Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Основные понятия химии 2. Химические связи. 1. Химическая реакция и химический процесс. 2. Каталитические процессы. 1. Строение и история геологического развития Земли. 2. Взаимосвязь геосферных оболочек. Географическая оболочка Земли.

Подобный материал:

• Учебное пособие уфа-2007 удк 330. 01 (075. 8) Ббк 65. 02., 836.31kb.
• Утверждено Ученым Советом факультета психологии Санкт-Петербургского госуниверситета, 618.84kb.
• Учебное пособие для вузов Составитель Т. А. Тернова, 165.31kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2007 удк алексеева С. Ф., Большаков В. И. Информационные, 1372.56kb.
• Учебное пособие Кемерово 2007 удк, 1748.31kb.
• Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
• Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим советом угаэс уфа-2005 удк 330., 1365.17kb.
• Учебное пособие Москва Издательство Российского университета дружбы народов удк 811., 4061.47kb.
• М. К. Аммосова Институт физической культуры и спорта рабочая программа, 137.47kb.
• Базовый курс Учебное пособие Третье издание, исправленное и дополненное Томск 2007, 1615.15kb.

Лекция 16

Основные понятия химии

1. Развитие химических знаний. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева.

Химия – одна из основных областей естествознания. Как наука она имеет весьма сложную структуру, включает большое число специальных разделов, тесно связанных со многими областями естествознания и технологии. Можно определить химию как науку о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.

Химия прошла долгий путь развития от практических навыков обработки материалов, известных ещё древним цивилизациям, через средневековую алхимию и развитие технологических знаний в эпоху Возрождения и Новое Время до фундаментальной науки сегодняшнего дня. Можно считать, что научный период развития химии начался в 17 в., когда французский учёный Гассенди на новом уровне возродил идеи древних атомистов. Конкретное приложение атомизма к химии осуществил английский физик и химик Бойль, который пришёл к понятию химического элемента, заложил основы аналитической химии, развил практику химического эксперимента. В 18 в. Ломоносов в России и Лавуазье во Франции независимо установили закон сохранения массы в химических реакциях. Лавуазье провёл систематизацию химических знаний, установил новую научную терминологию и фактически превратил химию из совокупности несвязанных друг с другом рецептов в общую теорию, на основе которой можно было не только объяснить известные факты, но и предсказать новые.

В 19 в. идея атомного строения вещества отразилась в законе кратных отношений, открытом англичанином Дальтоном. Он же ввёл понятие атомного веса. Однако потребовались значительные усилия многих учёных (Пруст, Гей-Люссак, Авогадро, Берцелиус), чтобы атомно-молекулярное учение утвердилось в химии окончательно. Во второй половине 19 в. на основе учения о валентности и химической связи Бутлеров разработал теорию химического строения, которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности (производство красителей и медикаментов, нефтепереработка и др.). В теоретическом плане теория Бутлерова открыла путь к созданию теории пространственного строения органических соединений – стереохимии (Вант-Гофф). Складываются физическая химия и химическая кинетика – учение о скорости химических реакций, химическая термодинамика и др.

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома. Новый толчок к этому дало великое открытие Д.И. Менделеева - периодический закон химических элементов - и создание периодической системы элементов. Менделеев сформулировал закон так: «Свойства простых тел , а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.» Изучение атомной структуры привело учёных к выводу, что в основе системы элементов лежит заряд атомного ядра, который определяет число электронов в атоме, Периодичность свойств элементов является следствием периодического повторения сходного строения внешних электронных конфигураций атома. Поэтому современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. В связи с этим химический элемент определяется не просто как особый сорт атомов, а как совокупность одинаковых атомов или атомов с одинаковым зарядом ядра. Поскольку заряд ядра определяется числом протонов в нём, ядра с одинаковым зарядом могут различаться по числу нейтронов, поэтому элемент существует в природе в виде изотопов – атомов с одинаковым зарядом ядра, но разной атомной массой. Количество простых веществ (состоящих из атомов одного элемента) превышает 500, количество же соединений исчисляется миллионами. В химических процессах элементы остаются неизменными; все процессы, изменяющие состав ядра, изучаются в физике.

