Молекулярный уровень организации вещества - раздел Политика, НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Атомы, За Исключением Благородных Газов, Не Существуют В Свободном Состоянии ...
Атомы, за исключением благородных газов, не существуют в свободном состоянии при стандартных условиях. За стандартные условия принимается атмосферное давление, равное 1,013×105 Па, и температура 298 К. Силы электромагнитного взаимодействия между атомами приводят к образованию более устойчивых микросистем–молекул. Молекула–это микросистема, состоящая из двух или большего числа ядер и электронов, движущихся в поле ядер. Атомы сближаются, прежде всего, отрицательно заряженными электронными орбиталями (рис.12, а). Такое сближение должно было вызывать отталкивание атомов, но наблюдается обратная картина.
| Энергия взаимодействия между атомами
| |
ж)
Рис. 12. Модель взаимодействия атомов водорода и образования молекулы водорода
Связано это с тем, что происходит согласованное движение электронов. Электронная плотность в атомах изменяется так, что всякий раз преобладает притяжение, а не отталкивание заряженных частей атомов (рис.12, б, в). Центры тяжести положительно (ядро) и отрицательно (электронная орбиталь) заряженных частей атома располагаются несимметрично. Такие атомы водорода-диполи-взаимно ориентируются и притягиваются противоположно заряженными частями. Силы притяжения (Fпр) разноименно заряженных и силы отталкивания Fот одноименно заряженных частей атомов возрастают по мере их сближения. В состоянии (г) Fпр > Fот. В состоянии (е) Fпр < Fот. Состояния (рис. 12, г) и (рис 12, е) соответствуют возбужденной молекуле водорода. Равенство Fпр = Fот соответствует устойчивому состоянию (рис. 12, д). Нарастание сил притяжения-отталкивания изображено увеличивающимися в размерах символами Fпр и Fот.
В результате колебательных движений ядра могут сблизиться на расстояние, меньшее длины химической связи. Тогда силы отталкивания вернут систему в устойчивое состояние. Потенциальная яма (рис.12ж) соответствует устойчивому состоянию молекулы с наименьшей энергией. Образование химической связи сопровождается выделением энергии, равной энергии химической связи. «Выбраться» из потенциальной ямы молекула способна только в результате соударения с микрочастицами окружающей среды. В результате такого соударения разрывается химическая связь, происходит диссоциация молекулы на атомы. Энергия, необходимая для разрыва химической связи, называется энергией связи.
Молекулы «наследуют» свойства атомов, и для них (как и для атомов) типичными являются следующие свойства:
обмениваться энергией;
обмениваться веществом (отдавать и присоединять электроны);
изменять геометрическую конфигурацию;
вступать в химические реакции.
Обмен энергией в результате соударений с микрочастицами (атомами, молекулами, фотонами, электронами и др.) приводит к изменению интенсивности различных видов движения молекулы, её электронного состояния. Некоторые виды движения представлены на модели двухатомной молекулы, изображенной в виде шариков, связанных пружинкой (рис.13). Фраза, утверждающая, что «молекула состоит из атомов», может быть использована для обозначения ядер, входящих в состав молекулы. Молекула-не сумма атомов. С позиций квантовой механики молекула представляет собой систему, качественное и количественное состояние которой определяется совместным движением ядер и электронов, занимающих определенное положение в пространстве.
