Атом, молекула и их взаимодействия. Исследовательская работа студента по теме Атом, молекула и их взаимодействия Студент 135 группы Института педиатрии
 Скачать 64.96 Kb.
|
 Учебно-исследовательская работа студента по теме: Атом, молекула и их взаимодействия Студент 135 группы Института педиатрии Таран В.А. ЗАДАЧА УЧЕБНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ. В данной работе последовательно излагаются основы строения атома и молекулы в соответствии с усложнением структуры, а так же на различных примерах более подробно описываются основы взаимодействия частиц, их образующих. В этой работе приведено описание течения химических реакций, а так же принципы ионизации. ФИЗИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ ВНУТРИ АТОМА. Основу физического взаимодействия атомов и его отдельных структур (Ядра и электронов) составляют фундаментальные взаимодействия. В число последних входит четыре вида: гравитационное, слабое, сильное и электромагнитное. Для понимания строения атома достаточно знать два взаимодействия: электромагнитное и сильное. Электромагнитное взаимодействие; оно основывается на способности тел воздействовать на другие тела, посредством сообщение им энергии через электромагнитные волны, в сущности, являющимися фотонами. Электромагнитные волны считаются безмассовыми, поскольку так же постоянно находятся в движении. Электромагнитное воздействие возникает у всех тел, имеющих какой-либо заряд, положительный или отрицательный, оно не возникает у тел, имеющих нейтральный заряд. В свою очередь, электрический заряд определяется наличием в атоме электронов и протонов, двух противоположно заряженных частиц. Их заряд определяется импульсом, могущим быть сообщенным других частицам, иначе это называется спином.. В целом системы в физике чаще нейтральны, то есть содержат в себе и положительный и отрицательный заряд в равном количестве. Сам заряд обозначается целым числом, поскольку отражается наличием целого электрона или протона, то есть невозможностью существования половины протона совместно с целым электроном. За счет закона притяжения противоположно заряженных частиц, протон и нейтрон образуют ядро, а электрон, имя противоположный заряд, притягивается к ядру и вращается вокруг него. Конечно, существуют кварки, составляющие адроны и имеющие дробный электрический заряд, но они не наблюдаются в свободном состоянии. Сами кварки так же участвуют во всех формах фундаментальных взаимодействий, описанных в этой главе. Так, электромагнитное поле, создаваемое между положительно или отрицательно заряженными частицами, является следствием излучения протонами или электронами – фотонов. Из этого заключения следует то, что электромагнитные волны – это фотоны, которые сообщают энергию. За счет сообщения энергии посредством электромагнитного излучения тела притягиваются. Сообщенная телу энергия и последующее притяжение разноименных зарядов друг к другу отражает стремление всех тел в системе к обретению нейтрального заряда, то есть свойство к обретению стабильного состояния, впоследствии способного привести атомы к межатомному взаимодействию и образованию молекул. Сильное ядерное взаимодействие – это вид взаимодействия между кварками и глюонами, способный передавать энергию исключительно в пределах одного атома и менее. Кварки и глюоны состоят из адоронов(Барионов и мезонов). Все это – элементарные частицы, несущие дробный заряд, имеющие размер в тысячи раз меньше размера протона. Сильное взаимодействие объясняет, почему нуклоны(протоны, положительно заряженные и нейтроны, нейтрально заряженные) связаны между собой, ведь электромагнитное взаимодействие зарядов требует наличия разноименных, то есть положительного и отрицательного заряда. Ядерное взаимодействие нуклонов обуславливается испусканием и приемом пионов(элементарных частиц) из которых состоят нуклоны. Пионы имеют заряд положительный, отрицательный и нулевой. Заряд пионов обуславливается наличием в них кварков и антикварков, то есть элементарных составных пионов. Так же, необходимо знать, что кварки связанны между собой при помощи поля Хиггса, которое образуется вследствие испускания кварками частиц – хиггсовских базонов, которые возникают по причине взаимодействия переносчиков взаимодействия, то есть ровно потому же, почему возникают все взаимодействия: испускание определенных частиц и обмен ими. Иными словами, любое взаимодействие элементарных частиц объясняется взаимодействием или обменом их составных частей. МЕЖАТОМНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Межатомное взаимодействие строится на электромагнитном воздействии ядра и электронов одного атома и ядра и электронов другого атома. Другими словами, на обмене энергии фотонами двух атомов (Что описывалось выше). Мерой этого взаимодействия является энергия, которая удерживает эти атомы вместе. При высоких значениях энергии атомы могут соединяться, образовываться двухатомные молекулы, такие как Cl2, O2 и прочие подобные. Это объясняется сильным взаимодействием тел, то есть интенсивным процессом испускания фотонов из электронов, образующих связь. Но так же, энергия взаимодействия во многом определяется расстоянием между электронными оболочками. Электронная оболочка – это пространство, где наиболее вероятно окажется электрон в определенный момент времени и имеющего одинаковое главное квантовое число (Которое задается энергией электрона, его спином и его способностью испускать фотоны внутриатомного взаимодействия). Таким образом, расстояние между электронными оболочками определяет энергию, которая определяет силу взаимодействия атомов. Эта энергия равна значению электромагнитной энергии, которая сообщается между электронными