Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Существование молекул при помощи броуновского движения доказал в XIX в. Жан Батист Перрен. Молекулы делят на простые и сложные, к простым относят молекулы, состоящие из одинаковых атомов, к сложным – из разных атомов.
В одноатомном состоянии находятся инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон); имеются соединения, макромолекулы которых насчитывают тысячи атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза).
Молекулярные взаимодействия изучает химия. Молекулярные взаимодействия могут происходить в процессе соединения и превращения веществ или при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи, то есть новые конфигурации атомов, отличающиеся от исходных типов молекул. Существует два основных типа связей: ионная и ковалентная, включающая свою разновидность – водородную связь.
Ионная связь выражается в передаче одним атомом другому одного или нескольких электронов, из-за чего образуются отрицательно и положительно заряженные ионы, которые притягиваются друг к другу. Ковалентная связь возникает при создании пары общих электронов, по одному от каждого атома, которые притягиваются атомами с одинаковой силой (связь между одинаковыми атомами), с разной силой (полярная связь, электрически несимметричная связь). Разновидность ковалентной связи – водородная связь, соединяющая между собой три атома (два атома одного элемента и водород), она является наиболее характерной для живой материи.
Химические связи принято рассматривать с точки зрения затраченной энергии: если она меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то связь считается устойчивой; если больше – молекула распадается. Энергия, необходимая для связи частиц, называется энергией ассоциации , а необходимая для разложения молекулы – энергией диссоциации . Способность молекул присоединять атомы делает состав данного вещества постоянным и связана с валентностью – свойством атомов соединяться с другими атомами. Валентность равна числу атомов водорода, которые может присоединить элемент.
56. Принцип Ле-Шателье
Химические реакции могут идти в обе стороны – тогда их называют обратимыми , в одну – тогда они называются необратимыми , а некоторые вещества никак не реагируют между собой. Возможность или невозможность осуществления реакции объясняет термодинамика: реакция возможна только при уменьшении энергии веществ: F = E – TS и увеличении энтропии. Квантовая химия изучает протекание реакций на микроуровне, выявляя не только сами молекулы, но и особенности их электронных структур. До начала XX в. считалось, что в химических реакциях участвуют только атомы и молекулы, но в 1900 г. были открыты так называемые свободные радикалы, которые являются отделившейся половиной молекулы с ионным зарядом и способны тоже вступать в реакции. Следовательно, химические реакции определяются реакционной способностью, энергетическими и энтропийными возможностями, каталитическими и кинетическими закономерностями.
Объяснение направленности химических реакций и невозможности превращения молекул при некоторых реакциях нашел Ле-Шателье. Он обратил внимание, что наряду с прямыми и обратными реакциями существует множество реакций, которые не доводятся до конца. Как только в данной системе при данных условиях устанавливается динамическое равновесие, реакция прекращается. Ле-Шателье предложил способ выведения системы из равновесия по следующему установленному им принципу (получившему название принципа Ле-Шателье): «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот; если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие».
В современной формулировке принцип Ле-Шателье звучит так: любое внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия. Сегодня этот принцип считается общим принципом стабильности, устанавливающим взаимосвязи между всеми элементами Вселенной, включая живые и социальные системы.
57. Агрегатные состояния
В макромире вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Для каждого агрегатного состояния присуще характерное тепловое движение атомов и молекул.
Газообразное состояние характеризуется тем, что расстояние между атомами и молекулами значительно больше размеров самих молекул, поэтому силы притяжения и отталкивания в газах практически отсутствуют, что и вызывает их особенности: газы легко сжимаются (отсутствие или крайняя слабость сил отталкивания), могут неограниченно расширяться, занимая весь предоставленный им объем (отсутствие или крайняя слабость сил притяжения).
В термодинамике существует понятие идеального газа , то есть газа, для которого не нужно учитывать силы взаимодействия между частицами или собственный объем частиц; реальные газы этими качествами не обладают.
Твердое состояние вещества характеризуется тем, что молекулы и атомы совершают беспорядочные колебания относительно положений равновесия, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешиваются, то есть они не способны произвольно «уйти» со своего места. По типу твердые тела принято делить на аморфные и кристаллические. Атомы и молекулы в аморфных телах расположены беспорядочно, поэтому их физические свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) одинаковы во всех направлениях, в чем и заключается их изотропность. Атомы и молекулы в кристаллических телах расположены в определенном порядке, образуют так называемую кристаллическую решетку, поэтому физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, в чем и заключается их анизотропность .
Жидкое состояние вещества характеризуется тем, что молекулы жидкости некоторое время (время оседлой жизни) колеблются около положений равновесия, затем занимают новые положения равновесия и колеблются относительно них, что является причиной текучести жидкости и ее способности принимать форму сосуда, в который она помещена. Жидкости по степени подвижности молекул находятся в промежутке между твердыми телами и газами. Их молекулы достаточно подвижны, чтобы тело не могло принять определенную форму, но недостаточно подвижны, чтобы рассеяться в пространстве.
