоти і продуктивності процесів, в результаті яких вони з'являються. Наприклад, Платина зустрічається в мільйон разів рідше Феруму, тому що злиття нейтронних зірок відбуваються не дуже часто (це одна з причин того, чому дорогоцінні метали дорогоцінні).

Найважчі метали

Отже, те, що елементи аж до Феруму викувані в зірках, було відомо досить давно. Зорі, маса яких удвічі менша за сонячну, зупиняються на етапі синтезу Гелію. Масивніші зорі виробляють Карбон і Оксиген, а ті, що мають масу більшу, ніж 10 сонячних мас, наприкінці життя породжують всі інші елементи — Неон, Натрій, Магній, Силіцій, Алюміній і, зрештою, Ферум. На цьому утворення елементів в надрах зір шляхом термоядерних реакцій припиняється, бо для того щоб «запалити» Ферум і близький до нього Нікель, потрібно мати додаткову енергію, якої у зорі немає. Важкі елементи утворюються, коли вихідний атом, наприклад Карбон або Ферум, бомбардується нейтронами і захоплює їх в своє ядро. Таким чином, атом проходить радіоактивний розпад і в результаті утворюється більш важкий і більш стабільний елемент.

Видатний внесок у створення теорії зоряного нуклеосинтезу зробили фізики Фред Хойл і Вільям Фаулер та астрономи Маргарет і Джефрі Бербіджі. Вони встановили, що вибухи Наднових — це головне джерело постачання у Всесвіт елементів, важчих за Гідроген і Гелій.

Проте сучасні дослідники схиляються до іншого явища: злиття нейтронних зірок.  Приблизно 10 секунд новонароджена нейтронна зоря встигає побути «алхіміком». На момент вибуху структура масивної зорі схожа на цибулину. Ядро оточене кількома оболонками, що складаються з все більш легких елементів. Тоді, коли ядро починає катастрофічно стискатися, перетворюючись на нейтронну зорю або чорну діру, в шарах зорі, що лежать вище від центру, відбуваються термоядерні реакції. У результаті хімічний склад речовини сильно зсувається в бік важких елементів. Іноді дві з них зчіплюються в смертельному танго, обертаючись по спіралі назустріч один одному, поки не зіткнуться. При цьому випускається дощ нейтронів, досить інтенсивний, щоб створити найважчі елементи у Всесвіті, такі як Уран і Плутоній. Ця ідея знайшла підтвердження в 2017 році, коли обсерваторія LIGO вперше виявила зіткнення нейтронних зірок. Дослідники вивчили світло від вибуху і виявили контрольні сліди важких елементів, зокрема, золота.

Ученим належить ще багато чого довідатися про роль наднових і злиття нейтронних зірок, але, людство стає все ближче до розуміння джерела формування кожного елемента.

Хімічний склад космічних об’єктів

Отже, Всесвіт або космічний простір складається, в основному, з двох елементів: Гідрогену (< 90 %) і Гелію (< 10 %). Вміст Оксигену, Нітрогену, Карбону і Неону – біля 0,2 %; Феруму, Силіцію і Магнію – 0,01 %. На Сонці виявлено 60 елементів,  зорях – 20, кометах – 10.

Сонце складається приблизно на 75% із Гідрогену і 25 % Гелію. Менше 1% припадає на Нітроген, Карбон, Оксиген та ін.

Місяць

До складу грунту, що був взятий на поверхні  Місяця, в основному, входять такі оксиди: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃, FeO, МnO, MgO, CaO. Знайдені також сліди оксидів  Na₂O і K₂O. Залежно від місця відбору проб склад ґрунту може змінюватися. Мінерал Місяця Армолколіт ізоструктурний із земним псевдобрукітом. Але, на відміну від нього, в армолколіті частина Феруму заміщена Магнієм, і він не містить оксидного заліза (Додаток 4). Аналіз місячного ґрунту лише підтверджує наявність тих самих хімічних елементів, що є у складі земної кори.

Атмосфера планет

Атмосфера планети – зовнішня газова оболонка планети, що утримується навколо неї гравітацією. Наявність атмосфери можлива лише за умови досить великої маси планети. Між атмосферою і космічним простором не існує чіткої межі. Глибина атмосфери деяких планет, що складаються здебільшого з газів (газові планети), може бути дуже великою. Дослідження планет сонячної системи дозволило встановити орієнтовний склад їхньої атмосфери (Додаток 5). Наведені дані свідчать, що хімічний склад космічних об’єктів, а отже і Всесвіту, складаються з тих самих хімічних елементів, що і планета Земля. Проте на планетах сонячної системи ні температурний режим, ні атмосферний тиск, ні склад атмосфери не схожі із земними. Тому  подібне до земного життя на планетах за даних умов практично неможливе.

