Строение и превращение веществ

24

РЕФЕРАТ

по физике

на тему: «Строение и превращение веществ»

Содержание

1. Строение и превращение веществ 3

1.1 Вещества и их свойства 3

1.2 Атомистические представления о строении вещества 4

1.3 Кинетическая теория вещества 8

2. Превращение веществ 12

Список использованной литературы 22

1. Строение и превращение веществ.

Основное содержание органической и неорганической химии составляют две концептуальные системы знаний:

1) учение о веществах, их составе и строении, о зависимости свойств веществ от состава и строения, позволяющее понять окружающий вещественный мир и проектировать на основе этих знаний построение новых нужных веществ и материалов;

2) учение о химических процессах, их закономерностях, позволяющее понять химические явления в природе и осуществлять химические реакции в целях практического получения мысленно конструируемых веществ и материалов.

1.1 Вещества и их свойства.

Веществ очень много. В настоящее время ученые знают около 4 млн. органических и около 100 тыс. неорганических веществ. И все они характеризуются определенными свойствами. Свойствами вещества называются признаки, по которым вещества отличаются друг от друга или сходны между собой.

Важнейшими физическими свойствами веществ являются:

1) агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное);

2) цвет;

3) плотность;

4) температуры кипения и плавления;

5) тепло- и электропроводность;

6) растворимость в воде и других жидкостях;

7) вкус и запах и т.д.

Каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами называют веществом, например, алюминий, сера, вода, кислород.

1.2 Атомистические представления о строении вещества.

Слово «атом» -- греческого происхождения, и переводится оно «неделимый». Принято считать, что первым идею о том, что кажущаяся гладкой и непрерывной материя на самом деле состоит из великого множества мельчайших и потому невидимых частиц, выдвинул древнегреческий философ Демокрит (чей «расцвет», согласно восхитительному по образности выражению классиков, пришелся на V век до н. э.). О жизни Демокрита нам, однако, практически ничего неизвестно, и оригинальные труды этого мыслителя до наших дней не дошли. Поэтому об идеях Демокрита остается судить в основном по цитатам из его работ, которые мы находим у других авторов, прежде всего у Аристотеля.

Логика рассуждений Демокрита, если перевести ее на современный язык, была крайне проста. Представим, говорил он, что у нас есть самый острый в мире нож. Берем первый попавшийся под руку материальный объект и разрезаем его пополам, затем одну из получившихся половинок также разрезаем пополам, затем разрезаем пополам одну из получившихся четвертинок и так далее. Рано или поздно, утверждал он (основываясь, как и все древнегреческие мыслители, прежде всего на философских соображениях), мы получим частицу столь мелкую, что дальнейшему делению на две она не поддается. Это и будет неделимый атом материи.

По представлениям Демокрита атомы были вечными, неизменными и неделимыми. Изменения во Вселенной происходили исключительно из-за изменений в связях между атомами, но не в них самих. Тем самым он тонко обошел давнишний спор древнегреческих философов о том, подвержена ли переменам сама суть видимого мира или все перемены в нем носят чисто внешний характер.

От древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве что само слово «атом». Теперь мы знаем, что атом состоит из более фундаментальных частиц (см. Элементарные частицы). Ясно, что между древнегреческой теорией и современными научными исследованиями мало общего: идеи Демокрита не основывались ни на каких наблюдениях или практических опытах. Демокрит, подобно всем натурфилософам античности, просто рассуждал и делал умозрительные заключения относительно природы мира.

Тем не менее, труды Демокрита не остались без признания и в современном мире. На последней греческой монете достоинством 10 драхм (теперь она выведена из обращения и заменена евро) на лицевой стороне изображен портрет Демокрита, а на оборотной -- схематическая модель атома. Я весьма признателен своему другу Гансу фон Байеру, обратившему мое внимание на то, что на монете изображен атом с тремя электронами -- стало быть, это атом лития. Демокрита называли «смеющимся философом» (похоже, он обладал несвойственным другим античным философам чувством юмора). Не потому ли на монете, увековечивающей его память, изображен именно атом лития -- химического элемента, который теперь широко используется для лечения депрессии?

