- переносчик электромагнитного взаимодействия – фотон,
- переносчики слабого взаимодействия – бозоны,
- переносчики сильного взаимодействия – глюоны,
- переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны.
При электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, а при гравитационном – притягиваются.
В современной физике созданы ряд общих законов физических взаимодействий:
Теория единого электрослабого взаимодействия: при очень высоких температурах или энергиях (100 ГэВ) слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются и создают единый фундаментальный заряд. Этот заряд порождает общее поле, квантом которого служит безмассовая частица бозон.
Теория Большого объединения объединяет слабое и электромагнитное взаимодействия еще и с сильным взаимодействием; разрабатывается теория суперобъединения, которая включает все четыре фундаментальных взаимодействия, объединение которых возможно при сверхвысоких энергиях порядка 1019 ГэВ.
Литература: 1, 4–9.
Лекция 5. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
5.1. Химия и алхимия
Химия – наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.
Основанием химии выступает проблема получения веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ.
Свойства веществ зависят: 1) от элементарного и молекулярного состава; 2) от структуры молекулы; 3) от термодинамических и кинетических условий процесса химической реакции; 4) от уровня химической организации вещества.
Концептуальные этапы получения знаний по химии: XVII – учение о составе вещества; середина XIX в. – учение о структуре вещества; конец XIX в. – учение о химических процессах; середина XX в. – учение о химической эволюции.
В эпоху эллинизма (до н.э.) возникла алхимия – ненаучное учение о «трансмутации» (превращении), согласно которому, изменяя сочетание элементов, можно получать вещество с иными свойствами. Так, пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др. Главной целью алхимия считала поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение элексира долголетия, универсального растворителя и др.
Теофаст Парацельс (XV–XVI вв.) подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.
5.2. Учение о составе вещества. Понятие о химических элементах. Периодическая система Д.И. Менделеева
Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля. Он создал теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул, различных по размерам, форме и массе, они объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – структурные формы вещества, среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием.
Г. Шталь изучая процессы горения разработал первую научную теорию в химии – теории флогистона (но в ней перепутаны понятии простого и сложного вещества), в ней впервые разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.
Гипотеза флогистона опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.
Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основополагающих, действующих и по сей день законов естествознания – закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
В 1869 г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атомного весаи представил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Д.И. Менделеева».
Современная формулировка периодического закона: свойства химический элементов, их форм и соединений находятся в периодической зависимости от заряда их атомного ядра.
Систематизация элементов, выполненная Д.И. Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Д.И. Менделеев.
Атом – сложная делимая субъединица вещества. Вся масса атома сосредоточена в его ядре (
10–13 см). Ядро атома состоит из протонов (р), несущих положительный заряд (+1) и обладающих массой. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны (е) – частицы с отрицательным зарядом (–1). Количество электронов равно количеству протонов, атом в целом электронейтрален. Ядро атома кроме протонов содержит нейтроны (n) – частицы, не имеющие заряда, но обладающие массой.
Пример строения хлора Сl: порядковый номер 17, а атомная масса 37, число электронов 17, ядро содержит 17 протонов и 20 электронов.
Ядра элементов могут содержать различное количество нейтронов, так есть атомы хлора, обладающие атомной массой 37 и 35, их ядра содержат 20 и 18 нейтронов соответственно – изотопы 37Сl и 35Сl.
Изотопы – атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойства), но разным числом нейтронов.
Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. это совокупность изотопов.
Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.
Д. Дальтон утверждал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н2), кислорода (О2), озона (О3), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.
К. Бертолле утверждал возможность существования индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-серебро и др. образуют соединения, как с постоянным, так и с переменным составом.
Н.С. Курнаков соединенияпостоянного состава назвал дальтонидами (в честь Ж. Дальтона), а соединения переменного состава – бертоллидами (в честь К. Бертолле).
Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойства и состоящая их одинаковых или разных атомов.В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения.
Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.
5.3. Учение о структуре вещества
Й. Берцелиус в 1830 г. выдвинул гипотезу: все атомы разных элементов обладают различной электроотрицательностью, причем атом каждого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –). Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровождается частичной нейтрализацией зарядов. Например, калий (К) несет положительный заряд, а кислород (О) – отрицательный, взаимодействуя, они образуют оксид.
Ф. Кекуле сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению. Благодаря этому появилась возможность составлять так называемые структурные формулы. При написании в любой формуле элементы связывают друг с другом согласно их валентности.
А.М. Бутлеров разработал теорию строения органических соединений – основа органической химии.
5.4. Химические связи и строение молекул.
Учение о химических процессах
Химические реакции – взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению.
Химическое взаимодействие, как правило, сопровождается тепловым эффектом. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, а идущие с поглощением теплоты – эндотермическими.
Химические реакции в отличие от ядерных не изменяют ни общего числа атомов в системе, ни изотопного состава элементов.
Скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов, температуры, свойств среды, катализаторов и др. факторов.
Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10°С скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза.
Если реакция обратима, т.е. может протекать как в прямом, так и обратном направлениях, то с течением времени скорость обратной реакции будет возрастать, когда скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми, наступает состояние химического равновесия. При изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации участвующих в реакции веществ), скорости прямого и обратного процессов изменяются неодинаково, и химическое равновесие нарушается.
