Способность атома химического элемента

Под химической связью следует понимать взаимодействие атомов, благодаря которому они соединяются в молекулы и кристаллы. Данное взаимодействие имеет электромагнитную природу и сопровождается перестройкой электронных оболочек связывающихся атомов.

Среди этих проявлений особое место принадлежит ковалентной связи, под которой понимается химическая связь, осуществляемая парой электронов, находящейся в общем владении двух атомов, образующих эту связь.

Не менее важной является ионная связь. Она представляет собой химическую связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами.

Введенный Фарадеем термин «ион» обозначает электрически заряженную частицу, а именно атом или атомную группу, потерявшие или же, наоборот, приобретшие избыточные электроны. Потерявшая электрон, а стало быть, положительно заряженная частица называется катионом (+). Противоположная частица, присоединившая к себе «чужой» электрон и ставшая вследствие этого отрицательно заряженным ионом называется анионом (-). Заряд ионов составляет кратное число от заряда электрона.

Ионная связь «ответственна» за образование и существование гетерополярных молекул (от греч. – ось, полюс). К таким молекулам относится молекула поваренной соли NaCl, существование которой обеспечивается за счет силы электрического притяжения между катионом натрия (Na⁺) и анионом хлора (Cl^-). Атом натрия отдает электрон, становясь катионом (Na⁺), а атом хлора принимает этот электрон, превращаясь тем самым в анион (Cl^-).

Совсем другое происхождение имеет водородная связь, обеспечивающая соединение атомов в так называемые гомеополярные молекулы (от греч. – подобный), где потенциальных ионов не существует. Примером таких молекул может служить молекула водорода (Н₂). Два атома водорода образуют молекулу данного химического элемента, благодаря тому, что ψ-волны, т. е. фотоны двух принадлежащих этим атомам электронов как бы перекрывают друг друга и электроны начинают меняться местами.

Химические связи образуются и разрушаются в ходе химических реакций, которые обычно сопровождаются либо выделением, либо поглощением энергии. Химическая энергия, как и любая другая, может превращаться в иные формы энергии, в том числе и в тепловую. По этой причине различают эндотермические (поглощающие тепло) и экзотермические (выделяющие тепло) химические реакции.

Биологические катализаторы известны под названием ферментов.

1. 
   Природы реагирующих веществ, например, при равных условиях реакция более активного металла (цинка) с раствором соляной кислоты идет с бурным выделением водорода, менее активного металла (олова) идет довольно медленно.
   
2. 
   Концентрации. При увеличении концентрации реагирующих веществ число столкновений между их молекулами увеличивается, потому увеличивается и скорость реакции.
   
3. 
   Для твердых тел скорость реакции пропорциональна поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
   
4. 
   Температуры. При повышении температуры доля активных молекул возрастает. По правилу Вант-Гоффа при повышении температуры на 10⁰ С скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.
   
5. 
   Присутствия катализатора или ингибитора.
   

1. 
   Закон сохранения энергии полностью соблюдается на уровне химических взаимодействий, и одно из его проявлений в химии состоит в том, что количество принесенной в химическое взаимодействие тепловой энергии равно количеству вынесенной из него энергии.
   
2. 
   Законы теплового расширения газов.
   

В. Первый закон Дальтона гласит, что давление смеси химически не взаимодействующих между собой газов равно сумме их парциальных давлений.

С. Второй закон Дальтона утверждает, что при растворении смеси газов в данной массе растворителя растворимость каждого из них в этой массе пропорциональна его парциальному давлению.

Парциальное (частичное) давление – это давление компонента газовой смеси, которое он оказывал бы в случае, если бы один занимал объем всей смеси.

Д. Закон Гей-Люссака гласит, что объем данной массы идеального газа при постоянном давлении линейно возрастает вместе с ростом температуры.

3. Закон постоянства состава Луи Бертолле устанавливает, что независимо от способа его получения каждое определенное химическое соединение состоит из одних и тех же элементов, а следовательно, всегда имеет одинаковый состав, причем отношения масс этих элементов остаются постоянными, так как соотносительные количества их атомов выражаются целыми числами. Данный закон строго выполняется в газообразных и жидких соединениях. Состав же кристаллических соединений может быть как постоянным, так и переменным.

4. Закон кратных отношений Дальтона утверждает, что если два элемента связываясь между собой, образуют более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого в этих соединениях относятся как целые (обычно небольшие) числа. В этом законе Дальтон устанавливает весовые соотношения элементов химических соединений.

5. Закон простых объемных отношений Гей-Люссака гласит, что при постоянных температуре и давлении объемы вступающих между собой в химическую реакцию газов, а также объемы газообразных продуктов реакции относятся как небольшие целые числа. Данный закон применим, однако, только к идеальным газам.

6. Закон Авагадро, согласно которому в равных объемах идеальных газов при одних и тех же температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул. На основе этого закона впоследствии было выработано понятие «число Авагадро», обозначаемое N_A и выражающее собой количество частиц (молекул, атомов, ионов) содержащихся в 1 моле вещества. Было установлено, что число Авагадро имеет следующее значение N_A= 6,022 ^. 10²³.