Хімічний склад міжзоряного простору

Хімічний склад міжзоряного середовища – продукт первинного нуклеосинтезу і ядерного синтезу зірок. Протягом свого життя зірки випромінюють зоряний вітер, який повертає в середовище елементи з атмосфери зорі. А в кінці життя (еволюції) зірка вибухає і скидає з себе оболонку, збагачуючи міжзоряне середовище продуктами ядерного синтезу; потім з нього утворюються наступні покоління зірок. Окрім газу і пилу (атомарний Гідроген або молекулярний водень) міжзоряний простір заповнений ядрами різних хімічних елементів, які летять на високій швидкості, і електронами, що утворюють космічні промені, а також потоками фотонів, тобто випромінюванням зірок. За лініями поглинання, котрі вони створюють в спектрах зірок у міжзоряному середовищі були знайдені і атоми різних елементів (Натрію, Кальцію, Феруму).

Внаслідок довгих і ретельних досліджень радіоастрономів виявлено кілька тисяч спектральних радіоліній, що належать 123 видам міжзоряних молекул, зокрема частинок ОН, CH, CN, які у вільному вигляді на Землі не зустрічаються. Оскільки ці частинки занадто хімічно активні і, якщо і виникають, відразу вступають у взаємодію з якою-небудь речовиною. А в міжзоряному середовищі густина речовини дуже мала, атоми і молекули зустрічаються і взаємодіють дуже нечасто, тому ці частки, а також інші, можуть існувати тривалий час, сотні і тисячі років, не руйнуючись і не зникаючи.

До складу більшості знайдених міжзоряних молекул входять атоми переважно шести хімічних елементів: Гідрогену (Н), Карбону (С), Нітрогену (N), Оксигену (О), Сульфуру (S) та Силіцію (Sі).

Практично всі багатоатомні молекули знайдені в густих газопилових хмарах (ГПХ). Концентрація молекулярного водню в таких хмарах досягає 104 часток в 1 см³ при температурі біля -253°С. Міжзоряний пил зовсім не схожий на земний у вигляді дрібних піщинок. Хімія цих газопилових хмар насправді дуже проста. Різні атоми можна уявити собі як частини деякого конструкторського набору. Гідроген, Карбон, Нітроген,  Оксиген, Силіцій,  Сульфур та інші атоми можуть сполучатися між собою згідно до своїх валентностей і наявності атомів–партнерів найрізноманітнішими способами. Так утворюються молекули.

Гігантська лабораторія органічного синтезу.

Якщо раніше дослідники вважали за можливе виникнення в космосі простих систем типу Н₂, С₂, ОН, СН, то тепер ситуація різко змінилася. В космосі виявлено багато простіших неорганічних молекул: Н₂О, NН₃, SО, SіО, Н₂S та інші. Але найдивовижніше те, що міжзоряне середовище виявилось гігантською лабораторією органічного синтезу. Тут виявлені формальдегід, що здатний утворювати численні вуглеводи, встановлено присутність похідних ціану, який необхідний для синтезу нуклеїнових основ, виявлено наявність органічних кислот (мурашина і оцтова), ненасичених сполук, естерів, нітрилів, амінопохідних. Складні молекули: ціанацетилену NC–CCH, ацетальдегіду CH₃–CHO, формаміду H₂N–CHO, метилформіату HCOOCH₃ дуже здивували хіміків. У космічних хмарах виявили навіть етанол, де концентрація молекул сягає 1012 -1013 на 1 см³ . Найскладніша із виявлених молекул нітрилпентаацетилен містить у своєму складі 13 атомів

Н–(СС)₅–СN (НС₁₁N).

Учених особливо вражає те, що більшість молекул, що виявлені в космосі, безпосередньо причетні до звичних для нас біоорганічних сполук чи легко можуть трансформуватись в них. Так, ціанацетилен при взаємодії з водою може бути перетворений у життєво необхідну піровиноградну кислоту і відносно просто в амінокислоту аланін.

Найскладніші ланки еволюційного ланцюжка були виявлені при вивченні речовинного складу деяких метеоритів і місячних порід. Сьогодні доведено, що в цих космічних тілах наявні досить складні і різноманітні органічні молекули амінокислот: гліцину, глутамінової кислоти, аланіну, аспарагінової кислоти, серину. В метеоритах знайдені аліфатичні і ароматичні вуглеводні, попередники нуклеїнових кислот – аденін та гуанін, а також простіший хімічний попередник хлорофілу – порфірин. 

Значне число молекул, що відкриті у міжзоряних газових хмарах, вказує на те, що в космосі відбувається досить складний перебіг хімічних процесів.

Те, як перші органічні сполуки навчилися створювати копії самих себе і тим самим заклали основу для репродуктивного життя, залишається, мабуть, найбільшою таємницею для сучасної науки. Неодноразово поставало питання: а чи не може виникнути життя в міжзоряному середовищі? Чи не можуть там утворюватись, скажімо, білкові молекули?