а)
б) в)
Рис.13. Модели двухатомной молекулы: а) поступательное движение, б) вращательное движение, в) колебательное движение
Молекула способна переходить в состояние заряженной микросистемы, когда в результате соударений с другими частицами она отдает или присоединяет электрон. Эти процессы используются, например, в масс-спектрометрах. Изменение геометрической конфигурации молекул связано с перестройкой её структуры без изменения элементного состава. Например, внутримолекулярная перегруппировка:
СН3 СН3 нагревание СН3 СН3
СН3 Si O O Si СН3 СН3 O Si O Si СН3
СН3 СН3 СН3 СН3
Химические превращения связаны с разрывом и образованием связей, в результате которых изменяются энергетическое состояние, состав и структура молекул. Любые химические превращения происходят на уровне атомов и молекул. В зависимости от условий проведения реакции (внешней среды) ковалентные связи в молекулах разрываются гомолитически или гетеролитически. Гомолитический разрыв приводит к распариванию электронов, участвующих в образовании химической связи. Так, например, разрывается химическая связь в газообразном хлороводороде:
Н Cl Н + Cl
или
HCl(газ) ×H(газ) + ×Cl(газ)
свободные радикалы
Растворение газообразного хлороводорода в воде (другое состояние среды) приводит к гетеролитическому разрыву химических связей в молекулах. Электронная пара, обозначенная стрелками, переходит к атому хлора:
Н Cl Н+ + Cl-
или
HCl(газ) Н+(раствор) + ×Cl- (раствор)
гидратированные ионы
Все темы данного раздела:
ЧЕЛОВЕК-МЕРА ВСЕХ ВЕЩЕЙ
В повседневной жизни мы привыкли соразмерять объекты и явления с доступными нашему воображению величинами. Обоняние, осязание, вкус, слух, зрение-вот те инструменты, с помощью которых человек пости
Масштабы времени и пространства
Ничтожно малые или, наоборот, гигантские размеры объектов, а также ничтожно малые или гигантские интервалы времени присущи различным частям Вселенной (рис. 2). Но их можно дать в одном масштабе изм
Две грани культуры
Деление культуры на естественную и гуманитарную грани обусловлено особенностями мышления и исторической эволюцией культуры. Левое и правое полушария головного мозга действуют согласованно, но выпол
Вопросы для проверки знаний
1. Как вы считаете, необходима ли ранняя специализация при обучении детей в школах и лицеях гуманитарного или естественного профиля?
2. Известны ли вам выдающиеся деятели, которые проявили
Наука и нравственность. Воспитание и образование
Образование-это процесс формирования системы знаний, умений и навыков. Система знаний, умений и навыков передается от поколения к поколению в виде тех духовных богатств, которые накоп
Вопросы для проверки знаний
1. Ответственна ли наука за те бедствия, которые принесли научные открытия, использованные для создания химического, бактериологического, атомного оружия?
2. Что следует понимать под истин
Наука. Религия. Искусство
Русский религиозный философ Н.А. Бердяев (1874-1948) отмечал: «Научное знание–это такое знание, для достижения которого человек использует материал опыта и законы логики. Каждый новый элемент знани
Баллада примет
Я знаю, кто по-щегольски одет,
Я знаю, весел кто и кто не в духе,
Я знаю тьму кромешную и свет,
Я знаю – у монаха крест на брюхе,
Я знаю, как трезвонят завирухи,
МИР СИСТЕМ
Наш мир–это мир систем. Все объекты материального мира существуют в виде систем разной степени сложности. Мы говорим: стереосистема, солнечная система, нервная система, отопительная система, систем
Иерархия систем. Принцип иерархичности
Понятие «иерархия» означает, что части или элементы целого располагаются в порядке от низшего к высшему элементу (рис.4).
Человека
Деятельность–это физические и умственные операции, направленные на достижение результата. Результат всегда системен. Он представляет собой систему знаний, проектную и техническую документаци
Вопросы для проверки знаний
1. Что подразумевают под проблемной ситуацией?
2. Что называют целью?
3. Чем отличается алгоритм практической деятельности от алгоритма в математике?
4. Что называют прак
Принципы системности
Системность–всеобщее свойство материи. Осознание системности мира и модельности мышления шло постепенно. Системность всегда была методом науки. Системный взгляд на мир включает в себя систему понят
Вопросы для проверки знаний
1. В чем суть принципа иерархичности?
2. Почему свойства целого не сводятся к сумме свойств его частей?
3. Справедливо ли утверждение о том, что структуру имеет любая система?
