Основы химии

Следовательно, основная масса веществ идет в отходы. И стоит задуматься,

правильно ли выбран данный технологический процесс? Куда девать получаемые

отходы? На наш взгляд, этот закон имеет глубокое эколого-философское

значение. Прежде всего, насколько возможны безотходные технологии о которых

много говорили не так давно. С другой стороны, какова ответственность

авторов-разработчиков того или иного технологического процесса,

выбрасываемого в отходы значительные массы «ненужных», иногда очень вредных

веществ.

По закону сохранении энергии «Любая энергия не исчезает и не возникает,

а только одни ее виды переходят в другие в эквивалентных количествах». В

этом законе мы сознательно на первое место поставили сохранение энергии,

так как следует еще провести дополнительные исследования превращения

химической энергии в другие виды. Особенно, если химическая реакция

протекает в условиях экосистем и с загрязняющими веществами.

К этим законам мы будем возвращаться в процессе изложения курса и будем

развивать эколого-химические идеи, заложенные в них.

Закон постоянства состава раньше считали вторым по значимости среди

химических законов. Он утверждает, что «каждое чистое вещество имеет

постоянный качественный и количественный состав независимо от способов

получения». Отсюда следует, что вещества, полученные разными способами, но

имеющие один и тот же качественный и количественный состав, должны обладать

одинаковыми химическими свойствами. Однако здесь необходимо сделать два

уточнения. Во-первых, на химические свойства влияет не только качественный

и количественный состав соединения, но и структура молекулы /взаимное

расположение атомов/. В связи с этим, одно и тоже соединение, полученное

разными методами, может отличаться по химическим свойствам. Но это не

значит, что разный состав вещества, просто в различном порядке соединены

друг с другом атомы. Во-вторых, закон постоянства состава выполняется при

условии, что химическое соединение всегда состоит из одних и тех же

изотопов данного элемента.

Закон кратных отношений применим к соединениям, образующимся из двух

элементов. Если два элемента образуют друг с другом несколько химических

соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу

другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

Например, углерод и кислород образуют два оксида: СО и СО2. В этих оксидах

массы кислорода, приходящиеся на одну и туже массу углерода, относятся как

1:2.

Закон оъемных отношений свидетельствует о том, что объемы

взаимодействующих газообразных веществ относятся между собой и к объемам

продуктов реакции, как небольшие целы числа. Например, 2NO+O2=2NO2;

VNO:VO2:VNO2=2:1:2

Закон Авогадро, сформулированный в 1811 году А.Авогадро, имеет большое

значение для химии и физики газообразных веществ. По этому закону «В равных

объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число

частиц /молекул, атомов, ионов/. Из этого закона вытекает следствие: «Моль

любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4л». Химикам известна

также и величина, которую называют числом Авогадра «N». Число Авогадро

показывает, сколько молекул содержится в одном моле вещества. N=6,02*1023.

Закон эквивалентов определяет, в каких количествах взаимодействуют

вещества между собой. По этому закону «Химические вещества взаимодействуют

друг с другом в весовых или объемных количествах, пропорциональных их

эквивалентам». Эквивалентное количество образуется из продуктов реакции.

Например, 2Н2+О2=2Н2О. Здесь с четырьмя эквивалентами водорода

взаимодействует четыре эквивалента кислорода и образуется четыре

эквивалента воды.

Математически закон эквивалентов записывают следующим образом

m1/m2=Э1/Э2, или m1/Э1=m2/Э2=mn/Эn

Законы экологии.

Конкретная наука не всегда способна объяснить все многообразие явлений

природы. Специальные науки изучают только отдельные грани природного

явления и не затрагивают их связь с другими явлениями или другими гранями

того же явления, изучаемого уже другой наукой. В тоже время в природе все

взаимосвязано. И существуют более общие, главенствующие над всеми частными

законами и закономерностями. Даже если они еще и не осознаны человеком. Это

касается прежде всего экологии. Обратимся, например, к такому

универсальному закону природы, как закону вектора развития, который гласит,

что «Развитие однонаправлено, от старости к молодости. Историю человечества

нельзя вернуть вспять».

В этом законе заложена очень глубокая экологическая мысль. Если

произойдет глобальная экологическая катастрофа, то все живое, в том числе и

человек, погибнет, ибо исторического возврата в универсальном законе

природы не предусмотрено. Эту мысль мы будем развивать в последующих главах

учебника.

Ряд экологических законов или закономерностей открыты не так давно

русскими и зарубежными исследователями. Так, В.И.Вернандский открыл: закон

физико-химического единства живого вещества, закон константности и закон

биогенной миграции атомов.