уровнями. То есть, межатомное притяжение возникает вследствие случайного отклонения величины электрических зарядов двух атомов, расположенных рядом. Напомним, что электрический заряд – это совокупность энергии или величина, способная вступать в электромагнитное взаимодействие, то есть энергия, выраженная в фотонах, способных взаимодействовать с другими фотонами других атомов. Вследствие недостаточности, возникшей случайно, в одном из атомов, в нем освобождается место для энергии, которую необходимо принять от другого атома, поскольку каждый атом стремится к нейтральному заряду. И равноценный процесс характерен для другого атома, если в нем происходит избыточность этой энергии. Таким образом, межатомное взаимодействие обеспечивается случайным изменением зарядов атомов и их взаимным восстановлением. Атомная орбиталь существует вне зависимости от того, есть на ней электрон или нет, поскольку ее существование продиктовано квантовым состоянием ядра, то есть начальным состоянием ядра. В целом, атомная орбиталь – это пространство, в котором окажется электрон в определенный момент времени. Энергия электрона зависит от его расстояния до ядра атома, следовательно, определяется единственным образом зарядом ядра, той энергией, которое оно может сообщить электрону для связи с ним. Ядро атома, взаимодействуя с электронами, расположенными вокруг него, уменьшает их заряд прямо пропорционально увеличению расстояния между этими двумя квантовыми структурами. Заряд уменьшается за счет уменьшения энергии электрона. По причине постоянного испускания электроном электромагнитного излучения, он теряет энергию, и в зависимости от расстояния до ядра атома электрон может получать энергию и тут же отдавать ее на взаимосвязь с ядром, то есть сохранять квантовое равновесие в той мере, в которой это позволяет заряд ядра и его расстояние до электрона. Таким образом, электромагнитное взаимодействие электрона и ядра обуславливается стремлением этих двух структур к нейтральному положению. Основная причина такого процесса содержится в том, что электрон не может испускать электромагнитное излучение направленно, то есть вектором; электромагнитное поле локализуется вокруг всего электрона. Таким образом, чем дальше электрон от ядра, тем меньше его взаимодействие непосредственно с ядром и тем меньше его совокупная энергия, поскольку электрон нуждается в цепной реакции взаимодействия. Если вспомнить слабое взаимодействие, то становится понятно, что часть энергии, то есть фотонов, теряется электроном постоянно, хоть и очень долго, и требует восполнения, следовательно, энергии, фотонов от других тел. Таким образом, взаимодействие ядра и электрона происходит из-за процессов обмена энергией, то есть фотонами. Электронная оболочка атома – это область пространства, в которой вероятнее всего окажется электрон в определенный момент времени, при условии равенства энергии электронов, но их противоположной заряженности в пределах отрицательного заряда. Последнее условие диктуется квантовыми взаимодействиями внутри электрона, балансом частиц и античастиц, определяющих заряд электрона в пределах его отрицательного заряда. Следовательно, заряд приобретает дробное значение. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМА. Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Ядро атома состоит из протонов, положительно заряженных частиц, и нейтронов, нейтрально заряженных частиц. Известно, что электроны имеют отрицательный заряд. Именно вариабельность электронов, протонов и нейтронов, то есть составных частей атома, определяет свойства последнего. Электроны вращаются вокруг ядра в определенной последовательности и в определенную сторону. Их вращение продиктовано квантовым состоянием ядра, то есть совокупностью квантовых частиц, входящих в состав электрона и определяющих его свойства посредством вариации общего энергетического заряда или импульса (спина) в электроне. Атом может иметь в своем составе разное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов и электронов. Такие атомы по отношению друг к другу называют изотопами; они имеют одинаковый электрический заряд, поскольку число положительно и отрицательно заряженных частиц не меняется. Стоить иметь введу, что масс всего ядра атома меньше, чем сумма масс всех протонов и нейтронов, входящих в его состав. Это обуславливается дефектом масс: разница между массой квантов ядра в состоянии покоя и квантами ядра в активном состоянии. Дефект масс ярко показывает устойчивость ядра, потому что иначе энергия, то есть масса, уходила бы из него, и он бы распадался на кванты, теряя свою форму, однако этого не происходит. Сам дефект масс объясняется тем, что часть энергии каждого кванта ядра уходит на поддержание фундаментальных взаимодействий внутри ядра, что может являться доказательством существования последних, а именно доказательством существования фотонов – безмассовых частиц, переносящих электромагнитное взаимодействие. Важно вспомнить, что частица считается безмассовой не потому, что не имеет энергии, а потому что находится в движении со скоростью света постоянно. Тогда разница между совокупной массой всех квантов ядра и массой ядра – это энергия связи атомных структур. Вокруг ядра вращается электрон, который в своем составе имеет сам электрон и позитрон, они вращаются в одном направлении, имеют противоположный заряд и вращаются они непосредственно вокруг общего центра масс, образованного вращением. Основной такого вращения является межквантовое взаимодействие: за единую ценную систему принимается и позитрон и электрон, которые совместно образуют центр масс, вокруг которого и осуществляют вращение. ИЗОТОПЫ. Изотопы – это атомы, имеющие одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов (В ядре). Сами по себе изотопы имеют одинаковый порядковый номер. Изотопные соединения имеют почти одинаковые свойства, могут различаться по некоторым физическим свойствам и временем распада. Изотопы могут быть радиоактивными, то есть по причине меньшего количества нейтронов, они могут распадаться быстрее и особым образом, отличным от других нуклидов. Нуклид – определенный химический элемент со своим количеством нейтронов, протонов и электронов. В пределах одного химического элемента может существовать несколько нуклидов, которые могут отличаться по количеству нейтронов. Радиоактивный изотоп – радионуклид – нестабильный нуклид, характеризующийся изменением квантового состава, посредством испускания или излучения квантовых частиц в избытке, то есть в количестве, не нужном для поддержания межатомых взаимодействий, да и внутриатомных в том числе. Радиоактивный распад чаще всего представляет собой цепную реакцию, основанную главным образом на выбивание электрона, или его античастицы – позитрона, из своего места вращения, из своего атома. Тем самым создается поле свободного движения электронов (или позитронов), которые, встречаясь с другими атомами, так же могут выбивать электрон или протон из другого атома. Таr создается цепная реакция распада. Это будет продолжаться до тех пор, пока электрон не встретит на своем пути атом, изменение конфигурации которого, посредством цепной реакции, будет невозможно, введу его стабильности и электрон либо будет включен в состав этого атома, либо аннигилируется – распадется на кванты. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. Ядерные реакции отличаются от химических реакций тем, что в процессе первых происходит изменение количества протонов, нейтронов и электронов, а так же изменение химических свойств атома и/или его изотопного состава. Ядерная реакция протекает за счет изменения кинетической энергии квантов внутри атома, то есть за счет изменения совокупной энергии движения квантов. Процесс реакции крайне прост: кванты одного атома взаимодействуют с квантами другого либо заменяясь, либо выбивая, либо прибавляясь к цельному атому. В результате реакции происходит образование новых изотопов либо новых атомов. Ядерная реакция изменяет свойства отдельных атомов в той или ной мере, в отличии от химической, которая изменяет свойства. Определить произошла ли атомная реакция можно лишь посредством анализа полученных частиц: результат реакции часто сопровождается ионизацией – образованием отрицательно или положительно заряженных частиц из нейтральных атомов. Таким образом, атом теряет часть энергии, приобретая другой заряд и возможно новые химические свойства, если атом испустил достаточно весомый ион, состоящий из множества частиц. Ионизация характерна для всех атомов, но не всегда проявляется. Необходимым условием ионизации считается сообщение энергии атому (от другого атома), способной преодолеть квантовые силы взаимодействия внутри первого атома, иначе это называется преодолением потенциального барьера. Таким образом, для протекания реакции на атомном уровне необходимо, чтобы энергия распадающегося атома (В какой либо мере распадающегося, имеется введу что атом может потерять один электрон, а может и целый комплекс частиц) была меньше энергии атома, который на него воздействует. Поскольку атомы всегда находятся близко друг к другу, реакции протекают постоянно; исходя из того, что наш мир относительно постоянен в плане распада частиц, можно сказать, что ядерная реакция равновесна – образование продуктов реакции равно распаду последних. Иными словами, реакции протекают очень быстро и в обе стороны и редко значительно изменяют квантовое состояние атома и его химические свойства. Однако, на уровне межатомного взаимодействия возможны реакции превращения одних атомов в другие, но стоит знать, что это возможно во многом в специальных условиях. ВЕЩЕСТВО И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Вещество – это форма существования материи, которая составляется из кварков (Другими словами – протонов, нейтронов и электронов и их античастиц). Вещество представляет собой форму существования материи, имеющую массу в состоянии покоя, в отличии от безмассовых частиц, считающихся таковыми исключительно по критерию пребывания последних в состоянии движения со скоростью света. То есть в отличии от фотонов. Свойствами любого вещества принято считать его способность к изменению его агрегатного состояния и способность изменять форму, объем. Если последнее свойство понятно, проявляется при воздействии на вещество каких-либо сил, способных изменить положение атомов в веществе, то первое свойство продиктовано природой вещества и температура изменения агрегатного состояния для каждого вещества может быть различной. Таким образом, для изменения агрегатного состояния требуется энергия в виде тепла, то есть в форме электромагнитной волны определенной частоты. Для начала необходимо обозначить, что вещество имеет физико-химические свойства (Не только химические), которые выражаются в плотности, температуре изменения агрегатных состояний, сюда так же относятся термодинамические характеристики, то есть объем, давление, температуру и массу вещества. Для общего понимания нужно иметь введу, что термодинамика рассматривает макро процессы, то есть процессы, происходящие в обширных системах, а потому под термодинамические свойства подпадают такие общие и всем известные характеристики вещества. К физико-химическим свойствам вещества так же относят кристаллическую структуру. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА. Агрегатное состояние вещества – это физическое состояние вещества, характеризующееся совокупным влиянием на него температуры и давления. Изменение этого состояния сопряжено с изменением баланса внутренней энергии вещества, с изменением его термодинамических характеристик и вследствие чего – с высвобождением энергии в виде электромагнитных волн разной частоты. Изменение агрегатного состояния можно отследить не только при измерении термодинамических характеристик системы, состоящей из нескольких атомов. Не смотря на то, что изменение агрегатного состояния – это главным образом процесс, играющий роль в макропроцессах, процессы высвобождения энергии возможны и в пределах одного атома, поскольку он так же может считаться целостной системой, совокупная энергия которой может изменяться при внешних воздействиях (Например, электромагнитных волн); так, мы не сможем сказать об изменении агрегатного состояния, потому как система для этого должна состоять из нескольких атомов. Обобщая, можно сказать, что изменение агрегатного состояние – это изменение энергии атома, а следовательно и скорости движения квантов внутри атома и электронов вокруг ядра. При росте температуры – скорость движения частиц атома возрастает, возрастает энергия приближения и следовательно отталкивания атомов (Так как электромагнитное взаимодействие – это равновесный процесс, который протекает между двумя разноименно заряженными частицами). Агрегатное состояние могло быть бы статичным, то есть неизменным, если бы за систему брался один атом (или их группа), при условии, что на эту систему не оказывается никакого воздействия извне, однако это невозможно. Изменение агрегатного состояния – это фазовый переход от одного расстояния между молекулами внутри вещества до другого расстояния, которое сопровождается изменением термодинамических свойств вещества. Вся совокупность вещества составляет систему, которая может быть гетерогенной и гомогенной. Гомогенная среда – это среда, содержащая вещество одного агрегатного состояния, например жидкая среда или твердая среда. Гетерогенная среда – отличается тем, что содержит в себе сразу несколько агрегатных состояний веществ. И таким образом, фаза вещества – это гомогенное состояние в гетерогенной среде, то есть это совокупность вещества, находящегося в одном агрегатном состоянии относительно других веществ, находящихся в другом агрегатном состоянии. Необходимо вспомнить, что агрегатное состояние зависит от скорости движения квантовых частиц внутри атома, вместе с тем и скорости движения атомов внутри молекул. Тогда можно сказать, что термодинамическая фаза (Поскольку именно для термодинамики характерны такие Макро процессы) – это совокупность вещества, имеющего одинаковую скорость движения квантов в атомах и соответственно атомов в молекулах. Между двумя агрегатными состояниями, между двумя фазами проходит граница раздела фаз. Фазовый переход – это переход вещества из одного фазового (агрегатного) состояния вещества в другое. Квантовый фазовый переход – это переход вещества из одного фазового (квантового) состояния вещества в другое. Однако, агрегатным состоянием вещества термодинамическая фаза не ограничивается, такой термин использовался здесь для более понятного восприятия. В гомогенной системе все химические и физические свойства системы равны в каждой пространственной единице. В гетерогенной системе химические и/или физические свойства не однородны в пределах одной системы. В термодинамике, гомогенной средой называют однородную систему, где в каждой пространственной единице равны давление, температура и концентрация вещества. В химии же гомогенной средой называют однородную систему, в каждой точке пространства которой осуществимы равные химические реакции. Представленные определения имеют разницу в том, что первое определение подразумевает воздействие термодинамических факторов, таких как нагрев, а последнее определение строится на воздействии различных излучений на квантовом уровне, например, такого как электромагнитное излучение. То есть, понятие квантового фазового перехода применимо для квантовой системы, в процессе квантового перехода происходит изменение энергии квантов главным образом, но под действием фундаментальных сил взаимодействия атомных структур. Другими словами, переход от одного агрегатного состояния – это воздействие на атом излучений, которые не участвуют в фундаментальном взаимодействии, а квантовый переход – переход посредством этих самых сил квантового взаимодействия. Несмотря на разницу данных определений, результат у них один: изменение фазового состояния всего вещества, посредством сообщения ему энергии, или ее отъема (охлаждение). Для иллюстрации термодинамической фазы можно привести повседневный пример – туман. Термодинамическая фаза воды в нем – жидкость, а другая термодинамическая фаза воды в тумане – газ. И на поверхности (в данном случае) воды, на соприкосновении этих двух гомогенных сред (Гомогенных единственным образом вследствие однородности агрегатного состояния внутри одной капли воды) будет образовываться граница раздела фаз, на которой происходят фазовые явления и фазовые взаимодействия. Вся среда тумана будет являться гетерогенной по причине того, что содержит в себе сразу несколько агрегатных состояний разных веществ(Но иногда и одной) КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА. Под кристаллической структурой понимают общность атомов, расположенных в строго определенной последовательности. Такая структура создает кристаллическую решетку, в узлах пересечения связей которой располагаются ионы или молекулы. Термин кристаллической решетки считается общепринятым вспомогательным образом расположения составных частей молекул в форме решетки. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. Химическая связь – это взаимодействие между атомами, которое определяет свойства молекулы или кристалла. Химическая связь определяется взаимодействиями между ядрами и электронами. Химическая связь имеет ряд характеристик, сопряженных с силой фундаментальных атомных взаимодействий: длинна, прочность, устойчивость и полярность. Последнее свойство определяется главным образом вероятностью пребывания электрона в определенном поле вокруг ядра. Вокруг ядра вращаются электроны в определенной последовательности, с определенным квантовым состоянием (энергией) и определенным импульсом. Наиболее вероятное место пребывания электрона в определенный момент времени создает в этом месте полюс отрицательного электромагнитного заряда, на основании электромагнитного взаимодействия (Электрон испускает электромагнитные волны – фотоны – с отрицательным зарядом). Поскольку ядро имеет положительный заряд из-за протонов, в том месте, где пребывание электронов наименее вероятно, создается положительный полюс(Протон испускает электромагнитные волны с положительным зарядом). Введу наличия у молекулы положительного и отрицательного полюса, она имеет название полярной. Для более подробного понимания химических связей, нужно ввести ряд понятий. Диполь – термодинамическая система, характеризующаяся наличием источника электромагнитных волн, являющихся переносчиками электрического заряда, с разными противоположными, разноименными полюсами и расходящимися в противоположные стороны. Электронная плотность – это плотность вероятности нахождения электрона в определенной конфигурации пространства. Следовательно, электронная плотность атома с малым количеством электронов будет зависеть единственным образом от расстояния до ядра. Тогда молекула становится неполярной: ее полюс везде одноименный. В сложных молекулах введу множественных фундаментальных взаимодействий, больших значений конфигурации энергии квантов и различных расстояний от атомов до электронов – электронная плотность будет различной, молекула будет неполярной. Таким образом, полярность молекулы определяется электронами, а точнее их импульсом вращения и совокупной электронной плотностью, создаваемой этими электронами с их квантовыми значениями энергии. Важно вспомнить, что квантовые значения электронов задаются зарядами его квантов и конфигурациями количества разных квантов внутри электрона. Полярность химической связи – определяется тем же самым, но в масштабах молекулы, то есть электронной плотностью, вероятностью пребывания электрона в определенной пространственной конфигурации. Валентный электрон – во многом их количество и квантовая конфигурация определяют свойства химического элемента и химической связи. Они завершают внешний электронный слой атома. Важно знать понятие атомной орбитали – это существующее вне зависимости от электронного баланса поле, где оптимально будет пребывать электрон с определенным квантовым состоянием, то есть совокупностью энергии, выраженной в квантах и определяющих заряд и поведение в атоме электрона. Квантовые числа электрона для определения химической реакции не столь важны. Таким образом, валентный электрон – это электрон с определенным квантовым значением энергии, которое определяет его расположение на наружном слое. На каждой орбитали может располагаться 8 электронов, за исключением некоторых других орбиталей. Это объясняется тем, что вращение электронов по одной оси и в одну сторону одновременно невозможно, поскольку они бы сталкивались; так же это обусловлено электромагнитным взаимодействием, а именно отталкиванием одноименных зарядов. Последний уровень электронов в атоме – часто не заполнен и следовательно может как получать новые электроны, так и отдавать, за исключением инертных соединений, которые имеют полностью заполненную последнюю электронную оболочку. Устойчивость химической связи главным образом зависит от силы взаимодействия электронов и ядер разных атомов. Эта сила определяется квантовыми числами электронов: чем они выше, тем сильнее связи. Чем выше энергия электрона, тем больше энергии он отдает на поддержание фундаментальных взаимодействий и тем прочнее химическая связь. Последний параметр выражается в способности других атомов прореагировать, то есть нарушить это равновесие при помощи энергии по сумме выше энергии связей, которые реагент хочет разрушить. При наличии свободных орбиталей, то есть не занятых квантовых конфигураций, на их место могут вставать электроны другого атома. Таким образом, химическая связь создается за счет обобществления электронов с одинаковым квантовым состоянием, за счет обобществления пары электронов, поскольку только пара может иметь одинаковое квантовое состояние (То есть одинаковую совокупность энергии, задаваемой квантами электрона). Существует несколько видов химической связи. Простейшая, одноэлектронная химическая связь – характеризуется наличием всего одного общего электрона у двух атомов. Это объясняется тем, что силы притяжения двух атомов друг к другу равно силе их отталкивания; сила отталкивания положительно заряженных ядер обоих атомов равна силе притяжения этих атомов к единственному источнику отрицательного заряда – электрону. Этот вид электронной связи примечателен тем, что здесь нет электронных пар, поскольку взаимодействие происходит исключительно между одним электроном и двумя атомами. Такой механизм связи во многом характерен для простых веществ. Он возникает между положительно заряженными ионами (То есть атомами, у которых на внешней энергетической оболочке электронов меньше, чем допускает положительный заряд ядра, так как каждый атом стремится быть нейтральным) и нейтральными атомами, имеющими на внешнем энергетическом