58. Понятие фазовых переходов
Понятие фазовых переходов базируется на основных положениях молекулярно-кинетической концепции:
• Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, интенсивность которого зависит от температуры (температура является показателем хаотичности системы).
• Между частицами существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания, природой которых является электромагнетизм.
• В отличие от механического движения нагревание и охлаждение систем может привести к изменению их физических свойств.
Изменение физических свойств вещества (газ, жидкость, твердое тело) и переход его из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазой называется часть системы, имеющая границу и сохраняющаяся внутри основного физического свойства системы (давление, температура, объем).
Существование фазовых переходов давно и хорошо известно. Как агрегатное состояние вещества, так и фазовые переходы определяются внешними условиями: температурой и давлением. Условиями существования газообразного агрегатного состояния являются высокая температура и низкое давление, условиями существования агрегатного состояния твердого тела являются низкая температура и высокое давление, промежуточные условия соответствуют агрегатному состоянию жидких тел.
Если Eкин движ>>Епотенц взаимод, это газообразное состояние вещества.
Если Eкин движ<<Епотенц взаимод, это твердое состояние вещества.
Если Eкин движ≈Епотенц взаимод, это жидкое состояние вещества.Фазовые переходы бывают двух типов. К фа зовым переходам первого (I) рода относят такие, когда в узком интервале температур скачком изменяется давление, плотность или объем. К фазовым переходам второго (II) рода относят изменение порядка расположения атомов и молекул в кристаллических решетках с резким изменением плотности вещества. К агрегатным состояниям относится также плазма . Состояние плазмы принимает ионизированный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит никакого взаимодействия молекул. В зависимости от степени ионизации газа различают: 1) слабо ионизированную (низкотемпературную) плазму; 2) умеренно ионизированную плазму; 3) сильно ионизированную (высокотемпературную) плазму. Плазма является наиболее распространенным состоянием вещества в мегамире.
59. Структурные единицы мегамира
Мегамир – это мир космических расстояний и космических масс, то есть мир, по отношению к которому человек соразмерен так же, как частица микромира к человеку. Мегамир включает в себя планеты, планетные системы, звезды, звездные системы, галактики, метагалактики.
Планетами называются несамосветящиеся небесные тела шарообразной формы, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. Планеты в основном состоят из твердого вещества, на некоторых из них есть атмосфера. Наиболее изученная человеком планетная система – Солнечная система. Планеты Солнечной системы двигаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. В Солнечную систему входит восемь планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон, недавно удаленный из списка планет и причисленный к планетоидам. Земля находится от Солнца на расстоянии 150 млн км.
Звездами называются светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газопылевых облаков путем гравитационной конденсации и удаленные друг от друга на огромные расстояния. В нашей галактике около триллиона звезд, их траектории определены силой тяготения между ними. Звезды различаются по массе и светимости. Наиболее распространенные звезды – карлики, их массы в 10 раз меньше массы Солнца. Среди карликовых звезд различаются в зависимости от массы: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры.
Белый карлик образуется, если его диаметр становится примерно равен диаметру Земли, а масса составляет 1,2 солнечной массы с плотностью около 10 т/см3. Нейтронные звезды образуются в результате взрыва на последней стадии эволюции и имеют массу от 1,2 до 2 солнечных масс, состоят из нейтронов и протонов. Черные дыры формируются на конечном этапе эволюции и представляют собой объекты с массой более 2 солнечных масс и диаметром от 10 до 20 км, они обладают чудовищной плотностью и гравитацией, не позволяющей испускать за пределы свет, поэтому черные дыры не имеют светимости.
Планеты образуют вокруг звезд планетные системы . Звезды образуют звездные системы (созвездия) , рассеянные звездные скопления или шаровые звездные скопления. Звездные системы и скопления образуют галактики . Наша галактика называется Млечным путем. Галактики могут быть эллиптические, спиральные и неправильной формы. Галактики образуют метагалактику .
60. Устройство Солнечной системы
Планеты Солнечной системы принято разделять на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), или малые планеты, и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Плутон недавно был выведен из числа планет и отнесен к планетоидам .
Планеты земной группы отличаются сравнительно небольшим размером, совершают медленный оборот вокруг оси, имеют наклон оси, отсутствие (Меркурий, Венера) или малое количество спутников (Земля, Марс), твердую поверхность и практически одинаковый химический состав (кремний, железо). Атмосфера присутствует у Земли и Венеры, разреженная на Марсе и практически отсутствует на Меркурии. Центр планет занимает железное ядро, планеты обладают магнитным полем (слабо выраженным только у Венеры).
Планеты-гиганты находятся на более дальнем расстоянии от Солнца, они отделены от планет земной группы поясом астероидов (малых планет числом около 5500), которые движутся вокруг Солнца по вытянутой орбите. За поясом астероидов находятся планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, отличающиеся большими размерами и массой, наименее массивная среди них Уран (только в 14,5 раз тяжелее Земли).
