СИБУР продолжает цикл научно-просветительских событий, посвященных 190-летию со дня рождения Дмитрия Менделеева. Очередная лекция прошла в новом офисном пространстве центра экспертной поддержки бизнеса. Ее провел астроном и популяризатор науки, доктор физико-математических наук, профессор РАН Дмитрий Вибе.

Редакция Enter побывала на лекции и рассказывает, как во Вселенной появились различные химические элементы, как они «заполнили» таблицу Менделеева и каким образом они начали объединяться в молекулы.

Из истории: Как сформировались знания об атомах и элементах

Гипотезы о том, что в мире существуют неделимые частицы, разрабатывались человечеством еще в Древней Греции, например, учеными Левкиппом и Демокритом. Уже тогда люди задумывались и понимали, что все существующее в окружающей среде можно свести к какой-либо системе, упорядочив минимальные знания. Именно тогда появились первые представления об атомах — мельчайших неделимых, невозникающих и неисчезающих частиц, обладающих определенной формой.

Дискуссии о том, есть ли у каждого вещества своя «частичка» или они могут состоять из смеси неделимых частиц разного вида, велись долгое время. В средние века, когда людям стало известно о большом разнообразии веществ, знания существенно расширились. Тогда элементами принято было считать воздух, землю, воду, огонь, ртуть, серу и соль.

Но уже в то время англо-ирландский натурфилософ, физик и химик Роберт Бойль предположил, что в окружающей среде существуют несколько иные элементы, которых гораздо больше. Именно им был сформулирован и предложен термин «Химический элемент», который мы используем и сегодня.

Наши представления о строении вещества сформировались на рубеже XVIII-XIX веков. Важную роль в развитии сыграл английский химик и физик Джон Дальтон, который сформулировал атомно-молекулярную гипотезу, согласно которой у каждого вещества есть химическая «частичка», сохраняющая его химические свойства, то есть молекула.

Выяснилось, что существуют сложные вещества — молекулы, которые можно разделить, — и простые вещества, которые дальше разделить нельзя. Многие ученые находили в свойствах простых веществ некоторые закономерности, но настоящим открывателем этих самых закономерностей считается Дмитрий Иванович Менделеев. В 1869 году он сформулировал периодический закон: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер атомов элементов». Если мы выстроим элементы по возрастанию их атомов, то будем рассматривать периодические возрастания их химических свойств.

Но к этому Дмитрий Вибе добавляет, что подобные рассуждения не совсем верны, ведь атом состоит из ядра, ядро состоит из протонов и нейтронов, а вокруг него летают электроны. Так вот ядро атома не принимает участие в химических реакциях, в них участвуют электроны. Свойства химических элементов зависят от количества электронов, но поскольку в нейтральном атоме количество электронов и протонов совпадает, мы говорим, что химические свойства зависят от заряда ядра, но это не так.

Например, разберем атом углерода — шесть протонов, шесть нейтронов и шесть летающих вокруг электронов. Если мы добавим к ядру еще один нейтрон, то заряд и количество электронов не изменятся. Таким образом, мы получим более массивное ядро того же самого химического элемента — их называют изотопами. Если из атома углерода мы уберем один электрон, у нас останется то же самое ядро, но пять электронов — мы получим ион.

Химическая эволюция Вселенной: Этап первый, ядерный

В современной науке ученые пришли к финальным терминологическим обозначениям знаний и определили, что атом состоит из ядра, окруженного электронами. При этом ядро состоит из нуклонов, то есть протонов и нейтронов, и не принимает участия в химических реакциях. Химические свойства элемента в этом смысле зависят от количества электронов в его атоме, а количество электронов в электрически нейтральном атоме равно количеству протонов в ядре, то есть его заряду.

По словам Дмитрия Вибе, химическая эволюция вселенной — это на самом деле эволюция ядер. Ее исследования должны ответить нам на вопрос: «Как и почему во Вселенной возникают различные ядра?» Первые размышления об этом сложились у людей в ранние стадии изучения химических элементов. Они пытались понять, какие процессы приводят к образованию различных ядерных элементов и как они взаимодействуют друг с другом. С течением времени и с развитием научных знаний, ученые смогли постепенно расширить свои знания о химической эволюции вселенной.

В рамках первого, ядерного, этапа развития Вселенной стоит упомянуть и про теорию Альфера — Бете — Гамова, которая представляет собой космологическую модель развития Вселенной. Эта теория была предложена в 1948 году американскими физиками Ральфом Альфером, Джорджем Гамовым и Робертом Бете.

Согласно ей, Вселенная начала свое существование из плотной и горячей точки, которая затем начала расширяться в результате Большого Взрыва. Постепенно происходило охлаждение и расширение Вселенной, в результате чего образовались элементарные частицы, атомы и звезды. Но в рамках этой теории ученые объяснили только происхождение водорода и гелия, а с другими элементами осталось множество вопросов.

Химическая эволюция Вселенной: Этап второй, молекулярный

Молекулярный этап химической эволюции начинается после образования атомов легких элементов, таких как водород, гелий и небольших количеств лития в результате Большого Взрыва.

На молекулярном этапе происходит образование более сложных молекул, таких как молекулы воды, углекислого газа, аммиака и других органических соединений. Эти процессы происходят в результате химических реакций, которые могут происходить в космическом пространстве, на поверхности планет или в атмосферах звезд.

Один из ключевых моментов молекулярного этапа — возникновение первичных органических молекул, таких как аминокислоты, нуклеотиды и другие биологически значимые соединения. Эти молекулы становятся основой для дальнейшего формирования живых организмов.

Очень интересная лекция от человека, который знает, о чем говорит. На мой взгляд, астрономия, физика и химия — это все исключительно математика, о которой нам сегодня в подробностях и рассказали. Я вообще не химик, больше все-таки специализируюсь в математике, и увидел в его [Дмитрия Вибе] рассуждениях ту информацию, которая ложится на наши знания именно по математике. Картинка сложилась целиком, это радостно и здорово!

Думаю, что подобные форматы сегодня достаточно актуальны и их важно проводить. Особенно значимы такие лекции и открытые занятия для людей, которые не особо погружены в науку. Будет полезно популяризировать последние достижения и объяснять некоторую теоретическую информацию. Это значимо для общего развития и понимания того, как устроен мир.

В целом лекция оказалась очень познавательной для меня. Подобран подробный и понятный материал, выбран простой язык для общения с аудиторией. Нам, как обывателям в научной сфере, лекция понравилась. К тому же я увидел в ней значимость с точки зрения культурного и социального развития.

Астрономия объединяет в себе несколько течений наук, становясь точкой соединения химии, физики и даже биологии. Отвечая на вопросы, связанные с космосом, можно очень много почерпнуть из того, что происходит на Земле. Мы все-таки смотрим на космос через призму человеческого восприятия, поэтому научные знания кажутся мне интересными и познавательными. Особенно когда начинаешь самостоятельно рассуждать на тему космоса, мысли становятся масштабными и чем-то даже завораживающими. Поэтому буду рад побывать и на других подобных событиях.

Мне очень понравилась лекция, потому что я интересуюсь теоретическими знаниями и различными направлениями в сфере науки. Очень классно изучать происхождение химических элементов, узнавать, какие методы используют для открытий и так далее. Дмитрий Зигфридович нашел правильные и достаточно простые слова для того, чтобы объяснить широкой публике сложные вещи. Я бы с удовольствием послушал продолжение лекции, ведь чем больше знаешь, тем интереснее жить.

Текст: Инзиля Шакирова
Фото: Дмитрий Печенкин