уровне один электрон, то есть имеющие один валентный электрон. Металлическая химическая связь – формируется за счет электромагнитного взаимодействия электронов и положительно заряженных ионов (катионов), расположенных в узлах кристаллической решетки металла. Эта связь основывается на том, что в узлах кристаллической решетки находятся катионы, каждый из катионов отдает электрон на поддержание химической связи и последние беспорядочно двигаются в пределах вещества, обеспечивая связь за счет приближения разноименно заряженных частиц (катионов с положительным зарядом и электронов с отрицательным зарядом). Такое строение металла обуславливает его высокие значения теплопроводности и электропроводности. Наличие свободных электронов в металле создает возможность их движения, при сообщении некоторой энергии – электрического тока. В процессе проведения электричества, ионы в узлах решетки могут колебаться, тем самым нагреваясь. При повышении температуры металла его электропроводность уменьшается. Это объясняется сцеплением ранее свободных электронов с ионами в узлах решетки. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. Для химических реакций характерно постоянство изотопного состава реагентов и продуктов. В результате химической реакции происходит перераспределение электронов и ядер, определяющих свойство химического элемента посредством конфигурации совокупной энергии движения в нем. Для того, чтобы произошла химическая реакция, электроны другого атома должны суметь получить то квантовое число, которое необходимо для того, чтобы воздействовать на другой атом, то есть либо потерять либо получить энергию (Экзотермические и эндотермические реакции). В свою очередь химические связи тесно связанны с химическими реакциями: для их образования требуется ровно такое же взаимодействие между атомами. То есть связь электронов одного атома с ядром другого атома при равенстве квантовых чисел электронов обоих атомов, и для достижения этого равенства энергия в виде различных излучений может исходить от атомов или при необходимости – энергия может передаваться электрону извне посредством других излучений (Экзотермические реакции). В целом, химические реакции происходят при любом воздействии на молекулу. Здесь мы уже имеем введу не атомы, а молекулы, то есть соединения нескольких атомов в одно целое посредством межатомного взаимодействия или межмолекулярного (Если это молекулы, состоящие из нескольких других молекул, существовавших на момент реакции). Химические реакции имеют множественную классификацию. Реакции происходят только при контакте реагентов, могут происходить при катализаторах, а могут и при иных воздействиях. Химические реакции очень разнообразны: одни реакции протекают только с нагревом, другие только при наличии света, то есть воздействия фотонов на атом. Рассмотрим природу некоторых реакций. Фотохимическая реакция – протекает исключительно при воздействии фотонов света, то есть электромагнитных волн видимого глазом человека спектра. К таким реакциям относят фотосинтез. Для протекания данной реакции, иными словами, требуется энергия в виде фотонов, которая оказывается достаточной для того, чтобы дать возможность перейти электронам и ядрам из одних соединений в другие, то есть, чтобы дать возможность произойти реакции. Необходимо вспомнить фундаментальные взаимодействия атомов и все станет понятнее: для протекания реакции требуется наличие в реакционной системе свободных, незанятых фотонов, которые сумеют запустить реакцию, вступив во взаимодействие с реагентами и кратковременно и малозначительно нарушив их равновесное взаимодействие. Вместе с тем, важно учесть еще один принцип фотохимической реакции: энергии света должно быть достаточно, чтобы достичь функциональных групп молекулы, то есть необходимо не просто воздействовать электромагнитными волнами на всю молекулу. Воздействие должно произойти таким образом, чтобы свет прошел через молекулу к функциональной группе, не вступая в атомную реакцию с другими частями молекулы. Здесь нужно подчеркнуть, что этот принцип имеет место для сложных молекулярных соединений, где реакции сопряжены с функциональными группами, то есть группами атомов, вступающих в определенные реакции. Для простых реакций двух атомов он не обязателен. Электрохимическая реакция – требует наличие свободно заряженных частиц в реакционной среде. Суть реакции так же основывается на необходимости сообщения молекулам энергии, способной совершить химическую реакцию. Электрохимическая реакция рассматривает эту энергию под видом иона – частицы ,имеющей заряд. К электрохимическим реакциям относится электролиз – разделение молекул под действием электрического тока, который, имея необходимую, большую энергию разрывает взаимодействия внутри молекулы и в соответствии с электромагнитным фундаментальным взаимодействием переносил атомы молекулы к разным полям: отрицательному полюсу – аноду, и положительному – катоду. Данную реакцию лучше рассмотреть на примере электролиза CuSO4 в растворе. Cu – медь, атом, который в соединении с SO4 имеет заряд 2+, а последний имеет заряд 2-. Такая конфигурация молекулы объясняется природой любой межатомной и внутримолекулярной связи: они возникают вследствие процессов обмена энергией, два электрона от катиона меди (положительно заряженная частица – это катион) переходят к сульфат иону или аниону (отрицательно заряженная частица – это анион). Таким образом, молекула создается за счет обмена электронами и фундаментальным взаимодействием между ними. При электролизе, вода (чаще всего вода, но может быть и сплав) заряжается частицами – переносчиками электрического взаимодействия посредством сообщения энергии из розетки (условно) по проводу и в воду. Стоит учесть, что сама вода не имеет в себе частиц, способных проводить электричество, то есть вода в меньшей мере может быть носителем электрического заряда; таковыми являются соли и ионы, находящиеся в воде, поскольку для экспериментов чаще берут водопроводную воду, а не дистиллированную (последняя вода имеет формулу H2O в чистом виде). Переносчиками электрического заряда являются ионы кальция, натрия, нитрат-ионы, которые находятся в водопроводной воде. Для понятия процесса передачи электрического заряда нужно вспомнить фундаментальные взаимодействия квантов: за счет разности заряда (положительного и отрицательного) происходит притяжение и отталкивание частиц друг от друга, таким образом, частицы двигаются и следовательно, электрический ток – это поток свободно заряженных частиц. Он может быть направлен или не направлен, но это имеет малое значение для химической реакции. Процесс электролиза – это окислительно-восстановительный процесс. Это значит, что в процессе электрохимической реакции одни ионы получают электроны, а другие их отдают. Важно помнить, что химическая реакция – это процесс обмена электронами и ядрами без изменения изотопного состава и квантового состава (на том уровне, на котором это могло бы повлечь за собой образование нового атома). ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ. Для того, чтобы произошла реакция между двумя молекулами, должны соблюдаться три основных условия (В соответствии с теорией активных соударений). Первое условие – молекулы должны столкнуться физически. Так, они должны вступить в область физического воздействия друг на друга и тем самым они столкнуться. Второе условие – молекулы должны обладать определенной энергией, которую назвали энергией активации. В процессе химической реакции, молекулы должны пройти через такое промежуточное состояние, которое будет иметь энергию, равную энергии активации; иногда эта энергия может быть больше. Таким образом, молекулы должны преодолеть энергетический барьер, они должны стать менее стабильными, поскольку энергия молекулы определяется ее движением, которое может провоцироваться под действием различных излучений, УФ, Рентген и прочие. Другими словами, молекулы должны иметь определенную энергию, чтобы среагировать, они должны быть до некоторой степени нестабильны, это отражает общую суть химической реакции – передача и прием электронов, способность делать это определяется расстоянием между ядром и электронами и это расстояние тем выше, чем выше энергия молекулы. Однако реакции могут идти и в недостатке такой энергии системы в целом, потому как найдутся и такие молекулы, которые будут обладать энергией активации и получат ее за счет соседствующих молекул (данное состояние применимо только для больших систем, а не для двух изолированных молекул). Третье условие реакции – это правильное пространственное расположение молекул. ФЕРМЕНТЫ. КАТАЛИЗ. Ферменты – сложные белковые соединения, которые участвуют в реакции, ускоряя ее. Катализаторы – молекулы, которые участвуют в реакции, ускоряя ее протекание. Как видно из приведенных определений, ферменты отличаются от катализаторов исключительно их биологическим происхождением. Катализ химической реакции происходит под действием специфических веществ. Катализатор связывается с одним из реагентов, понижает его энергию активации, и происходит реакция полученного комплекса с каким-либо другим химическим соединением, реакция с которым возможно. Конечно, явление катализа свойственно не только для химии, но и для термодинамики, где происходит более облегченный фазовый переход. Таким образом, фермент или катализатор вступает в промежуточное химическое взаимодействие при том, сам он не меняет своей структуры. Для совершения химической реакции потребуется преодолеть определенный барьер энергии, который позволит электронам совершить переход по орбиталям атома. Такая энергия называется энергией активации. Фермент или катализатор за счет сообщения дополнительной энергии одному из субстратов (реагентов) химической реакции понижает тот барьер энергии, который необходимо пройти молекуле для совершения реакции. Другими словами, катализатор или фермент передает дополнительную энергию субстрату, делая его менее стабильным и соответственно более реакционно способным. Для явления катализа характерно явление ингибирования, при котором активный центр катализатора (Та часть молекулы, которая и придает реакции энергию) занимается ингибитором, так становится невозможным сообщение субстрату энергии, необходимой для понижения барьера реакции. СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Надмолекулярная химия изучает взаимодействия, протекающие между молекулами с образованием строго упорядоченных комплексов. Она рассматривает соединения, которые значительно сложнее устроены, чем молекулы и такие соединения, которые образованы за счет комплементарных взаимодействий. Комплементарность – это пространственное (геометрическое) и химическое соответствие двух молекул. Такое взаимодействие так же основано на зарядах функциональных групп (органического соединения). Таким образом, можно утверждать, что надмолекулярные взаимодействия происходят за счет сил электростатического притяжения. Комплементарные соединения имеют способность к полной самосборке, именно поэтому принцип комплементарности в ДНК не требует никаких затрат для его реализации. Надмолекулярные соединения характеризуются упорядоченной архитектурой и типом межмолекулярных взаимодействий, которое удерживает всю структуру вместе. В надмолекулярной химии выделяют рецептор и субстрат. Их соединение называется ассоциатом. Так же выделяют термин клатрат, который справедлив