Идея об атомном строении материи так и оставалась чисто философским умопостроением вплоть до начала XIX века, когда сформировались основы химии как науки. Химики первыми и обнаружили, что многие вещества в процессе реакций распадаются на более простые компоненты. Например, вода распадается на водород и кислород. Однако некоторые вещества -- те же водород и кислород -- разложению на составляющие при помощи химических реакций не поддаются. Такие вещества назвали химическими элементами. К началу XIX века было известно около 30 химических элементов (на момент написания этой статьи их открыто более 110, включая искусственно полученные в лабораторных условиях; см. Периодическая система). Кроме того, было установлено, что в процессе химических реакций количественное соотношение веществ, участвующих в данной реакции, не изменяется. Так, для получения воды неизменно берутся восемь массовых долей кислорода и одна доля водорода (см. Закон Авогадро).

Первым осмысленную интерпретацию этих фактов предложил Джон Дальтон, чьё имя увековечено в открытом им законе Дальтона. В своих химических опытах он исследовал поведение газов (см. Закон Бойля--Мариотта, Закон Шарля и Основной закон термодинамики), но этим круг его интересов не ограничивался. В 1808 году он приступил к публикации своего фундаментального двухтомного труда «Новая система химической философии», радикально повлиявшего на дальнейшее развитие химии. В этой работе Дальтон предположил, что осмыслить и интерпретировать последние достижения экспериментальной химии можно только приняв, что каждому химическому элементу в этих опытах соответствует уникальный для него атом, и что именно смешение и объединение в различных пропорциях этих атомов приводит к образованию наблюдаемых в природе химических веществ. Например, вода, по Дальтону, состоит из сочетания двух атомов водорода и одного атома кислорода (общеизвестная формула H2O). Тот факт, что все атомы одного вида неразличимы между собой, удачно объяснял, почему при химических реакциях они всегда обнаруживаются в неизменных пропорциях. Так, в случае с водой, два атома водорода всегда одни и те же, где бы мы ни взяли эту воду, и всегда находятся в одной и той же связи с единственным атомом кислорода.

Для Дальтона, как и для Демокрита, атомы оставались неделимыми. В черновиках и книгах Дальтона мы находим рисунки, где атомы представлены в виде шариков. Однако основное положение его работы -- что каждому химическому элементу соответствует особый тип атома -- легло в основу всей современной химии. Этот факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе является сложной структурой (см. Опыт Резерфорда) и состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра и легких, отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра. Достаточно обратиться к сложностям квантовой механики (см. также Атом Бора и Уравнение Шрёдингера), чтобы понять, что концепция атома не исчерпала себя и в XXI веке.

Атомистические представления о строении вещества, высказанные ещё философами древности (см. Атомизм), в начале 19 в. были с успехом применены в химии (Дж. Дальтон, 1801), что в значительной мере содействовало развитию М. ф. Первым сформировавшимся разделом М. ф. была кинетическая теория газов. В результате работ Дж. Максвелла (1858-60), Л. Больцмана (1868) и Дж. Гиббса (1871-1902), развивавших молекулярно-кинетическую теорию газов, была создана классическая статистическая физика.

Количественные представления о взаимодействии молекул (молекулярных силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классические работы в этой области А. Клеро (1743), П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1805), С. Пуассона, К. Гаусса (1830-31), Дж. Гиббса (1874-1878), И. С. Громеки (1879, 1886) и др. положили начало теории поверхностных явлений. Межмолекулярные взаимодействия были учтены Я. ван дер Ваальсом (1873) при объяснении физических свойств реальных газов и жидкостей.