Периодическая система элементов Менделеева – это специальная таблица, в которой элементы расположены в соответствии с периодизацией их свойств. Из таблицы можно получить информацию о составе ядра данного элемента, узнать относительную атомную массу (усреднённую с учётом процентного содержания изотопов в природе), а также установить строение электронных оболочек атома и, используя известные закономерности, описать свойства этого элемента. По горизонтали (в периодах) усиливаются неметаллические свойства элементов и изменяется внешняя электронная конфигурация. По вертикали (в группах) усиливаются металлические свойства и возрастает неустойчивость атома. Исчерпывающе описать все закономерности, отражённые в периодической системе элементов, удалось лишь с развитием физики атома и атомного ядра, т.е. на основе законов квантовой физики. Квантовая механика составляет сегодня теоретическую основу для объяснения химических явлений; кроме того, и без применения других физических теорий современная химия немыслима. Именно тесная связь с физикой – основой естествознания – и применение её методов делает химию фундаментальной наукой.

2. Химические связи.

Взаимодействие между атомами химических элементов, обуславливающее их соединение в молекулы, называется химической связью. Иногда к химическим относят и связи, имеющие место в кристаллах. Вопрос о химических связях является общим для химии и физики, и его решение невозможно без использования физических законов. Согласно современным представлениям химические связи имеют в основном электрическую природу, т.е. сводятся к электронному взаимодействию, связанному с перестройкой электронных оболочек атомов. Фундаментальную теорию химических связей создал в 30-х годах 20 в. американский физик и химик Л. Полинг, впервые применивший в этом вопросе квантовую механику. Он рассчитал необходимую для образования связей энергию, углы и расстояния между атомами. Квантовый подход предполагает решение основного уравнения квантовой механики – уравнения Шредингера – для системы атомов и нахождение распределения плотности электронного облака.

При рассмотрении межатомных взаимодействий к химическим связям относят прежде всего ковалентную и ионную, однако такой же порядок энергии имеет и металлическая связь; кроме того, не только между молекулами, но и внутри них могут образовываться ещё и водородные связи. Для полноты картины охарактеризуем все названные виды связей.

Ковалентная связь возникает при обобществлении валентных электронов парой соседних атомов, причём образуется одна или более общих электронных пар (кратность связи). Ковалентная связь является причиной существования молекул простых газов (Н₂, Cl₂ и т.д.), многочисленных органических молекул (углеводороды), а также атомных кристаллов.

Ионная связь обусловлена переносом валентных электронов с одного атома на другой и дальнейшим электрическим взаимодействием образовавшихся в результате этого ионов. Она характерна для соединений металлов с наиболее типичными неметаллами (СаCl₂ , Аl₂О₃ ), а также для ионных кристаллов (поваренная соль ). Поскольку взаимодействуют разноимённо заряженные ионы (отрицательные катионы и положительные анионы), такая связь называется гетерополярной (в отличие от гомеополярной ковалентной).

Металлическая связь характерна для металлов и их соединений между собой (сплавов). В металлической кристаллической решётке положительные ионы, находящиеся в узлах, «сцементированы» свободными обобществлёнными электронами. Поскольку несвязанные с атомами электроны свободно движутся в кристалле, металлическая связь нелокализована и ненаправлена. Всё это обусловливает высокую электропроводность металлов.

Водородная связь возникает в том случае, когда между двумя так называемыми электроотрицательными атомами находится атом водорода. Тогда возникает своего рода ковалентная связь, но сильно смещённая от водорода в сторону другого атома. Тогда между двумя связывающимися атомами происходит сближение. Такие связи достаточно прочны.

На примере вопроса о химических связях можно увидеть распространение достижений фундаментальной физической науки на другие области естествознания. Один из разделов теоретической химии - квантовая химия – является фактически ветвью теоретической физики, т.к. главным её предметом является изучение электронного строения атомов, молекул, других химических объектов и описание химических процессов на основе законов квантовой механики и статистической физики.


