| Содержание | Следующая задача | 38-ая Международная Химическая Олимпиада Тренировочные задачи |
Химия – язык жизни. Жизнь основана на атомах, молекулах и сложных химических реакциях между ними. Естественно, возникает вопрос о происхождении атомов. Согласно широко распространённой модели, Вселенная образовалась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва и продолжает расширяться до сих пор. История Вселенной может быть представлена как серия процессов слияния простых частиц в более сложные по мере понижения температуры. В этой череде процессов жизнь можно рассматривать как особое явление, происходящее на Земле при умеренной температуре.
Легкие элементы, в основном водород и гелий образовались в первые минуты после Большого взрыва, когда молодая Вселенная быстро расширялась и поэтому быстро охлаждалась. Звёзды – особые объекты во Вселенной: при их образовании температура не падает, а повышается. Они важны с точки зрения химии, т.к. в их недрах при температурах в десятки миллионов градусов, происходит образование тяжелых химических элементов, необходимых для жизни.
Температуру расширяющейся Вселенной можно оценить по формуле:
T = 1010 / t1/2
где T – средняя температура Вселенной в Кельвинах (К), а t – время (возраст Вселенной) в секундах. Ответы на вопросы с 1-1 по 1-6 дайте с одной значащей цифрой.
1-1. Оцените температуру Вселенной через 1 секунду после Большого взрыва, когда Вселенная была еще слишком горячая для того, чтобы протоны и нейтроны могли объединиться в ядра гелия.
1-2. Оцените температуру Вселенной через 3 минуты, когда термоядерный синтез гелия был почти завершен.
1-3. Оцените возраст Вселенной, когда температура снизилась примерно до 3000 К и началось образование первых атомов водорода и гелия из ядер и электронов.
1-4. Первые стабильные молекулы появились, когда Вселенная охладилась до 1000 К – температуры, при которой не происходит разрыв химических связей. Оцените возраст Вселенной в это время.
1-5. Оцените среднюю температуру Вселенной через 300 миллионов лет после Большого взрыва, когда появились первые звезды и галактики.
1-6. Оцените среднюю температуру Вселенной в наше время и сравните ее с температурой микроволнового реликтового излучения (3 K).
1-7. Расположите ключевые процессы в логическом порядке, учитывая, что 99% атомов во Вселенной – это атомы водорода и гелия.
a - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( )
a) кварки → протоны, нейтроны
b) 1014 клеток → человек
c) H, C, N, O → H2, CH4, NH3, H2O (в межзвездном пространстве)
d) протоны, ядра гелия + электроны → нейтральные атомы H и He
e) белки, нуклеиновые кислоты, биологические мембраны → клетки
f) протоны, нейтроны → ядра гелия
g) H2, He, CH4, NH3, H2O, космическая пыль → Солнечная система
h) атомы H и He → звезды и галактики
i) протоны, ядра гелия (лёгкие элементы) → тяжелые элементы: C, N, O, P, S, Fe, U; взрыв Сверхновой
j) H2, CH4, NH3, H2O и др. → аминокислоты, сахара, азотистые основания, фосфолипиды на Земле
Ответ
1-1. 1010 К.
1-2. 7×108 К.
1-3. 300 000 лет.
1-4. 3 млн. лет
1-5. 100 К
1-6. 10 К
1-7. a®f®d®h®i®c®g®j®e®b