7. Закон смещения равновесия Ле-Шателье. Этот закон гласит: внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в этой системе процессы, направленные на ослабление результатов такого влияния (сдвиг химической реакции).

Состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной, называется химическим равновесием.

8. Теория Сванте Аррениуса. Это теория образования «активных» молекул при химических реакциях. Изучая инверсию тростникового сахара (процесс расщепления сахарида), он показал, что скорость этой реакции определяется столкновением «активных» молекул. Резкое повышение скорости этой реакции с ростом температуры определяется значительным увеличением при этом количества «активных» молекул в системе. Для вступления в реакцию молекулы должны обладать некоторой добавочной энергией по сравнению со средней энергией всей массы молекул вещества при определенной температуре (эта добавочная энергия будет названа впоследствии энергией активации). Аррениус наметил пути изучения температурной зависимости скорости реакции. Это уравнение было в дальнейшем выведено Мак-Льюисом и получило имя Аррениуса. Это уравнение является одним из основных в химической кинетике, а энергия активации – важной количественной характеристикой реакционной способности веществ.

9. Периодический закон химических элементов Д.И.Менделеева. Сам Менделеев (1834-1906) в 1871 году дает следующее определение данного закона: «Физические и химические свойства элементов, проявляющихся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости … от их атомного веса». Менделеев связывал химические свойства элементов именно с их атомными массами. Однако последующее развитие химии привело к новой (современной) формулировке периодического закона, согласно которой химические свойства элемента ставятся в периодическую зависимость только от заряда его атомного ядра, который равен числу содержащихся в этом ядре протонов.

Периодичность свойств химических элементов основана на тождественности конфигураций внешних электронных орбит атомов в невозбужденном состоянии (эти электроны ответственны за химические свойства). Так элементы группы галогенов (F, Cl, Br, I, At), обладающие похожими химическими свойствами, имеют на внешнем электронном уровне семь электронов, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Ca, Fr) – один электрон и т. д.

Периодическая система элементов – это графическое изображение периодического закона. Наиболее распространенным является знакомый всем по школьной программе клеточный вариант.

Порядковый номер в таблице указывает на заряд атомного ядра, на количество протонов в ядре и на количество электронов.

Периодическая таблица состоит из вертикальных рядов, называемых группами, и горизонтальных – периодами. В периодах с увеличением порядковых номеров металлические свойства уменьшаются, а неметаллические свойства усиливаются.

Полимеры делятся на два класса: гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов, и гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора.

Наша планета является спутником Солнца – одной из 150 миллиардов звёзд, образующих нашу Галактику – «Млечный Путь». Помимо Земли, в Солнечную систему входят ещё восемь больших планет. Девять планет солнечной системы расположены, по мере их удаления от Солнца, в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Среди них Земля занимает особое положение. Она является уникальной планетой, поскольку именно на ней зародилась жизнь, которая в результате своей долгой эволюции привела к появлению человека и формированию человеческой цивилизации.

Как место обитания людей она становилась объектом их живого интереса и пристального вниманию ещё в глубокой древности. Сначала люди одухотворяли и обожествляли Землю в своих мифологических представлениях, а затем в различных формах религиозного сознания придали ей особый статус, превратив её в центр мироздания. Позднее она становится объектом научных исследований.

Первые научные представления о Земле как космическом теле восходят к древним цивилизациям. Так, например, идею шарообразности Земли выдвигают и защищают древнегреческие мыслители (особенно пифагорейцы), а Аристотель (384-322 до н.э.) доказывает правомерность этой идеи при помощи круглой тени, отбрасываемой на Луну Землёй во время лунных затмений. Древнегреческий астроном, последователь учения Пифагора, Аристарх Самосский (ок. 320 - ок. 250 до н. э.) высказывает мысль о том, что Земля движется вокруг Солнца, неподвижно пребывающего в центре мироздания, впервые выдвигая идею гелиоцентризма. Его младший современник Эратосфен Киренский – астроном и географ, для определения размера земного шара применил научную методику, математический расчёт. Согласно его наблюдениям, в день летнего солнцестояния в городе Сиен (современном Асуане в Египте) Солнце в полдень стоит в зените, тогда как в Александрии оно в это же время отстоит от зенита на 1/50 часть (2%) окружности. Если расстояние от Сиен до Александрии – 5 тыс. египетских стадий (стадия - примерно 167,7 м.), то, умножая первую величину на 50, получаем длину окружности Земли в 39425 км. Разделив это число на 2π, мы установим, что радиус Земли, по подсчётам Эратосфена, должен быть равным 6272,159 км (согласно современным измерениям, он в среднем составляет 6371,032 км).

Однако эти и другие верные представления о Земле оставались до эпохи Нового времени без надлежащих обобщений и систематизации. Поэтому можно сказать, что история геологии как науки берёт своё начало именно в данную эпоху, а точнее – во второй половине ХVII столетия. В это время появляется и сам термин «геология», который ввёл в научный оборот в 1657 году норвежский учёный М.П.Эшольт.

