Химический состав Солнечной системы.

Для объяснения химического состава планет солнечной системы следует упомянуть об общем строении солнечной сисетмы. Солнечная система состоит собственно из Солнца, а также планет, с их спутниками, комет, астероидов, пыли, газа и мелких частиц. В Солнце сосредоточена практически вся масса Солнечной системы – 99,8%, и своей гравитацией Солнце удерживает вокруг себя все остальные объекты Солнечной системы. Хотя известные нам планеты находятся на сравнительно небольшом расстоянии от Солнца, существует большое число объектов, которые вращаются вокруг него, находясь на очень большом удалении. По современным оценкам, размер Солнечной системы составляет не менее шестидесяти миллиардов километров, при этом споры между астрономами о том, до каких пределов на самом деле простираются границы Солнечной системы, продолжаются. Согласно данным современной астрономии, своим гравитационным полем Солнце способно удерживать тела на гигантском расстоянии, которое более чем в 200 тысяч раз превышает расстояние от Солнца до Земли.

В настоящее время считается, что в Солнечную систему входит 8 больших планет (Плутон, ранее считавшийся девятой планетой, был исключён из списка планет из-за своего слишком маленького размера). Эти планеты, по степени удаления от Солнца -Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самой большой из планет является Юпитер, но даже он намного меньше Солнца по размерам и массе.

Кроме них, вокруг Солнца вращается большое число более мелких тел - астероидов, комет, и просто мелких камней, пыли и газа. Если орбиты больших планет близки к круговым и находятся примерно в одной плоскости, то орбиты малых тел весьма разнообразны и часто имеют вытянутую форму - например, кометы, двигаясь по очень вытянутой орбите, обычно приближаются к Солнцу на несколько недель и затем на догие годы вновь улетают в далёкое космическое пространство. Большая часть астероидов, обращающихся недалеко от Солнца, сосредоточены между орбитами Марса и Юпитера, значительная часть этих астероидов уже открыта и классифицирована. Однако существует ещё более многочисленный пояс астероидов, который расположен за пределами орбиты Нептуна. Из-за большой удалённости от Солнца и, как следствие, малой освещённости, наблюдать астероиды в этом поясе довольно сложно, и точное их число неизвестно.

Большие планеты можно разделить поровну на две группы. Первая половина планет, находящихся наиболее близко к Солнцу - это планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Все эти планеты состоят из тяжёлых химических элементов, имеют высокую плотность и твёрдую поверхность (хотя под ней и находится жидкое ядро). С массой 6*10^24 кг и диаметром почти 13 тыс. км. Земля является самой большой и массивной из этих четырёх планет. Однако дальние от Солнца планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун значительно превосходят по этим параметрам Землю. По этой причине они получили название планеты-гиганты. Так, масса Юпитера более, чем в 300 раз превышает массу Земли, а диаметр этой планеты - 143 тыс. км. Однако, от планет земной группы они значительно отличаются по своему строению - эти планеты состоят не из тяжёлых элементов, а из газа, в основном из водорода и гелия, подобно Солнцу и другие звёздам, вследствие этого и плотность их сравнительно невелика (у Сатурна она даже меньше плотности воды). Планеты-гиганты не имеют твёрдой поверхности - это просто газовые шары. Для планет-гигантов характерно наличие большого числа спутников, причём среди них встречаются довольно большие, сравнимые по размерам с Луной и даже с Меркурием.

Итак, Солнце –колоссальный раскаленный шар из водорода - 70 % и гелия – 28 % с примесью других элементов. В нем непрерывно идут реакции ядерного синтеза, дающие энергию в виде света и тепла. Солнце руководит движением всех членов семейства. Если сложить вместе все планеты, спутники, астероиды и кометы Солнечной системы, это груда все равно окажется в 750 раз легче Солнца.