Модели и моделирование
Модель-есть способ существования знаний. Другими словами, все наши знания существуют в виде моделей. Моделью называется объект-заменитель объекта-оригинала, который сохраняет некоторые свойства
М О М О М О
Рис.9. Прагматическая модель-средство управления и организации практических действий, образец, эталон
Основное различие между познавательной
Вопросы для проверки знаний
1. Какие объекты называются моделями?
2. Какие модели называются прагматическими?
3. Какие модели называются познавательными?
4. В чем различие между прагматическими и по
Методы науки
Метод–это путь исследования или совокупность приемов, действий, позволяющих решить поставленную задачу. Первый шаг к познанию окружающего мира начинается с наблюдений, с установления фактов.
Вопросы для проверки знаний
1. Что называют методом в науке?
2. Чем отличается факт или наблюдение от научного факта?
3. Почему требуется проверка наблюдений?
4. Что называют гипотезой?
5.
МИР МИКРОСИСТЕМ
«Кирпичиками» мироздания выступают элементарные частицы. Они называются так потому, что их строение не установлено, хотя состав некоторых из них уже известен. Несколько сот открытых
Элементарные частицы. Вещество и поле
В классификации элементарных частиц прослеживается некоторая иерархичность. Вещество-вид материи, состоящей из кварков и лептонов. В основном вещество построено из электронов и нуклонов (протоно
Т а б л и ц а 1
Фундаментальные частицы вещества
Поколения
Классы
Вопросы для проверки знаний
1. Что такое материя?
2. В чем различие форм материи?
3. Какие частицы называют фундаментальными?
4. Из каких э
Атомный уровень организации вещества
Атом–это микросистема, состоящая из ядра и электронов, движущихся в поле ядра. Размер любого атома имеет порядок 10-10 м, а размеры ядра 10-
Вопросы для проверки знаний
1. Почему атом называют микросистемой?
2. Можно ли утверждать, что электромагнитное поле-это поток энергии, не обладающий массой?
3. Справедливо ли утверждение, что не только тела
МИР МАКРОСИСТЕМ
Макросистемы-это твердые, жидкие, газообразные вещества, состоящие из множества взаимосвязанных атомов, молекул или ионов. Газ при высоких температурах переходит в ион
Вопросы для проверки знаний
1. Какие четыре состояния вещества называют макросистемами?
2. Назовите типы кристаллических решеток, классифицированные по типу химической связи или межмолекулярному взаимодействию.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
Превращение вещества происходит на любом уровне его организации. Превращаются элементарные частицы, атомы, молекулы и, соответственно, изменяются состав структура, энергетическое состояние твердого
Ядерные реакции
Ядерными называются реакции взаимодействия ядер между собой и с элементарными частицами. Например:
14N7 + 4Не2 ® 17О8
Химические реакции
Ядерные превращения вещества связаны с сильным взаимодействием элементарных частиц и ядер на расстояниях, соизмеримых с размерами атомных ядер, т.е. на расстояниях 10-15
Метаболизм
В живых организмах происходят процессы превращения вещества. Их поддерживает поток солнечной энергии. Растения, животные, микробы участвуют в непрерывном движении вещества и энергии. Подобно потоку
Фотосинтез
(накопление энергии)
6СО2
Вопросы для проверки знаний
1. Какой процесс называют метаболическим?
2. Чем отличается катаболизм от анаболизма?
3. Чем отличаются продуценты от консументов?
4. Чем отличается фотосинтез от клеточн
ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Энергияесть качественная и количественная характеристика движения и взаимодействия. В общем случае полная энергия системы включает кинетическую энергию движения системы, пот
Вопросы для проверки знаний
1. Что подразумевают под понятием «энергия»?
2. В чем различие полной энергии от кинетической, потенциальной и внутренней энергии системы?
3. Почему теплоту и работу называют форм
Живые системы
Количество свойств любой системы не имеет ограничений. Система обладает столькими свойствами, сколько обнаружено разных отношений ее с окружающей средой. Общность перечисленных выше свойств, присущ
Стереоизомеры
а)
Вопросы для проверки знаний
1. Что называют жизнью?
2. Что такое информация?
3. Включают ли метаболические процессы обмен веществом, энергией и информацией?