Согласно закона физико-химического единства живого вещества «Все живое

вещество Земли физико-химически едино». А по закону константности

«Количество живого вещества биосферы /для данного геологического периода/

есть константа». Причем, по биогенной миграции атомов «Миграция химических

элементов на земной поверхности /и в биосфере в целом/ осуществляется или

при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде

геохимические особенности которой обусловлены живым веществом /как тем,

которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало

на Земле в течение всей геохимической истории/ ».

С законом вектора развития созвучен закон необратимости эволюции

Л.Долло «Организм /популяция, вид/ не может вернуться к прежнему состоянию,

уже пройденному его предками». Что касается живых организмов, то по закону

минимума Ю.Либиха «Выносливость организма определяется самым слабым звеном

в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности

лимитирует тот экологический фактор, количество которого близко к

необходимому организму или экосистеме минимуму и дальнейшее снижение

которого ведет к гибели организма или деструкции экосистемы».

Важное значение имеет и закон максимума, по которому «Количественное

изменение экологических условий не может увеличить биологическую

продуктивность экосистемы и хозяйственную производительность агросистемы

сверх вещественно-энергетических лимитов, определяемых эволюционными

свойствами биологических объектов и их сообществ». В связи с этим, введен

закон снижения энергетической эффективности природопользования. По этому

закону «В ходе исторического развития при получении полезной продукции на

ее единицу в среднем затрачивается все большее количество энергии».

Действие этого закона мы уже стали ощущать.

Глубокое философское и практическое значение имеют так называемые

«Законы» экологии Б.Коммонера:

Первый – «Все связано со всем».

Второй – «Все должно куда-то деваться».

Третий – «Природа «знает» лучше».

Четвертый – «Ничто не дается даром».

И если к этим постулатам Б.Коммонера добавить закон неустранимости отходов

или побочных воздействий производства, который гласит, что «В любом

хозяйственном цикле образующиеся отходы и возникающие побочные эффекты

неустранимы, они могут быть лишь переведены из одной формы в другую или

перемещены в пространстве», то становится ясным к каким экологическим

последствиям может привести безрассудное хозяйствование, экологическая

профанация и бездумное антропогенное воздействие на экосистемы. Мы почему-

то не хотим до конца осознать, что тератогены /вещества, воздействие

которых на организм приводит к аномалиям в его развитии, возникновением

уродств/ могут вызывать быстроразвивающуюся цепь появления сплошных

мутантов. Мы все надеемся на толерантность организма /способность организма

относительно безболезненно выносить отклонение факторов среды от

оптимальных для него/, ибо согласно закона толерантности В.Шелфорда

«Лимитирующим фактором процветания отдельного организма или вида может быть

как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между

которыми определяет выносливость организма к данному фактору».

За последнее время опыт показал, что этот диапазон резко сужается.

Надо иметь в виду и закон максимизации энергии. Он объясняет, какая

экосистема имеет больше шансов на выживание. По этому закону «Выживает та

система, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и

использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом».

Глава 2.

Строение атома.

На рубеже XIX–XX веков наука вплотную подошла к открытию строения

материи. В этот период, метко названный революцией в естествознании, были

сделаны выдающиеся открытия:

–открытие катодных лучей /1897 – Крукс/,

–фотоэлектрического эффекта /1887 – Герц/,

–рентгеновских лучей /1895 – Рентген/,

–явления радиоактивности /1896 – Беккерель/,

которые подтвердили ранее сделанные предсказания о сложной структуре атома.

В результате было обнаружено, что в состав атома входят отрицательно

заряженные частицы, которые были названы Джозефом Томсоном – английским

физиком – электронами.

Экспериментальным путем в 1911 году Эрнестом Розерфордом было открыто

ядро атома, несущее положительный заряд и занимающее ничтожно маленькую

часть пространства внутри атома.

Первые теории строения атома были примитивными и не получили широкого

распространения. Однако в истории становления модели атома почетное место

занимают теории Розерфорда и Бора. Розерфорд предложил планетарную модель

атома /1911/. Бор сформулировал квантовые постулаты, разработал модель

строения атома водорода, вывел формулы для расчета радиусов и энергии

квантовых орбит и формулы для определения спектральных линий /1913/.

2.1. Квантово–механическая модель атома.

Современная квантово-механическая теория строения атома складывалась

постепенно. Делались новые открытия, совершенствовался математический

аппарат и, соответственно, выкристаллизовывалась модель атома. Современная

квантово-механическая теория гласит, что атом любого элемента имеет сложную

структуру. Положительная часть атома /положительный заряд/ сосредоточена в

ядре. Отрицательную часть составляют электроны, которые находятся в

беспрерывном движении.

2.1.1. Строение ядра. Протонно–нейтронная теория.

Ядро атома, открытое в 1911 году Розерфордом, имеет сложную структуру.

Основными частицами, входящими в состав любого ядра, являются протоны и

нейтроны.