В начале 20 в. М. ф. вступает в новый период своего развития, характеризующийся доказательствами реального строения тел из молекул в работах Ж. Перрена и Т. Сведберга (1906), М. Смолуховского и А. Эйнштейна (1904-06), касающихся броуновского движения микрочастиц, и исследованиями молекулярной структуры веществ. Применение для этих целей дифракции рентгеновских лучей в работах М. Лауэ (1912), У. Г. Брэгга и У. Л. Брэгга (1913), Г. В. Вульфа (1913), А. Ф. Иоффе (1924), В. Стюарда (1927-31), Дж. Бернала (1933), В. И. Данилова (1936) и др., а в дальнейшем и дифракции электронов и нейтронов дало возможность получить точные данные о строении кристаллических твёрдых тел и жидкостей. Учение о межмолекулярных взаимодействиях на основании представлений квантовой механики получило развитие в работах М. Борна (1937-39), П. Дебая (30-е гг. 20 в.), Ф. Лондона (1927) и В. Гейтлера (1927). Теория переходов из одного агрегатного состояния в другое, намеченная в 19 в. Я. ван дер Ваальсом и У. Томсоном (Кельвином) и развитая в работах Дж. Гиббса, Л. Ландау (1937), М. Фольмера (30-е гг. 20 в.) и их последователей, превратилась в современную теорию образования новой фазы - важный самостоятельный раздел М. ф. Объединение статистических методов с современными представлениями о структуре веществ в работах Я. И. Френкеля (1926 и др.), Г. Эйринга (1935-36), Дж. Бернала и др. привело к М. ф. жидких и твёрдых тел.

1.3 Кинетическая теория вещества

Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого, несомненно, существовавшего общего убеждения в механической природе тепла шло чисто опытным путем развитие вещественной теории тепла, видевшей причину тепловых явлений в особом веществе, "теплороде". Представления теории вещественного теплорода были столь просты и изящны, язык ее столь удобен был для описания явлений, что не было пока никаких причин оставлять ее и заменять заманчивой, но неопределенной механической теорией. Убеждение в механической природе тепла еще более укоренилось, когда Майер, Джоуль и другие показали, что теплота может исчезнуть, превратившись в механическую работу, что, наоборот, исчезнувшая механическая работа может дать тепло и что между количествами исчезнувшей работы и возникшего тепла существует постоянное отношение. Но никто из них не решался точнее характеризовать движение молекул в теле и привести его в непосредственную числовую связь с тепловыми свойствами тел. Заслуга эта принадлежит Клаузиусу (1857), который для случая газообразного состояния вещества дал наглядную и полную картину движения молекул; Клаузиус исследовал это движение и вывел из него как необходимость характерные свойства газов; он предсказал на основании своей теории ряд числовых зависимостей между свойствами газов - зависимостей, которые впоследствии нашли блестящее подтверждение. Таким образом, Клаузиус положил основание одному из замечательнейших отделов физики - кинетической теории газов (от греческого слова ??????? - движение), а вместе с тем утвердил и кинетическую теорию вещества. Согласно кинетической теории, всякий объем газа состоит из множества абсолютно упругих молекул, несущихся в полном хаотическом беспорядке по различным направлениям и с различными скоростями. Расстояния между отдельными молекулами вообще на столько больше радиусов сфер действия их, что молекулы газа необходимо признать в механическом отношении совершенно свободными. Двигаясь под влиянием одной инерции, молекула несется с равномерной скоростью по прямой линии, пока не встретится с соседней, тоже движущейся, молекулой или с каким-либо препятствием (стенкой сосуда, напр.). При встрече с соседней молекулой или препятствием данная молекула отражается от них, как отражается абсолютно упругий шар от другого шара или от стенки. Скорости различных молекул весьма различны, и скорость одной и той же молекулы должна непрерывно меняться вследствие столкновения с другими. Длины путей молекул от одного столкновения до другого весьма разнообразны, направления этих путей могут быть всевозможные и тоже вследствие столкновений непрерывно меняются. Такое движение есть движение вполне беспорядочное; все направления движения в нем равновозможны. Скорости движения молекул весьма различны; можно, поэтому говорить лишь о средней скорости их, причем средней скоростью называют ту скорость, которую должны были бы иметь все молекулы для того, чтобы полная энергия движения в данном объеме газа была та же самая, что и при данном неизвестном сложном распределении скоростей. Эта средняя скорость, как учит кинетическая теория газов, тем больше, чем выше температура газа и чем плотность газа меньше. Длины путей молекул между двумя столкновениями могут быть весьма различны; мы можем, поэтому говорить только о средних длинах путей. Эта средняя длина пути тем меньше, чем больше упругость или плотность газа; действительно, в сжатом газе число столкновений должно быть больше, а, следов., средняя длина пути должна быть меньше. Кинетическая теория газов (см.) дает даже возможность рассчитать как среднюю скорость движения молекул в газе, так и среднюю длину пути, и число столкновений в секунду. Некоторый объем газа, представляя комплекс движущихся молекул, обладает известным запасом кинетической энергии. Так как средняя скорость молекул с понижением температуры уменьшается, то уменьшается и запас энергии газа. Кинетическая теория газов отождествляет ее с запасом тепловой энергии газа; согласно этой теории, тепло есть не что иное, как движение молекул, температура - некоторая характеристика теплового состояния, пропорциональная квадрату средней скорости их. При понижении температуры средняя скорость молекул уменьшается; законным является вопрос: возможна ли температура, при которой скорость молекул сделается равной нулю? До настоящего времени такая температура не получена и нет никаких данных для предположения, что она когда-либо достигнута будет. При весьма сильном охлаждении все без исключения известные нам газы переходят в жидкое, и затем твердое состояние; к этим состояниям пока еще рискованно прилагать выводы кинетической теории газов. Однако такая температура мыслима; ее называют абсолютным нулем температуры. Закон, связующий среднюю скорость газовых частиц с температурой, и закон расширения газов дают нам возможность приблизительно определить, при какой температуре по шкале Цельсия должен был бы лежать абсолютный нуль; если бы мы вправе были прилагать эти законы к столь значительным температурным интервалам, мы нашли бы таким путем температуру в -273° Ц. Понятно, что никакого реального значения это число иметь не может: оно дает нам только новую исходную точку для счета температур, а следовательно, и новую (абсолютную) температурную шкалу, градус которой равен градусу шкалы Цельсия, а нуль - лежит на 273° Ц. ниже температуры таяния льда и которая является в высшей степени удобной при трактовании многих вопросов теории газов, жидкостей и твердых тел.