4. Являются ли носителем информации: а) в
Происхождение жизни
Научные концепции опираются на материальное происхождение жизни естественным путем на основе общих законов природы. В 1924 г. была опубликована книга русского биохимика А.И. Опарина (1894-1980) «Пр
Эволюция биосферы
Биосфера представляет собой живые системы (растения, животные, микробы), расположенные в части атмосферы, во всей гидросфере и поверхностном слое литосферы и существующие за счет потока солнечно
Современные взгляды на эволюцию живых систем
Основные факторы процесса эволюции, признаваемые наукой,–это положения, выдвинутые Дарвиным: изменчивость, наследственность и естественный отбор. Однако эти факторы сегодня понимаются по-нов
ВСЕЛЕННАЯ
Великий немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) писал о космосе и Вселенной в 1775 г.: «Мироздание с его неизменным величием, с его сияющими отовсюду бесконечными разнообразием и красотою привод
Пространство и время
Среди важнейших научных открытий двадцатого столетия достойное место занимает открытие расширяющейся Вселенной. Естествознанию пришлось расстаться с одним из основополагающих принципов, утверждавши
Экспериментальные доказательства расширяющейся Вселенной
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) использовал эффект Доплера для доказательства расширяющейся Вселенной. Эффект Доплера состоит в изменении частоты колебаний n или длины волны l
Судьба Вселенной
По известной средней плотности вещества Вселенной можно предсказать ее судьбу. Однако определить точно плотность Вселенной не удается. Пока известны лишь сценарии изменения состояния Вселенной при
Эволюция Вселенной
До сих пор остается открытым вопрос о том, что существовало до начала расширения Вселенной. В последнее десятилетие ХХ века развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически р
Рождение и гибель звезд
Еще в 1920 г., задолго до создания ядерной физики английский, астрофизик Артур Эддингтон указал на реакцию превращения водорода в гелий как на возможный источник энергии звезд. Обсуждая проблему ис
Т а б л и ц а 2
Фазы эволюции протозвезды
Характеристика
Фаза 1-
формирование
Фаза
Вопросы для проверки знаний
1. Как рождаются звезды по модели Джинса?
2. Что такое протозвезда и какие фазы в своем развитии
она проходит?
3. Что такое молекулярные облака?
4. Как умирают з
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА В ГАЛАКТИКЕ
Солнечная система входит в состав Млечного Пути, или нашей Галактики (греч. galaktikos-млечный, молочный) – звездной системы, состоящей из сотен миллиардов звезд. С Земли это грандиозное скопление
Т а б л и ц а 3
Спектр электромагнитного излучения Солнца
Область
спектра
Длины волн
Прохож
Вопросы для проверки знаний
1. Что такое Млечный Путь и какое место занимает в нем Солнце?
2. Что входит в состав солнечной системы? Назовите планеты солнечной системы.
3. Что известно о внутреннем строении
Планета Земля в солнечной системе
Солнечная система–это связанные силами взаимного притяжения небесные тела с центральным телом–Солнцем. Кроме 9 больших планет с их
спутниками (известно больше 60) и более 5 тыс. малых план
Биосфера. Ноосфера
«Вся совокупность живых существ на поверхности нашей планеты образует как бы своего рода тонкую оболочку или покров. Этот слой живых существ – растений и животных, - находящийся в районе поверхност
Вопросы для проверки знаний
1. Дайте определение биосферы и поясните его.
2. Каковы особенности биосферы?
3. С чем связаны 11-летние циклы напряжения человеческой деятельности?Сформулируйте один из основных
Стратегия устойчивого развития
Озабоченность судьбами мира заставила итальянского экономиста, специалиста в области управления промышленностью А. Печчеи организовать в 1968 г встречу ученых разных специальностей из разных стран
ФИЗИЧЕСКИЕ КАРТИНЫ МИРА
Физика является наукой о наиболее общих свойствах материи, наукой о природе. Так на греческом языке звучит слово природа-physike < physis. Изучение природы началось с момента появления мыслящего
Новости и инфо для студентов