 

 

Меркурий – ближайшая к Солнцу планета высокой плотности. В составе атмосферы обнаружено небольшое количество водорода, гелия и кислорода, присутствуют и некоторые инертные газы, например аргон и неон. Период собственного вращения равен периоду обращения вокруг Солнца. Поэтому планета оказывается повернутой в сторону Солнца все время одним полушарием. На освещенной стороне Меркурия температура достигает + 420 градусов С днем, до – 200 градусов С ночью. На неосвещенной стороне большинство газов должно замерзать, а на освещенной стороне молекулы газов должны приобретать тепловые скорости, превышающие скорость улетучивания с поверхности планеты. Плотность Меркурия значительно выше плотности Марса, поэтому он должен содержать относительно повышенную пропорцию тяжелых веществ – вероятно, металлов.

Венера – по своим размерам и плотности наиболее близкая сестра Земли. Венера окутана пеленой густых облаков, хорошо отражающих солнечный свет. Атмосфера была обнаружена еще М.В. Ломоносовым. Исследованиями установлено, что атмосфера планеты состоит на 93-97 % из СО₂, обнаружено также присутствие О₂, N_2, Н₂О. Содержание азота вместе с инертными газами достигает 2-5 %, а количество кислорода не превышает 0,4 %. Углекислый газ и водяной пар создают в атмосфере Венеры парниковый эффект, приводящий к сильному разогреванию поверхности планеты, температура достигает около + 500 градусов С. Наиболее вероятным источником азота на Венере, может быть вулканического происхождения. В условиях обилия СО₂ хлорид аммония превращается в карбонат аммония. При окислении же аммиака образуется свободный азот.

Образование небольших количеств свободного кислорода на Венере происходит при разложении молекул воды под действием солнечной радиации. Другой продукт разложения – водород – легко теряется верхними слоями атмосферы. Вследствие этого процесса происходит потеря воды, и Венера медленно высыхает.

Огромное количество СО₂ в атмосфере создают парниковый эффект, вследствие которого у поверхности господствуют высокие температуры, т.е., вероятно, вся вода испаряется в атмосферу.

По своим размерам и средней плотности Венера близка к Земле, и в ее глубоких недрах не исключено присутствие металлического ядра, возникшего в результате химической дифференциации.

Марс наиболее удален от Солнца и обладает наиболее низкой средней плотностью. Отражательная способность Марса невелика (16 %), однако выше, чем у Меркурия и Луны, что свидетельствует о более светлом материале, из которого сложена его поверхность. Марс наполовину состоит из окислов железа: планета словно бы проржавела. Мелкая пыль на ее поверхности – гидроксид железа, который придает розоватый оттенок. Зимой на Марсе мороз - 120 градусов С, летом температура + 5 градусов С. Жидкой воды нет. На нем имеется весьма разреженная атмосфера, довольно прозрачная, позволяющая производить наблюдения его поверхности. В атмосфере Марса обнаружена углекислота. В полярной области Марса периодически возникает белое пятно. Исследования показали, что полярные шапки Марса состоят не из углекислоты, а из замороженной воды в виде снега или инея.

 

Юпитер – пятая по расстоянию от солнца и самая большая планета Солнечной системы. У Юпитера нет твердой поверхности, а Красное пятно имеет вихревую структуру и вращается как циклон – это чистое атмосферное явление. Атмосфера состоит из молекулярного водорода и его соединений: метана и аммиака. В атмосфере Юпитера есть и другие химические элементы в виде простых соединений: метан, аммиак, вода, гидросульфит аммония.

 

Сатурн – вторая по величине среди планет Солнечной системе. Имеет очень низкую среднюю плотностью, планета состоит главным образом из водорода и гелия. Температура поверхности облаков на Сатурне близка к температуре плавления метана – 184 градусов С, из твердых частичек которого скорее всего состоит облачный слой планеты. Сатурн окружен кольцами. Плотная система колец опоясывает планету вокруг экватора и нигде не соприкасается с поверхностью. Состав главных колец: водяной лёд (около 99 %) с примесями силикатной пыли. Толщина колец чрезвычайно мала по сравнению с их шириной (от 7 до 80 тысяч километров над экватором Сатурна) и составляет от одного километра до десяти метров. Общая масса обломочного материала в системе колец оценивается в 3x10¹⁹