Мабуть, не можуть, через те, що тривалість життя середньої ГМХ, де утворюються молекули – приблизно 100 млн. років. Потім у ГМХ запалюються зорі, і хмара перестає існувати. За цей час нічого складнішого, ніж молекула НС₁₁N, не встигає утворитись. Але ж  молекула будь -якого білка містить мільйони атомів. Тому вчені зазначають, що для виникнення життя потрібне більш густе середовище, котре зустрічається на поверхні планет чи речовина типу комети або кометних ядер. І обов’язково, ймовірно, повинна бути вода в рідкому стані, щоб створити життя, подібне до земного. Тобто хімічна еволюція Всесвіту сприяє появі складних структур (можливо аж до появи розумних істот, тіла яких утворює «попіл давно згаслих зір»).

Поступово в природознавстві Нового часу прокладається єдиний шлях від еволюційної космохімії до еволюційної біохімії, від хімії міжзоряних хмар до хімії метеоритів, планет, Місяця і, нарешті, Землі.

У конкурсній роботі встановлено:

1. Космохімія — наука про космос, що вивчає хімічний склад космічних тіл і речовини, що заповнюють космічний простір, закони розподілу хімічних елементів у Всесвіті, процеси творення й переміщення космічних речовин.
2. Відомості про хімічний склад міжзоряного газу несуть радіохвилі.
3. Дослідження складу метеоритів і спектру видимого випромінювання Сонця дозволяють стверджувати, що в космосі наявні ті ж хімічні елементи, що і на Землі.
4. Всесвіт або космічний простір складається, в основному, з двох елементів: Гідрогену (< 90 %) і Гелію (< 10 %). Вміст Оксигену, Нітрогену, Карбону і Неону – біля 0,2 %; Феруму, Силіцію і Магнію – 0,01 %. На Сонці виявлено 60 елементів,  зорях – 20, кометах – 10.
5. Сонце складається приблизно на 75% із Гідрогену і 25 % Гелію. Менше 1% припадає на Нітроген, Карбон, Оксиген та ін.
6. Хімічний склад різних небесних тіл неоднаковий. Планети земної групи (Земля, Венера, Марс) і Місяць складаються з щільної кам'янистої речовини і металів. Речовина Меркурія ще щільніша. Планети юпітерової групи містять в основному легкі речовини — водень та його сполуки з Карбоном та Нітрогеном, меншу частину в них становлять кам'янисті речовини.
7. Найважчі елементи, такі як Уран і Плутоній утворюються через злиття нейтронних зірок, вага яких може бути вдвічі більша за Сонце при діаметрі всього в 20 км.
8. Значне число молекул, що відкриті у міжзоряних газових хмарах, вказує на те, що в космосі відбувається досить складний перебіг хімічних процесів, а більшість молекул, що виявлені в космосі, безпосередньо причетні до звичних для нас біоорганічних сполук.
9. Випадкові суміші біогенних атомів (С, Н, О, N) та їх простіших молекул з ймовірно можуть призводити до синтезу сполук, важливих для формування білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот і ліпідів, а отже, і до виникнення життя.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Атмосфера планети // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред.  І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 42.
2. Fred C. Hess Chemistry Made Simple: Підруч.для вивч.хімії.–N.-Y, London, Toronto, Sydney, Auckland. -1984. 203 p.
3. https://engineeringweek.org.ua/
4. https://www.nasa.gov/
5. https://www.ukrinform.ua/tag-nasahttp://www.psrd.hawaii.edu/
6. https://www.youtube.com/watch?v=XXtcLd1i2ts
7. https://www.unian.ua/science/10283322-klyuchovi-skladovi-zhittya-na-zemli-mayut- 

     kosmichne-pohodzhennya.html

8. https://cikavosti.com/jittia-priishla-na-zemlu-z-kosmosy/#hcq=KsBSMQr

ДОДАТОК 4

Мінерали Місяця

Армолколіт - мінерал, складний оксид серії армолколіт-псевдобрукіт. Вперше був знайдений в «Морі Спокою» на Місяці в 1969 році. Ізоструктурний (має однакову кристалічну структуру) із земним псевдобрукітом, але, на відміну від нього, в армолколіті частина заліза заміщена магнієм, і він не містить оксидного заліза.

Разом з транквіллітітом і піроксферроітом, це один з трьох мінералів, які були виявлені на Місяці. Згодом він був знайдений в різних місцях на Землі і синтезований в лабораторних умовах. Петрографічний аналіз (дослідження мінерального і хімічного складу) показує, що армолколіт зазвичай утворюється при низькому тиску і високих температурах. При температурах нижче 1000 °С легко руйнується, відносно рідкісний, зазвичай зустрічається в асоціації з ільменітом і рутилом.

ДОДАТОК 5

Таблиця. Склад атмосфери планет сонячної системи