В начале 1870-х годов кинетическая теория двинулась на значительный шаг вперед: Ван дер Ваальсу удалось распространить ее и на газы, близкие к насыщению (пары), и на явления перехода паров в жидкость. Опытные факты, доказывавшие, что между жидким и газообразным состоянием нет резкой границы и что возможны переходные состояния, в которых мы вещество с одинаковым правом можем назвать и жидкостью, и паром, были известны и до Ван дер Ваальса; но лишь работы этого ученого дали нам более или менее ясную картину состояния вещества в переходных ступенях его от жидкости к газу и обратно. Несомненно, что и в жидкости существует молекулярное движение и что запас тепловой энергии жидкости есть запас кинетической энергии движущихся молекул ее. Кинетическая картина жидкостей настолько сложна, что не поддалась еще аналитическому исследованию, и в науке нет еще кинетической теории жидкости. Но в самом движении молекул жидкости сомнения быть не может; явления диффузии - медленного проникновения одной жидкости в другую, соприкасающуюся с ней, явление испарения с поверхности жидкости не могут быть объяснены иначе, как с точки зрения кинетической теории. Еще сложнее должны быть формы движения молекул в твердом теле. Связанные прочными молекулярными связями частицы твердого тела, вероятно, лишь колеблются по сложным кривым вокруг некоторых положений равновесия и, вероятно, лишь в высшей степени медленно перемещаются от одного места твердого тела к другому. Мы должны все же признать возможность такого, хотя и медленного, перемещения молекул и у твердого тела, так как недавние опыты Спринга несомненно доказали существование диффузии одного твердого тела в другое, с ним соприкасающееся.

2. ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ.

Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся, например, растворение в воде, фильтрование и выпаривание растворов, дистилляция, электролиз, ко вторым - смешивание растворов, нагревание веществ, проведение реакций с использованием пламени, взрывов. Например, воду можно получить при взрыве смеси кислорода и водорода, двуокись углерода - при сжигании угля, а серную кислоту - в результате сгорания серы на воздухе с последующим смешиванием образующей при этом трехокиси серы с водяным паром. Применяя электролиз, то есть, пропуская электрический ток через раствор, можно расщепить на элементы поваренную соль. При этом на одном электроде образуются пузырьки зеленоватого, ядовитого, удушливого газа, на другом - выделяется серебристо-серый металл. Это - соответственно хлор и натрий. Именно из них и состоит поваренная соль.