Планеты-гиганты имеют малую плотность, низкую плотность, быстрое обращение вокруг оси, мощную атмосферу, переходящую к центру планеты в жидкость, небольшое ядро, состоящее из водорода с металлическими свойствами, сильное магнитное поле и большое количество спутников (наименьшее число их – 8 у Нептуна) и кольца, состоящие из более мелких частиц (ярко выраженные кольца у Сатурна). Атмосфера планет-гигантов состоит из смеси разных газов (водород, гелий, метан, аммиак, водная взвесь и т. п.). За планетами-гигантами лежит еще один пояс астероидов, за ним расположен Плутон.
Центром Солнечной системы является Солнце – звезда с массой, в 332958 раза превосходящей массу Земли, и температурой на поверхности 5770 К. Вокруг Солнца обращаются планеты, астероиды и кометы, имеющие определенную траекторию движения – орбиту. Астероиды имеют неправильную форму, по составу похожи на планеты земной группы, у них нет атмосферы. Кометы стоят из смеси замерзших газов и космической пыли, они обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам.
61. Гипотеза Канта – Лапласа
Человечество всегда волновал вопрос, как возникла Солнечная система. В древности сотворение Солнца и планет приписывалось богам, в монотеистических религиях – богу-творцу. Книга Бытия рисует сотворение Солнечной системы как сотворение мира: сначала в этом мире был хаос, свет не был отделен от тьмы, затем по слову божьему в мире был установлен порядок: разделены тьма и свет, вода и земля, создано небо со звездами и планетами, земной рельеф, после чего начался процесс творения земной жизни и в том числе человека, живущего во времени и по законам времени – рождаясь, взрослея и умирая.
Научная картина мира имеет на счет образования планет Солнечной системы множество гипотез. Наиболее старая из них – гипотеза Канта – Лапласа , то есть космогонические воззрения двух ведущих ученых нового времени Канта (немецкий философ) и Лапласа (французский ученый).
Кант, основываясь на книге Бытия, предположил, что планеты возникли в результате сгущения холодного газопылевого космического облака, то есть из космического хаоса: постепенно сгущаясь, космическая туманность породила более плотные массы, которые стали отделяться от туманности и от Солнца в силу центробежных сил. Так образовались планеты. Идея Канта предполагала наличие некой божественной воли, данной силам природы, руководствуясь которой природа начала самостоятельно организовываться и развиваться.
Лаплас поддержал гипотезу Канта, но с некоторыми изменениями и дополнениями. Он считал, что космическое облако было не холодным, а раскаленным, в виде газовых колец, оторвавшихся от формирующегося древнего Солнца, которые, отодвигаясь от звезды, продолжали вращение и сгущение, в результате которого образовались планеты с их орбитами. В процессе развития сгущенные планетные массы остыли.
Эта гипотеза Канта – Лапласа известна как небулярная (от латинского слова туманность), или ротационная (от слова вращение), поскольку ведет происхождение Солнечной системы из вращения и сгущения туманности (холодной или раскаленной).
62. Гипотезы Джинса и Шмидта
В существовавшей гипотезе Канта – Лапласа имелось непримиримое противоречие с законами физики. Дело в том, что гипотеза не могла объяснить, почему расчетный момент количества движения (кинетический момент) планет почти в 30 раз больше момента количества движения Солнца, что противоречит закону сохранения кинетического момента. Кинетическим моментом в физике называется момент количества движения для вращающихся тел. Момент количества движения учитывает два вида вращательного движения – вокруг оси и вокруг другого тела.
Гипотеза Канта – Лапласа использовала вычисления для вращательного момента тел вокруг другого тела. При вычислениях планеты как в космическом масштабе малые величины были условно приняты за материальные точки. Числовое выражение момента количества движения вычислялось по формуле L=m · r · v. По закону сохранения момента количества движения (никакие события внутри изолированной системы взаимодействующих вращающихся тел не приводят к изменению общего для системы момента количества движения), момент количества движения для данной системы неизменен. Момент количества движения Солнца при вычислении дал около 2 % от планетарного, что поставило ученых в тупик:
при массе Солнца на 98 % большей, чем масса всех планет Солнечной системы, этого не могло быть. Требовались новые гипотезы. Гипотеза, предложенная Джинсом, объясняет расчетное несоответствие вмешательством сторонней звезды. Это так называемая гипотеза катастрофы : в период времени, когда Солнце уже было образовано, мимо него и близко от него прошла другая звезда, которая вызвала сильный гравитационный эффект с приливами солнечного вещества и выбросом газовых струй, в результате чего из выброшенного Солнцем материала и сформировалась Солнечная система. Эта гипотеза объясняла, как могла быть сформирована планетарная система, но ставила нашу систему в исключительное положение (иначе пришлось бы предположить, что все планетарные системы образуются подобным образом). Гипотеза Шмидта избавилась от блуждающей звезды и предложила другой вариант творения: Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило материю с достаточным моментом количества движения, из которой и сформировалась планетная система, в результате чего период обращения Солнца сократился до 20 суток (по современным данным, он равен 25 суткам).