Лекция 17

Химические процессы.

1. Химическая реакция и химический процесс.

Химическая реакция – это трансформация веществ, т.е. изменение их состава и (или) строения за счёт разрушения одной комбинации атомов и создания другой. При этом не затрагивается состав и строение атомных ядер. Классификация химических реакций может быть проведена по разным признакам: по числу молекул, участвующих в элементарном акте (моно-, бимолекулярные), кинетическому механизму (последовательные, параллельные, сопряжённые), характеру химического процесса (окисление, полимеризация), типам частиц (ионные, радикальные), фазовому состоянию реагирующей системы (газо-, жидко- и твёрдофазные) и др. Простую классификацию можно провести по характеру структурных изменений молекул:

Виды	Схема	Пример
1. Соединение	А + В = АВ	H2O +SO3=H2SO4
2. Разложение	АВ = А + В	2 H2O → 2 Н2 + О2
3. Замещение	АВ + С = АС + В	Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu
4. Обмен	АВ + СD = АD + ВС	NaCl+AgNO3=NaNO3+AgCl

Тепловой эффект реакции – это количество теплоты, выделяемое или поглощаемое реагирующей системой; если теплота выделяется, реакция называется экзотермической, в противном случае – эндотермической. Скорость протекания реакций зависит от таких внешних условий, как температура, давление, освещённость, от площади соприкасающихся веществ, концентрации, наличия катализаторов (ускорителей) или ингибиторов (замедлителей) реакции.

Химические реакции могут быть обратимыми, т.е. протекать в прямом и обратном направлении. При некоторых условиях наступает химическое равновесие – состояние реагирующей системы, при котором в ней протекают только обратимые реакции. Физико-химические параметры такой системы (температура, давление, концентрация) не будут изменяться с течением времени. В этом случае для управления реакциями применяется смещение равновесия, которое подчиняется установленному в 1884 г. принципу Ле Шателье: если какая-либо из переменных, определяющих состояние равновесия, изменяется, то равновесие сдвигается таким образом, чтобы содействовать уничтожению изменений.

К началу 20 в. была создана так называемая стационарная кинетика, описывающая протекание наиболее известных реакций в жидкой и газообразной фазах. Теоретическими основаниями для этого явились классическая термодинамика и классическая статистическая физика, а наиболее крупный вклад внёс шведский физико-химик С. Аррениус. Но уже тогда появились данные о том, что химический процесс сложнее, чем это представляет классическая наука. Развитие квантовой механики инициировало появление новых направлений в изучении химического процесса. Разрабатывается теория переходных состояний , описывающая поведение частиц в возбуждённом неустойчивом состоянии, теория переходного комплекса, теория свободных радикалов, а также теория цепных химических процессов, одним из основных авторов которой является академик Н. Семёнов.

Развитие химических технологий в 20 в. было бы невозможно без исследования химического процесса, понимаемого как последовательная смена различных качественных состояний химической системы (реакционной смеси) на пути получения веществ с заданными свойствами. Сложные химические процессы носят многоступенчатый, разветвлённый характер, причём каждая ступень может включать некоторое количество более или менее простых реакций.

Важнейшим этапом любой химической реакции является столкновения молекул, которое ведёт к взаимодействию лишь тогда, когда частицы обладают достаточно высокой энергией и находятся в неустойчивом состоянии. «Активировать» частицу можно путём ионизации, разрушения одной или нескольких химических связей и т.д. Используется несколько методов активации. В фотохимии это осуществляется путём воздействия на смеси веществ селективного (избирательного) излучения, энергия которого достаточна для возбуждения или разрыва отдельной химической связи. В термохимии применяется изменение температуры или давления реагирующей смеси, в каталитической химии – действие катализаторов и ингибиторов.