Провести четкую границу между физическими и химическими методами невозможно: например, нагревание минерала похоже на физический процесс, но оно, же может привести и к химическим изменениям.

Превращения веществ, которые сопровождаются изменением их состава и строения, изучаются химией. К числу ее основных задач относятся задачи синтеза и анализа.

Химический синтез представляет собой целенаправленное получение сложных веществ из более простых. Он основывается на знании их молекулярного строения и реакционной способности последних. Посредством синтеза создаются многие вещества.

Химический анализ представляет собой обратную задачу и связан с разложением сложных веществ на более простые. Как правило, анализ проводится с целью определения химического состава исходного вещества. При анализе происходит разложение исходного вещества на химические элементы.

Например, проводя разложение электролизом поваренной соли с целью ее анализа неоднократно и с разными количествами, можно установить, что при этом всегда натрий и хлор выделяются в одинаковой пропорции - 46:71. Следовательно, и в составе молекулы поваренной соли эти элементы находятся в такой же пропорции. Так как массы атомов* натрия и хлора находятся также в соотношении 46:71, то, следовательно, каждая молекула поваренной соли состоит из одного атома натрия и одного атома хлора.

Смешивание элементов приводит к таким образованиям, как соединения и смеси. Если насыпать кучку из песка, соли, железной пыли, древесных опилок и хорошо их перемешать, то в какой бы пропорции они ни были взяты, всегда можно снова разделить их (например, с помощью ковша, воды и магнита). В данном случае мы имеем дело со смесью. Если песок состоит из камешков, то это - грубая смесь, если песок и другие частицы очень малы, то смесь называется тонкой.

Можно приготовить еще более тонкие смеси различных веществ, например, растворяя поваренную соль в воде, сливая вместе воду и спирт или сплавляя цинк и медь для получения латуни. Это - молекулярные смеси. В отличие от грубых и даже тонких смесей их нельзя рассортировать вручную. Кстати говоря, воздух тоже представляет собой смесь. Это - смесь азота, кислорода, углекислого газа, гелия и некоторых благородных газов.

Пропорции, в которых составляются смеси, могут быть разными, но смеси всегда возможно разделить. Например, можно выпарить воду из раствора соли, провести дистилляцию спирта, выделить электролизом медь, охладить газы до жидкого состояния и дать им поочередно выкипеть. Но что касается составных частей смесей (например, поваренной соли, спирта, воды, меди), то все они обнаруживают постоянные физические свойства (плотность, температуру плавления, кристалличность и т.п). Ни одна из них не проявляет никаких признаков смесей: части, из которых они состоят, входят в них в постоянных пропорциях. Такие вещества называются соединениями.

Соединения в любом количестве, вплоть до последней молекулы, однородны по составу. В них атомы одного или нескольких элементов соединены между собой тем или иным видом химической связи. В преобладающем большинстве случаев химические соединения подчинены законам постоянства состава и кратных отношений. В настоящее время известно свыше трех миллионов химических соединений.

Определение химического соединения фактически совпадает с определением молекулы - мельчайшей частицы вещества, которая обладает всеми его характерными свойствами. Молекула представляет собой всегда одинаковую для одного и того же химического соединения группу атомов, удерживаемых вместе электрическими силами. Примерами химических соединений являются вода (H2O), серная кислота (H2SO4), поваренная соль (NaCl).

Если попытаться разложить, например, поваренную соль на более простые вещества, то такие методы, как нагревание или охлаждение, не дадут существенных результатов. Только электролиз расплавленной соли превращает ее в газообразный хлор и натрий. Электролиз же превращает в газ воду. Понятно, что этот газ состоит из кислорода и водорода.

Полученные при таких разложениях вещества расщепить на еще более простые вещества (нагревом до очень высоких температур, повторным электролизом, воздействием агрессивными веществами и т.п.), оказывается невозможно. Именно поэтому их называют химическими элементами. Железо, медь, углерод, ртуть, алюминий, йод - это все элементы. Но, например, латунь и воздух представляют собой смеси, а вода и поваренная соль относятся к соединениям. При синтезе, разложении и превращении веществ сами элементы никогда не меняются. Они остаются неизменными первичными кирпичиками во всех химических процессах: образование какого-либо вещества из других веществ посредством химических превращений возможно только в том случае, если в этих других веществах присутствуют все необходимые элементы!