Направление смещения равновесия подчиняется принципу Ле Шателье: при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия. Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т.е. охлаждением системы.
Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора.Вещества, ускоряющие реакцию – катализаторы; замедляющие – ингибиторы.В результате реакции катализатор остается в химически неизменном состоянии и не расходуется.
Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Пример автокаталитического процесса – реакция Белоусова-Жиботинского – окисления лимонной кислоты смесью бромата калия КВrО3 и сульфата церия Се(SО4)2: ионы церия Се4+ синего цвета восстанавливаются до ионов церия Се3+ красного цвета, а затем, когда свободный ион брома расходуется (выступает как ингибитор окисления церия), протекает обратная реакция окисления: Се3+ → Се4+. В результате возникает система, которая с идеальной периодичностью изменяет свой цвет с синего на красный и наоборот. Эти колебания можно рассматривать как химические часы, а саму систему как самоорганизующуюся. Начиная с некоторого момента возникают неоднородности концентрации и образуются устойчивые красные и синие слои.
5.5. Неорганические и органические соединения
Из 112 достоверно известных к настоящему времени химических элементов 22 относятся к неметаллам (C, S, N, Cl и др.), большинство же элементов – металлы (Na, Fe, Cu, Au и др.). Химические элементы образуют около 1 млн. неорганических и свыше 20 млн. органических веществ. Ежегодно в лабораториях синтезируется 200–250 тыс. новых соединений.
Неорганические соединения
Неорганическая химия изучает свойств и превращения неорганических (минеральных) соединений.
Все вещества делятся на простые и сложные. Простое вещество представляет собой гомоатомное (из атомов одного элемента) химическое соединение (С, O2, N2, Na).
Сложные вещества состоят из двух или более элементов (H2O, Н2SO4) и по составу разделяются на бинарные (двухатомные) и многоэлементные соединения.
Все простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы. Металлы и неметаллы различаются по физическим свойствам, которые проявляются у соответствующих простых веществ. Для металлов характерны высокая тепло- и электрическая проводимость, специфический металлический блеск, ковкость, пластичность и т.п. Физические свойства неметаллов существенно отличаются: они хрупкие, обладают низкой тепло- и электрической проводимостью и т.п. Различия между металлами и неметаллами проявляются в их химических свойствах: для металлов характерны оснóвные свойства оксидов и гидроксидов, восстановительное действие; для неметаллов – кислотный характер оксидов и гидроксидов, окислительная активность. Деление химических элементов на металлы и неметаллы относительно, т. к. существуют амфотерные элементы.
К важнейшим неорганическим веществам относятся соединения элементов с кислородом (оксиды), галогенами (галогениды или галиды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), основания, кислоты, соли и др.
Основания– сложные вещества, в состав которых входят атомы металла и гидроксогруппы OH–. Щелочи – растворимые основания: NaOH – гидроксид натрия, KOH – гидроксид калия, Сa(OH)2 – гиброксид кальция; нерастворимые основания: Zn(OH)2 – гидроксид цинка, Fe(OH)3 – гидроксид железа (III) и др.
Кислоты– сложные вещества, в состав которых входят ионы водорода Н+, способные замещаться на металл, и кислотный остаток. Сильные кислоты: Н2SO4 – серная кислота, НСl – хлороводородная (соляная) кислота, НNO3 – азотная кислота; кислоты средней силы: НF – фтороводородная (плавиковая) кислота, H3PO4 – фосфорная кислота, Н2SO3 – сернистая кислота; слабые кислоты: Н2S – сероводородная кислота, Н2СО3 – угольная кислота, H2SiO3 – кремниевая, НNO2 – азотистая кислота и др.
Соли – соединения, образующие при диссоциации в водном растворе положительно заряженные ионы металлов и отрицательно заряженные ионы кислотных остатков, а иногда, кроме них, ионы водорода Н+ и гидроксид-ионы ОН–. Например, NaCl – хлорид натрия (поваренная соль), СаСО3 карбонат кальция (мел), NaHСО3 – гидрокарбонат натрия (пищевая сода) и др.
Органические соединения
Органическая химия – химия соединений углерода (А.М. Бутлеров). Помимо атомов углерода в состав органических соединений входят Н, О, N, S, Р, F, Сl, Вr, I и другие химические элементы.
Алканы – предельные (насыщенные) углеводороды, все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода: СН4 – метан (основа природного газа), С2Н6 – этан, С3Н8 – пропан, С8Н18 – октан (основа бензина).
Алкены– непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь: СН2=СН2 – этилен (из него синтезируют этиловый спирт, полиэтилен, полистирол.
Алкины– непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь:НС≡СН – ацетилен (из него синтезируют синтетический каучук и др. вещества, используют для сварки).
Ароматические углеводороды (арены) – вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец – циклических групп атомов углерода с особым характером связей: СбН6 – бензол (важнейшее сырье для синтеза фенолформальдегидных смол, красителей, полистирола и многих др. важных продуктов).
|
Скачать 3.72 Mb.