Реакционная способность веществ определяется особенностями строения и состава молекул, а также их состоянием, поэтому величина энергии активации зависит от внутренней энергии вещества, энергии химической связи, потенциала ионизации и других физико-химических характеристик. Для каждой конкретной реакции существует как бы энергетический барьер, который необходимо преодолеть за счёт внешних воздействий. Наличие активационного барьера для природных химических процессов явилось условием формирования того «химического облика» Земли, который мы можем наблюдать, и который явился условием для возникновения и развития жизни на нашей планете. При отсутствии такого барьера в природе воцарился бы полный химический хаос. В промышленных же условиях в некоторых технологических процессах приходится затрачивать огромное количество энергии на активацию веществ, но зато при этом можно быстро получать вещества, которые в природе синтезируются очень медленно либо вообще не могут синтезироваться (полиэтилен, пластмассы и др.). При сложных разветвлённых процессах основной задачей является снижение активационного барьера для основных реакций и его повышение для побочных.

2. Каталитические процессы.

Катализ – ускорение химических реакций в присутствии специальных веществ, катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. В настоящее время в химической промышленности используется несколько сотен каталитических процессов. Окончательно механизм действия многих катализаторов не установлен. Например, они могут образовывать промежуточные продукты химического процесса, которые затем распадаются на основной продукт и тот же катализатор. Благодаря действию некоторых катализаторов реакции протекают при меньших температурах и давлениях, что позволяет существенно снизить энергозатраты. Скорость реакций в присутствии катализаторов может существенно возрастать (до 10 млрд. раз). Не менее 20 % продукции химической промышленности получают каталитическим способом. Важнейшие катализаторы – ионообменные смолы, металлоорганические соединения, некоторые редкоземельные элементы. Со временем свойства катализатора ухудшаются и его необходимо заменять, однако в органической химии известны случаи, когда катализатор самоочищается и улучшается в процессе реакции.

С учётом физико-химической природы катализаторов различают

гомогенный катализ, когда реагенты находятся в одной фазе (газ или жидкость), катализатор распределён по реагирующей смеси, и реакция идёт по всему объёму;

гетерогенный катализ, когда реакция происходит на границе раздела смеси жидких или газообразных реагентов и твёрдого катализатора;

ферментативный катализ, который может быть и гомогенным, и гетерогенным; белковые биологические катализаторы - ферменты – активизируют молекулы реагентов, а также изменяют свойства окружающей химической среды, например, усиливают её каталитические возможности;

фото- и электрокатализ, дающие возможность управления процессом путём регулирования физических воздействий на реагирующую смесь.

Иногда роль катализатора играет химическая реакция; например, в живой клетке протекают так называемые сопряжённые реакции, влияющие на ход основных. В органической химии и биологии известны автокаталитические реакции, когда конечный продукт ускоряет химический процесс.

Из сказанного ясно, что современная химия – сложнейшая область человеческой деятельности, где главенствующую роль играют достижения физики, на которых базируются знания о веществе и химическом процессе, разработка химических технологий, методов анализа и контроля в промышленности, экспериментальные методы и др.

Лекция 18

Планета Земля

1. Строение и история геологического развития Земли.

Как уже было отмечено в лекции 4, по мнению многих учёных Земля возникла в ходе единого процесса формирования Солнечной системы из холодного газо-пылевого облака, в котором вследствие определённых физических процессов сначала сформировались довольно крупные твёрдые тела – планетезимали, а затем при их столкновениях и объединениях, а также в результате аккреции окружающего вещества возникли большие планеты. По современным данным Земля вначале своего существования была холодным телом. Есть мнение, что в результате аккреции и столкновений с крупными телами она могла разогреться вплоть до температуры плавления, что обусловило дифференциацию вещества: тяжёлые элементы сконцентрировались у центра, а более лёгкие у поверхности. При таком расслоении на железное ядро и силикатную мантию также могла выделяться энергия, выделяющаяся в виде тепла. Среди факторов, повысивших температуру первичной Земли, нужно выделить ещё энергию химических реакций и приливов-отливов, а также энергию радиоактивного распада. Ряд учёных, например, японский геофизик Озима, считают, что «выделяющаяся при распаде радиоактивных элементов энергия является основной движущей силой на протяжении 4,5 млрд. лет драматической истории Земли». Методами ядерной космохронологии и геохронологии установлено, что возраст Земли составляет 4,5 –5 млрд. лет, и что формирование планеты происходило довольно быстро, в первые сотни миллионов лет её жизни. На этом закончился астрономический этап истории Земли и начался геологический.