Признанию многих веществ элементами, как правило, предшествовали многочисленные попытки расщепить их на более простые составляющие. Но такие вещества, как золото, серебро, свинец, считались элементами даже еще у алхимиков. Значительно позже было установлено, что азот и кислород, содержащиеся в воздухе, не поддаются дальнейшему разложению при действии на них другими и, следовательно, также являются элементами. Но оказалось, что углекислый газ можно разложить на газообразный кислород и черную сажу (или даже алмаз), и что он легко синтезируется из них же (при сгорании углерода). Долгое время считалась элементом вода. Впервые на кислород и водород ее расщепил Г.Кавендиш. В настоящее время вопрос об отнесении вещества к числу химических элементом решается по результатам измерения частот его спектральных линий.

Превращения одних веществ в другие, отличные по химическому составу и строению, называются химическими реакциями. Последние характеризуются соотношением участвующих в них веществ, степенью превращения, константами скорости и равновесия, энергией активации, тепловым эффектом. В процессе химических реакций происходит обмен электронами между атомами, что и приводит, в конце концов, к превращению одних веществ в другие.

Химические реакции классифицируют по числу молекул, участвующих в элементарном акте (моно- или бимолекулярные реакции), кинетическому механизму (последовательные, параллельные, сопряженные), характеру химического процесса (разложение, окисление, полимеризация), типам частиц, участвующих в превращении (ионные, радикальные, молекулярные), фазовому состоянию реагирующей системы (газо-, жидко- и твердофазные), области протекания реакции (гомогенные - в объеме фазы, гетерогенные - на поверхности раздела фаз).

В качестве примера химических реакций рассмотрим превращения, происходящие с углекислым газом. Это - тяжелый бесцветный газ. Он образуется, в частности, при сжигании угля или при окислении и расщеплении питательных веществ в живом организме. В процессе горения атомы углерода присоединяют к себе по две молекулы кислорода, образуя молекулы CO2. В обычных условиях углекислый газ не отдает свой кислород для поддержания горения других веществ: атомы кислорода связаны в нем очень прочно. Именно поэтому углекислотой можно погасить не только легкое пламя, но даже большой пожар. Углекислый газ слегка ядовит: для живого организма он вреден тем, что препятствует нормальному газообмену в легких. Он растворяется в воде, придавая ей кисловатый привкус (достаточно вспомнить газированную воду). При растворении его в воде получается непрочное химическое соединение, известное под названием угольной кислоты или (гидрокарбоната).

Если добавить в раствор угольной кислоты поваренную соль (хлористый натрий), то образуется сложная смесь. В подобных растворах вещества расщепляются электролизом на электрически заряженные атомы или группы атомов, называемые ионами. В полученной смеси присутствуют положительные ионы натрия, отрицательные ионы хлора, положительные ионы водорода и отрицательные ионы радикала CO3. Нельзя сказать, что там есть хлористый натрий и угольная кислота или соляная кислота и карбонат натрия, или даже смесь всех четырех веществ: каждая из комбинаций то объединяется, то расщепляется снова, так что все молекулы находятся в неустойчивом состоянии. Для того, чтобы расстроить установившееся равновесие необходимо удалить из раствора какое-либо вещество. Однако сделать это нелегко, поскольку все они растворены в воде.

Предположим, что имеется смесь растворов карбоната натрия (соды) и хлористого кальция. Эта смесь также содержит совокупность ионов:* натрия, кальция, хлора и карбоната. Но в этом случае, ни одна из полученных комбинаций в воде не растворима. Поэтому случайные столкновения между ионами приводят к образованию молекул карбоната кальция. Они же в воде не растворяются, а выпадают из раствора в виде мельчайших белых крупинок мела. Такой процесс происходит необратимо до тех пор, пока в растворе не останется углекислого кальция. Полученный при этом осадок, будучи отфильтрованным и просушенным, представляет собой чистый мел.