 

Уран – седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. Уран имеет горячее ядро из металлов и силикатов, но, в отличие от остальных, своего тепла оно не выделяет. В его атмосфере довольно много водяного пара. Температура на Уране точнее, на видимой поверхности облаков – около - 215 градусов С. В таких условиях газы замерзают

Нептун – восьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. В центре Нептуна, согласно расчетам имеется тяжело ядро из силикатов, металлов и других элементов. Планета главным образом состоит из водорода и гелия с примесью соединений других химических элементов. Хотя температура верхних слоев атмосферы Нептуна более чем леденящая – 210 градусов С, она была бы еще ниже, не выделяй он 2,7 раза больше энергии, чем получает от солнца.

 

Плутон – наиболее удален от Солнца. Его холодная поверхность слабо освещена Солнцем. Вся планета покрыта слоем метанового льда толщиной в несколько километров, а под ним, вероятно, лежит слой обычного водяного льда. В зимний период температура опускается до – 240 градусов С. Летом у Плутона образуется разреженная газовая оболочка и состоит она из метана, аргона и азота. Плутон окрашен в голубой цвет. Плутон имеет твердое каменное ядро которое окружено прочным ледяным панцирем.

 

3. Химический состав вселенной.

Элементарный состав земной коры и солнечной системы на данный момент не является секретом. Весовые проценты элементов скрупулезно расписаны по таблицам. Можно даже подсчитать число атомов того или иного элемента. Итак, элементарный состав земной коры сегодня не является загадкой. Весовые проценты элементов (т.е. проценты от массы земной коры) скрупулезно расписаны по таблицам. Можно даже подсчитать число атомов того или иного элемента. Ныне кларки нередко выражаются в атомных процентах - в процентах от общего числа атомов земной коры.

Но почему, собственно, распространенность того или иного элемента именно такая, а не какая-либо другая и обязательно уменьшается с увеличением порядковых номеров элементов в периодической системе? Почему лишь восемь элементов составляют почти всю массу земной коры? И почему, наконец, для элементов, не принадлежащих к "восьмерке", разброс кларков столь велик?

Эти вопросы не получили бы ответа, если бы представления о распространенности элементов оставались, образно говоря, приземленными, если бы мысль исследователя ограничилась лишь изучением состава Земли. "Значение кларков вышло за пределы частной геохимической задачи - оно играет огромную роль в понимании геохимии Космоса", - писал А.Е. Ферсман.

Наша планета не более чем песчинка в бесконечном космическом пространстве. Прикоснуться к тайнам Вселенной удалось не сразу. Долгое время ученые только наблюдали небесные светила в телескопы. О том, чтобы узнать, из какой материи они состоят, не могло быть и речи. Но постепенно исследования "заоблачных далей" позволили нарисовать отчетливую картину распространенности элементов в космосе.

Мы никогда не узнаем, из чего состоят далёкие небесные тела, звёзды и Солнце», — утверждал в середине XIX в. видный французский философ Огюст Конт. Он выражал широко распространённое мнение.
Но прошло совсем немного времени, и выяснилось, что «познать непознаваемое» в действительности не так уж сложно. В 1859 г. двое немецких учёных — химик Роберт Бунзен и физик Густав Нирхгоф — изобрели простой и чрезвычайно чувствительный метод анализа. Он позволил изучать состав небесных светил с такой же степенью достоверности, с какой в земных лабораториях определялся состав минералов и руд руд.

Исследователи уже давно знали: различные вещества, помещённые в пламя горелки, окрашивают его в разные цвета. Например, поваренная соль окрашивала пламя в жёлтый цвет, медный купорос — в зелёный. Однако однозначно определить состав вещества по цвету пламени всё же оказывалось невозможно. Часто бывало так, что вещества разного состава окрашивали пламя одинаково.