На геологическую эволюцию Земли повлияли (кроме её химического состава) факторы:

Сложный характер механического движения планеты;

Гравитационное взаимодействие с другими космическими телами;

Тепловые процессы во внутренних областях;

Периодически изменяющиеся потоки солнечной энергии;

Теплообмен с окружающей средой;

Существование живого как глобального геологического фактора, меняющего характеристики планеты.

Современная Земля представляет собой слегка сплюснутый у полюсов шар, средний радиус которого 6370 км, масса 5,98 · 10²⁴ кг, движущийся по почти круговой (точнее, эллиптической) орбите радиусом 149,6 млн. км со средней скоростью 30 км/с. Угол наклона земной оси к плоскости орбиты 66°34´, период обращения вокруг Солнца 355,25 суток, вокруг собственной оси – 23 часа 56 минут 4,09 секунды. Ось Земли медленно прецессирует, т.е. описывает коническую поверхность около некоторого среднего положения. Вместе со всей Солнечной системой Земля обращается вокруг центра Галактики. Эти движения определяют космические циклы Земли, периодичность поступления энергии на различные участки поверхности, смену периодов общего похолодания и потепления, времён года, наличие природных зон и др. На Земле сложились уникальные условия для существования жизни.

Выводы о составе и строении внутренних геосферных оболочек можно сделать лишь на основе моделирования. Ядро Земли имеет радиус около 3500 км, температура его внутренних областей достигает 5000 К (это спорные данные), но огромные давления препятствуют плавлению, поэтому внутреннее железо-никелевое субъядро находится в твёрдом состоянии, а внешняя содержащая серу оболочка - в расплавленном. Предполагается, что земной магнетизм порождён электрическими токами в ядре, в особенности в жидком его слое. Над ядром находится наиболее массивная часть Земли мантия, толщина которой около 3000 км, а температура на границе с ядром свыше 2000 К, а на границе с земной корой (верхней оболочкой) – около 500 К. Мантия состоит в основном из силикатов, а её вещество находится в разных состояниях на разной глубине: пограничный с ядром слой - в твёрдом, более высокие слои – в жидком, а на глубине около 300 км размягчённое состояние вещества образует астеносферу. В силу неоднородности в верхних слоях мантии возникают разрывы и сдвиги, что определяет движения земной коры, толщина которой на материках 35-70 км, а под океанами 3-10 км. Верхняя часть мантии и земная кора образуют твёрдую оболочку Земли – литосферу. Кора состоит из отдельных блоков – литосферных плит, которые впаяны в вещество мантии и со скоростью 1-5 см в год перемещаются по астеносфере. Причина этого глобального явления – сложное взаимодействие механического движения Земли и гигантской тепловой конвекции в её недрах. Движение литосферных плит определяет тектонические процессы, образование океанических впадин, горных хребтов и др. В этом проявляется геодинамическая функция литосферы.

Первая теория дрейфа материков была разработана немецким геофизиком А. Вегенером в начале 20 в. По его предположениям вблизи Северного полюса существовал единый материк – Пангея, который около 350 млн. лет назад разделился на две части – Лавразию и Гондвану, а они около 100 млн. лет назад распались на более мелкие куски, образовавшие современные материки. Предполагается , что подобные процессы повторяются с периодом в сотни млн. лет.

Совокупность всех водных объектов образует гидросферу Земли. Это самая тонкая из геосферных оболочек, её масса - 1/1000 доля массы Земли. Поверхность Мирового океана составляет ¾ площади поверхности Земли. Малый и большой круговорот воды поддерживают равновесие гидросферы и её способность к возобновлению запасов влаги. Большой круговорот полностью осуществляется за 200 млн. лет; это время, в течение которого происходит самоочищение океанских вод. Наличие гидросферы делает Землю уникальной планетой. Выделяется пять океанических комплексов: Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый и «Антарктический» (Южный) океаны. Каждый из них обладает самостоятельными системам циркуляции воздушных масс над поверхностью, особыми климатическими условиями и собственным влиянием на глобальный климат, имеет собственную систему течений, особое горизонтальное и вертикальное распределение гидрологических, химических и биологических характеристик. Океан рассматривается и как единый комплекс со своими закономерностями.