Но, взяв мел в качестве исходного сырья, можно разложить его на углекислый газ и известь (окись кальция). Для этого необходимо воспользоваться прокаливанием, и тогда каждые 100 г мела дадут 56 г извести и 44 г углекислого газа. Именно так получают на практике известь, которая широко используется в сельском хозяйстве и химической промышленности.

Известь при соединении с углекислым газом опять образуют мел. Однако эту реакцию трудно провести с кусками твердой извести, так как доступ к ней углекислого газа затруднен. Лучше растворить известь в воде и через раствор пропускать углекислый газ. При этом будут хорошо видны белые облачка осаждающегося мела.

При проектировании и исследовании химических реакций используют уравнения, показывающие, как атомы элементов соединяются или замещают друг друга. Например, химическое превращение, происходящее при сжигании угля выражается уравнением

C + O2 = CO2.

Оно говорит о том, что при соединении одного атома углерода С с молекулой кислорода O2, содержащей два атома, образуется одна молекула углекислого газа CO2.

Превращение углекислого газа в угольную кислоту выражается уравнением

CO2 + H2O = H2CO3,

которое означает, что при растворении углекислого газа в воде одна молекула газа CO2 соединяется с одной молекулой воды H2O и образует при этом одну молекулу угольной кислоты H2CO3.

Как было отмечено выше, угольная кислота представляет собой непрочное химическое соединение: она расщепляется на ионы водорода H+ и отрицательные радикалы CO3--. Эта реакция выражается уравнением

H2CO3 ---- > 2H+ + CO3--.

Реакция, происходящая при смешивании растворов углекислого натрия Na2CO3 и хлористого кальция CaCl2 описывается уравнением

Na2CO3 + CaCl2 ---- > CaCO3 + 2NaCl,

которое говорит о том, что при таком смешивании в осадок выпадает мел CaCO3.

Если мел CaCO3 прокалить, то он превращается в известь CaO и углекислый газ CO2. Это выражается уравнением

CaCO3 < --- > CaO + CO2.

Здесь стрелки, направленные в обе стороны, показывают что реакция может идти в любом направлении в зависимости от температуры.

Растворяясь в воде, известь образует раствор гидроокиси кальция:

CaO + H2O ---- > Ca(OH)2.

Полученная известковая вода реагирует с продуваемым через нее углекислым газом следующим образом:

Ca(OH)2 + CO2 ---- > CaCO3 + H2O,

в результате чего в осадок выпадает опять-таки мел CaCO3.

Главным объектом химии являются вещества и их превращения. К числу основополагающих обобщений химии относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодическая система, теория химического строения.

Создателем атомно-молекулярной теории и первооткрывателем закона сохранения массы веществ является М.В.Ломоносов.* Он четко различал две ступени в строении вещества: элементы и корпускулы (в нашем понимании - атомы и молекулы). Согласно Ломоносову молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX в. после утверждения в химии атомистики Дж.Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.

Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия. Даже в твердом состоянии в узлах кристаллической решетки органических веществ находятся молекулы, т.е. они имеют молекулярную структуру. Однако для неорганических соединений молекулярная форма существования вещества характерна лишь для газо- и парообразного состояния. Подавляющее большинство твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры, существует в виде макротел (например, куска меди, кристалла поваренной соли, друзы кварца). Твердые тела молекулярной структуры среди неорганических веществ (например, кристаллический йод, твердый диоксид углерода) скорее являются исключениями.

Таким образом, современная химия - это не только химия микрочастиц (атомов*, молекул, ионов*, радикалов и т.п.), но и химия макротел. Органические макротела характеризуются молекулярной структурой, чего не имеет большинство неорганических макротел. Последние состоят из атомов или одного и того же химического элемента (простое вещество), или разных элементов (химическое соединение). Признание немолекулярной формы существования твердого вещества приводит к необходимости пересмотра некоторых положений химической атомистики, модернизации основных законов и понятий, справедливых, в частности, для газа.

Несмотря на то что еще в 1760 г. М.В.Ломоносов* сформулировал, по существу, единый закон сохранения массы и энергии, до начала XX в. закон сохранения массы и закон сохранения энергии обычно рассматривались независимо друг от друга. Химия имела дело в основном с первым законом, а физика - со вторым. В 1905 г. основоположник современной физики А.Эйнштейн* показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, количественно выражаемая уравнением

E = mc2,

где E - энергия; m - масса; c - скорость света в вакууме.