Бунзен и Кирхгоф нашли выход из положения. Они предложили пропускать свет пламени через стеклянную призму. Призма разделяла цветные лучи на монохроматические (т.е. одноцветные). Например, литий и стронций окрашивают пламя в один и тот же малиново-красный цвет. Призма же позволяет обнаружить неоднородность литиевого и стронциевого пламени. В первом случае наблюдаются две линии — ярко-малиновая и рядом с ней бледно-оранжевая; во втором — голубая, две красные и оранжевая линии.
Так выяснилось, что светящиеся пары любого химического элемента испускают лишь одному ему свойственный спектр — определённый набор монохроматических излучений, каждому из которых отвечает своя линия.
Прибор, сконструированный Бунзеном и Кирхгофом, получил название спектроскопа, а разработанный ими метод — спектрального анализа.
Спектроскоп в сочетании с телескопом позволил анализировать излучение Солнца и звёзд и устанавливать их состав. Оказалось, что там присутствуют те же элементы, которые существуют на Земле.
Так начиналась наука космохимия. Нашлось дело для спектроскопа и на Земле. С помощью спектрального анализа определяют химический состав минералов и горных пород, поскольку этот метод оказался достаточно простым в применении.

Как окаалось, "небесная" последовательность кларков заметно отличается от земной. Лидерами являются первые два элемента периодической системы - водород и гелий. По существу, Вселенная на 75% состоит из водорода и на 24% - из гелия. Но есть и безусловное сходство: кислород и другие члены "восьмерки" принадлежат к числу элементов, широко распространенных в космосе. Выдерживается и другая земная традиция: чем выше порядковый номер элемента, тем меньше его содержание.

Одна из величайших проблем мироздания - происхождение химических элементов. Собственно химия здесь уже ни при чем - это сфера, подвластная ядерной физике. Но не только ей: нужно принимать во внимание представления об эволюции Вселенной, и прежде всего звезд. Именно звезды и есть те гигантские "фабрики", где протекал и протекает грандиозный процесс образования различных химических элементов в результате ядерных реакций. Современные теории рассматривают несколько стадий формирования элементов. Первая из них - термоядерная реакция, в ходе которой водород превращается в гелий. Затем наступает стадия слияния ядер гелия в ядра более тяжелых элементов, в том числе кислорода, магния, кальция, алюминия, кремния, железа... Словом, знакомая нам "восьмерка" повляется именно на данной стадии "звездного синтеза".

Наряду с этой ученые рассматривают и другую гипотезу: согласно ей, элементы со средними значениями порядковых номеров возникают в результате деления очень тяжелых ядер с большими зарядами. При космических "катастрофах", например, взрывах сверхновых звезд, обретают жизнь такие элементы, которые, видимо, никогда не удастся синтезировать в лаборатории. Они чрезвысайно неустойчивы и быстро распадаются на несколько гораздо более легких "осколков".

По одной из распространенных версий, Солнечная система, сформировались из облака космической материи, которую выбросил в пространство взрыв сверхновой звезды. Миновал долгий сток, прежде чем земной шар, пройдя различные стадии формирования, достиг современного состояния.

Многое изменилось за то время. Так, исчезли все трансурановые элементы (т.е. следующие за ураном в таблице Менделеева). Безвозвратно улетучилось большое количество водорода, гелия и других благородных газов. Наконец, заработала "доменная печь", начавшая сортировать различные элементы. Но как бы то ни было, химический состав Земли оказывается своеобразным "слепком", "отпечатком" тех невообразимо далеких событий, которые происходили во Вселенной.

Список использованной литературы.

1. Энциклопедия для детей, том 4 «Геология». Издательство «Аванта+» 2000г.

2. Энциклопедия для детей, «Физика» часть 1. Издательство «Аванта+» 2006г.

3. Энциклопедия для детей «Химия» Издательство «Аванта+»2006г.

4. «Детская энциклопедия, том 3 Вещество и Энергия» Издательство «Педагогика» 1973г.

5. Универсальная Энциклопедия для Юношества «Земля». Издательство «Педагогика-Пресс» 2001г.

6. «Геологический словарь» Том первый. Издательство «Недра» 1973г.

7. «Геологический словарь» Том второй. Издательство «Недра». 1973г.