Протон /обозначается ¦р/ – элементарная частица, входящая в состав ядер

всех атомов и имеющая массу, равную массе ядра атома водорода /1,008

а.е.м./ и заряд по величине равный заряду электрона, но противоположный по

знаку /+1/.

Нейтрон /обозначается 10n/ – элементарная частица, обладающая массой

близкой к массе протона /1,00866 а.е.м./, но не несущая электрического

заряда /электронейтральная/.

Теория строения ядра атома, предложенная в 1932 году нашими

исследователями Иваненко и Гапоном и немецким ученым Гейзенбергом названа

протонно–нейтронной теорией ядра. Согласно этой теории:

–ядро атома состоит из нуклонов /так названы в сумме протоны и нейтроны/;

–суммарное число протонов в ядре /Np=?¦р/ обуславливает величину

положительного заряда ядра /Zя/. От него зависит число электронов в

электронейтральном атоме /Ne/ и порядковый номер в таблице Менделеева /Z/:

Z=Ne=Zя=Np;

–суммарное число нейтронов /Nn=?10n/ c cуммарным числом протонов /Np/ дают

величину массы ядра /А=Np+Nn/. Эту величину называют массовым числом /А/.

Массовое число А равно целому числу, наиболее близкому по значению к

атомной массе данного элемента Аэ;

–зная заряд ядра и массовое число можно определить количество протонов в

ядре:

Nn=А–Z;

–структура ядра атома может быть выражена следующей формулой:

Zp+(A–Z)n

Например, структура ядра атома фтора /А=19, Z=9/ будет 9р+10n, т.е. в

состав ядра атома фтора входит 9 протонов и 10 нейтронов. Так как заряд

ядра /Z/ и массовое число /А/ являются количественной характеристикой атома

любого элемента /Э/, то он ставятся в виде индексов возле символа данного

элемента AZЭ, например для фтора 199F или для серебра 10847Ag.

Элементы, ядра атомов которых содержат одно и то же число протонов но

различное количество нейтронов, названы изотопами, например, цинк /Z=30,

A=64; 66; 67; 68;70/ имеет изотопы 6430Zn, 6630Zn, 6730Zn, 6830Zn, 7030Zn.

Атомы элементов, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды

ядер, названы изобарами, например: 4018Ar, 4019K, 4020Cr.

Химическим элементом называют вид атомов, обладающих одинаковым зарядом

ядра.

Наряду с протонами и нейтронами в состав ядер атомов входят и другие

элементарные частицы, например, мезон. /Мезоны в двести-триста раз тяжелее

электрона/. Существует мнение, что мезоны обуславливают ядерные силы,

которые приводят к образованию прочных и компактных ядер из протонов и

нейтронов. Этот аспект рассматривается в курсе ядерной физики.

2.1.2. Двойственная природа электрона.

Электроны, как элементарные частицы, проявляют корпускулярно-волновой

дуализм. Они являются частицами и проявляют волновые свойства.

Любая частица представляет собой сосредоточение вещества в малой части

пространства. Следовательно, как частицы электроны обладают массой me и

зарядом е.

Масса электрона me =9,11*10–28г. /в 1837,11 раз меньше массы атома

водорода/. Заряд электрона е=1,6*10–19 Кл/ или 4,8*10–10 эл.ст.ед./.

Движение электрона как частицы должно характеризоваться, с одной стороны,

траекторией, т.е. координатами и, с другой стороны, скоростью в данный

момент времени.

Однако в движении электроны проявляют волновые свойства. Этот процесс

происходит в объеме трехмерного пространства и развивается во времени, как

периодический процесс. Характеристикой волны является длина волны, ее

частота, скорость движения и амплитуда с определенным знаком.

Следовательно, электронный поток характеризуется длиной волны ?, которую

можно оценить с помощью уравнения Луи де Бройля /1924г./:

?=h/mv

Здесь h–постоянная Планка /h=6,62*10–34 Дж/, m–масса электрона, v–скорость

электрона.

Можно сказать, что уравнение де Бройля объединяет характеристику волнового

процесса /?/ и корпускулярного движения /mv–импульс/. Волновая природа

электронов подтверждена экспериментально полученной картиной интерференции

и дифракции электронов.

Неопределенность в поведении электрона.

Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то его движение не

может быть описано определенной траекторией. Траектория «размывается»,

возникает область /полоса/ неопределенности, в пределах которой и находится

электрон.

В связи с этим, для электрона, как микрочастицы, применим принцип

/соотношение/ неопределенности Гейзенберга /1927/, который гласит, что в

любой момент времени невозможно одновременно точно определить и положение

электрона в пространстве /его координату/ и его скорость /импульс/,

минимальная возможная неточность равна h.

Математически принцип неопределенности можно выразить так:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12