только для твердых веществ. Связывание рецептора и субстрата с образованием супрамолекулы (объекта изучения надмолекулярной химии) происходит селективно, то есть избирательно, за счет процессов молекулярного узнавания. Молекулярное распознавание основано на наличии у соединений комплементарности, то есть строго соответствия друг другу. По такому принципу работает селективность ферментов: их свойства обусловлены расположением аминокислот в строгом порядке. Свойство самосборки липидного би-слоя в биологической мембране так же продиктовано надмолекулярным гидрофильно гидрофобным взаимодействием, когда гидрофобные концы молекулы уходят внутрь в растворе и обращены друг к другу, а гидрофильные обращены в воду. Субстрат – это исходное вещество, которое в ходе взаимодействия с ферментом (Рецептором) преобразуется в продукт. Данный термин применим для катализа, где рецептор – это фермент. Важно отметить, что в ходе реакции рецептор не меняется, меняется субстрат. В надмолекулярной химии выделяют супермолекулы, которые представляют собой субстрат и рецептор, соединенные в ассоциат за счет комплементарного взаимодействия. Кроме них существуют супрамолекулярные ансамбли – полимолекулярные ассоциаты, которые образованы вследствие спонтанной ассоциации большого числа молекул в особую термодинамическую фазу, которая характеризуется какими-либо специфическими свойствами. Последние зависят от природы фазы (Кристалл, пленка, мембрана и прочие). РАСТВОРЫ. Раствор – это однородная (гомогенная) система, в которую входят молекулы нескольких типов, при том, доля каждого типа молекул может меняться в определенных пределах. Раствор отличается от химического соединения тем, что имеет непостоянный состав, а от механической смеси тем, что имеет однородную структуру. Раствор принято делить на растворитель и растворенное вещество. Растворитель – это компонент, агрегатное состояние которого не меняется при образовании раствора (добавлении растворителя с определенными условиями), а при равенстве агрегатных состояний растворитель находится в избытке. Образование раствора – это следствие межатомных, межионных, межмолекулярных взаимодействий, то есть точно таких же взаимодействий, которые определяют агрегатное состояние веществ. Отличие в том, что образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия разных частиц. Таким образом, можно сказать, что раствор образуется при определенных взаимодействиях между растворителем и растворенным веществом. Образование раствора – это физико-химический процесс, в ходе которого происходит взаимодействие частиц, образующих раствор. Так, в ходе растворения происходит увеличение тепловой энергии системы при растворении твердых веществ в жидкой среде. При растворении между растворителем и растворенным веществом исчезает межфазная граница, так же могут меняться и некоторые физические свойства раствора, например, плотность и цвет; последний меняется вследствие образования, по видимому, ассоциатов. Кроме того, раствор может иметь и другие химические свойства, поскольку супрамолекулярные взаимодействия способны вызвать перераспределение электронной плотности веществ и соответственно, нарушить их стабильность. В водном растворе любого растворимого вещества вода образует новое структурное соединение – клатрат, в котором молекулы воды окружают растворенное вещество. Такое соединение в любом растворе называется сольватом или ассоциатом, в случае с водой – гидратом. Важным условием существования такого соединения является осуществление явления диссоциации. Диссоциация – это разделение совокупности молекул на ее отдельные части. Явление диссоциации прямо противоположно ассоциации, однако в ходе первого происходит образование таких форм веществ, которые способны вступать в супрамолекулярные взаимодействия в большей мере. В растворе вещества могут превращаться в ионы и становиться электролитами, то есть проводить электрический ток. ЭЛЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Электрический ток – это поток частиц, носителей электрического заряда. Носителями электрического заряда могут считаться такие частицы, которые в своем составе имеют лишние электроны, не участвующие в химических связях. Так, металлическая кристаллическая решетка, представляя собой упорядоченную структуру с катионами узлах решетке и электронами, двигающимися между ними, имеет повышенную способность к проведению электрического тока. Такие вещества, в которых электроны связаны между собой ковалентными связями, не способны проводить электрический ток. В свою очередь в растворе могут образовываться такие формы атомов и молекул, которые имеют избыточную электронную плотность. Такие формы называются ионными и они точно так же могут проводить электрический ток в растворе. Такие растворы называются электролитными. Однако, носителями электрического заряда могут являться и катионы, поскольку они испускают электромагнитное поле положительного заряда. Электромагнитное поле – это область взаимодействия частиц. Электрический ток может характеризоваться рядом физических характеристик. Среди таких числится сила тока, которая равна количеству заряда, прошедшему через проводник в единицу времени. Электрический ток, проходя через проводник, способен его нагревать (поскольку нарушается стабильное состояние проводника). Однако нагревание происходит не всегда, как, например, в сверхпроводниках, где электрический ток не имеет никакого сопротивления при его движении. В электролитных растворах, электрический ток способен изменять химический состав вещества, вследствие воздействия на диссоциаты молекул в растворе. Магнитное поле – неизменный спутник всех проводников, проводящих электрический ток. |