Атмосфера – газовая оболочка Земли высотой около 200 км, имеющая слоистое строение: тропосфера (до 20 км над уровнем моря), стратосфера (до 50 км), мезосфера (до 80 км) и ионосфера. На высоте 30-50 км находится озоновый слой, задерживающий жёсткое космическое излучение. Атмосфера состоит на 78 % из азота, на 21 % – из кислорода, 1 % составляют инертные газы, двуокись углерода и др. В тропосфере находится 4/5 всей массы воздуха, поскольку из-за хаотического теплового движения молекул и одновременного притяжения их к Земле устанавливается неравномерное распределение плотности. Атмосфера снабжает живые организмы воздухом для дыхания, защищает от излучений и метеоритов. При сложном взаимодействии океана и атмосферы формируется климат – статистически неизменный режим погоды данной области, зависящий и от характера подстилающей поверхности.

2. Взаимосвязь геосферных оболочек. Географическая оболочка Земли.

Все физические оболочки Земли имеют специфические геофизико-геохимические функции и находятся в тесном взаимодействии. Случайные изменения параметров одной из сфер (температура, давление, плотность, скорость перемещения и др.) вызывают локальные, а иногда и глобальные изменения в других сферах. Например, подвижки литосферных плит приводят к извержению раскалённых масс на поверхность земной коры, что сказывается на составе и состоянии гидросферы и атмосферы. В первые сотни миллионов лет жизни Земли эти процессы происходили с большей интенсивностью. Верхние слои литосферы обогащались тяжёлыми элементами. При дегазации лав и самой мантии выделялись газы, ставшие первичной атмосферой Земли – аммиак, цианиды, диоксид углерода, соединения серы, пары воды и др., что дало возможности для абиотического (не связанного с биологическими факторами) синтеза простейших органических соединений. Насыщенная парами атмосфера обладала высокой электропроводностью, что приводило к частым молниям, где температура могла достигать нескольких тысяч градусов. Это способствовало синтезу всё более сложных веществ. Поскольку не было озонового слоя, огромное количество ультрафиолетового и рентгеновского космического излучения содействовало фотохимическим реакциям. Тонкая атмосфера слабо препятствовала рассеянию тепла в космическое пространство, поэтому температура снизилась, пары сконденсировались и уже около 4 млрд. лет назад образовались водоёмы. Именно в первичном океане, как предполагают учёные, началось развитие жизни. Для этого необходимо было сочетание таких абиотических факторов как наличие необходимых химических элементов, определённый режим температур, давлений и влажности, освещённость, радиационный фон и др. Гидросфера и атмосфера первичной Земли почти не содержали кислород в чистом виде. Его выделение связано с появлением сине-зелёных водорослей – простейших организмов, осуществляющих фотосинтез.

Таким образом, современный облик Земли сформировался в едином процессе развития литосферы, атмосферы и гидросферы, взаимовлияние которых в наше время имеет уже иной характер. На границе этих трёх физических сфер возник особый глобальный комплекс, включающий ещё и биосферу, - географическая оболочка Земли или геосфера. Это область наиболее интенсивного взаимодействия всех природных сфер, в ней существует и развивается человечество, которое активно задействовало ресурсные функции геосферы. Благодаря живому веществу и специфической деятельности человека в геосфере более интенсивно, чем в других оболочках, идут процессы обмена веществом, энергией и информацией. Подвижное равновесие в этой тонкой оболочке (50-60 км) поддерживают в основном естественные природные циклы, однако всё более встраивающиеся в них техногенные процессы значительно смещают равновесие в сторону неустойчивости. Это является одной из основных глобальных проблем.