Вследствие исключительно большой величины квадрата скорости света очень малые изменения массы ведут к колоссальному изменению энергии. Так, из последней формулы следует, что 1 кДж соответствует изменению массы 2*10-13 кг. Если считать тепловые эффекты составляют порядка сотен килоджоулей, то соответствующие изменения массы имеют порядок 10-11 - 10-12 кг. Это изменение массы лежит за пределами чувствительности современных весов. Поэтому изменением массы вследствие энергетических эффектов обычно пренебрегают. Но ядерная химия и энергетика имеют дело с явлениями, в которых энергия измеряется миллионами и миллиардами килоджоулей. Здесь изменением массы в связи с изменением энергии пренебрегать нельзя.

Из закона взаимосвязи массы и энергии нельзя заключать, что масса превращается в энергию. Масса и энергия неотделимы от материи, но они не эквивалентны между собой и не превращаются друг в друга: масса является одним из свойств материи, мерой ее инерции, энергия, же мера ее движения.

Неорганическая химия изучает свойства элементов, выявляет общие закономерности химического взаимодействия между ними. Самой важной из этих закономерностей является Периодический закон и его табличное выражение - Периодическая система. Физический смысл Периодического закона вскрыл учение о строении атома. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений связана с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов, химические и некоторые физические свойства элементов зависят от структуры электронных оболочек и особенно их наружных слоев.

Периодическая система является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений. Она играет огромную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии. В настоящее время синтез заурановых и заплутониевых элементов немыслим без Периодической системы. Полностью на ней построены гео- и космохимия.

Периодический закон и Периодическая система продолжают развиваться и уточняться. В частности, в настоящее время Периодический закон формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Таким образом, положительный заряд ядра оказался более точным, чем атомная масса, интегральным показателем свойств химических элементов и их соединений.

Важнейшим за последние годы событием в развитии Периодической системы явилось упразднение в ней нулевой группы. Она была введена Д.И.Менделеевым для объединения элементов, которые назывались в то время инертными газами. Открытие валентно-химических соединений ксенона и его аналогов, изучение их химических свойств показало, что благородные газы являются элементами главной подгруппы VIII группы Периодической системы.

Один из основоположников геохимии акад. А.Е.Ферсман писал: "Будут появляться и умирать новые теории, блестящие обобщения... Величайшие открытия и эксперименты будут сводить на нет прошлое и открывать на сегодня невероятные по новизне и широте горизонты, - все это будет приходить и уходить, но Периодический закон Менделеева будет всегда жить и руководить исканиями".

Фундаментальной задачей химии является изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Последние, как теперь известно, зависят, прежде всего, от его химического строения. Сравнительно недавно считалось, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Выдающийся русский ученый А.М.Бутлеров* установил, что "химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением". Это положение является фундаментальным законом химии. И в современной формулировке утверждает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы.

Таким образом, первоначально теория химического строения относилась только к соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее же время она рассматривается как общехимическая теория. Согласно ей химическое строение - это не только порядок элементной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направления и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п. Оказывается, что химическое строение вещества определяется в первую очередь характером химической связи между атомами. Поэтому основу современной теории химического строения составляет учение о химических связях.

Применение к проблемам структуры вещества квантовой механики подняло теорию химического строения на новую ступень. Но А.М.Бутлеров это предвидел, утверждая: "Само собой разумеется, что, когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, - когда законы механики получат и здесь приложение, - тогда учение о химическом строении падет, ... чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений". Это означает, что автор теории химического строения предвидел приложение механики атомного мира (т.е. квантовой механики) к его теории. Таким образом, теория А.М.Бутлерова не пала, а превратилась в фундамент современной химии.

Список использованной литературы

1. Дикерсон Р. и др. Основные законы химии. М., 1982

2. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия.- М.: Высшая школа, 1990

3. Захарченко В.Н. Коллоидная химия.- М.: Высшая школа, 1989.

4. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высшая школа, 1998, 2002.

5. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия.- М.: Высшая школа, 1988