В самостоятельную область естественнонаучного знания геология выделяется в конце ХVIII – начале ХIХ столетия, а в ХХ столетии благодаря внедрению в геологические исследования физико-химических и математических методов, ГЕОЛОГИЯ превращается в КОМПЛЕКС НАУК О СОСТАВЕ, СТРОЕНИИ И ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ЗЕМЛИ В ЦЕЛОМ.

В настоящее время геология включает в свою структуру такие важные отрасли наук, как стратиграфия (раздел исторической геологии, изучающий последовательность формирования горных пород и их первичные пространственные взаимоотношения), тектоника, региональная геология, учение о полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология (мерзлотоведение) и др. Отметим, что дух эволюционизма, свойственный исторической геологии и её другим разделам, был внесён во второй половине ХIХ века такими учёными, как У.Смит, Ж.Кювье, А.Броньяр, Ч.Лайель, Э.Зюсс и др.

Согласно современным представлениям, Земля не является строгим шаром, как считали раньше. Она несколько сплюснута у своих полюсов: её полярный радиус примерно на 20 км короче экваториального. Ввиду этого её фигуру обычно представляют как эллипсоид вращения, т. е. как геоид.

Будучи приближённой, идеальной формой (моделью) земного шара, поверхность геоида, естественно, отличается от действительной физической поверхности Земли с её континентальными возвышениями и океаническими впадинами. Однако именно относительно его поверхности производятся измерения и определяются значения высоты и глубины соответственно этих возвышенностей и впадин. Согласно современным измерениям, установлено, что самой высокой точкой земной поверхности, возвышающейся над поверхностью геоида на 8848 м, является вершина Джомолунгма (Эверест) в Гималаях, а самой низкой её точкой оказывается Марианская впадина в Тихом океане, расположенный на глубине 11022 м ниже поверхности геоида.

Земля – это третья от Солнца планета Солнечной системы. Она обращается вокруг нашего светила по близкой к круговой эллиптической орбите со скоростью 29,765 км/с. Перигелий и афелий её орбиты соответственно составляют 147,1 млн. км (в начале января) и 152,1 млн. км (в начале июля). Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты. Афелий представляет собой наиболее отдалённую от Солнца точку орбиты планеты. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365,24 средних солнечных суток. Наша планета также вращается вокруг собственной оси, которая наклонена относительно эклиптики на 66 градусов, 33 минуты и 22 секунды и совершает полный оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут и 41 секунду. Площадь поверхности Земли (S) достигает 510,2 млн. км², её объём (V), масса (m) и средняя плотность составляют соответственно 1,083 х 10¹² км³, 5976 х 10²¹ кг и 5518 кг/м³. Она обладает гравитационным, магнитным и тесно взаимодействующим с этим последним электрическим полем и имеет естественный спутник – Луну, вращающуюся вокруг Земли на расстоянии в 384400 км.

Структура Земли.

Согласно современной космогонической концепции, Земля образовалась около 4,7 млрд. лет назад из газово-пылевого вещества, содержащегося в протосолнечной системе. Под воздействием гравитационных сил происходило разделение её вещества, что в конечном итоге привело к образованию различных по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочек-геосфер: ЯДРА (центральной сферы), МАНТИИ, ЗЕМНОЙ КОРЫ, ГИДРОСФЕРЫ и АТМОСФЕРЫ. К этим оболочкам следует добавить ещё и МАГНИТОСФЕРУ.

В направлении от атмосферы к центру Земли возрастают температура, давление и плотность, которые в центре земного шара достигают соответственно: 4000-5000⁰С, 3,6 х 10¹¹ Н/м² и около 12,5103 т/м³. В химическом составе Земли преобладают железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%). До центра Земли расстояние составляет ок. 6400 км.

Земное ядро представляет собой центральную геосферу с радиусом около 3500 км. Его принято делить на ВНУТРЕННЕЕ и ВНЕШНЕЕ ядра Земли.

ВНУТРЕННЕЕ ядро представляет собой сферу с радиусом порядка 1250 км, в центре которой температура приближается к 5000⁰С. В основном внутреннее ядро состоит из железа, но ввиду большого давления находится твёрдом состоянии. Предполагается, что оно является кристаллом с анизотропными (т.е. неодинаковыми) свойствами. Ученые полагают, что внутреннее ядро увеличивается в размерах (каждый год примерно на 1мм). Поверхность ядра неровная, покрытая металлическими кристаллами – дендридами, которые постоянно растут. Тепло передается от внешнего ядра к внутреннему. Внутреннее ядро будет расти, и продолжать остывать.

ВНЕШНЕЕ ЯДРО, расположенное между нижней границей мантии и верхней границей ВНУТРЕННЕГО ЯДРА (примерно 2900 км от поверхности планеты). Внешнее ядро находится в жидком состоянии, хотя оно похоже больше на желе, чем на жидкость (то есть имеет достаточно большую вязкость). По мере продвижения к центру Земли вязкость увеличивается, и желе переходит в твердое кристаллическое тело. Внешнее ядро также состоит в основном из железа и его окислов. Считается, что именно железное содержание ядра Земли является источником земного магнетизма, а конвективное движение вещества внешнего ядра рассматривается в качестве причины изменения местонахождения полюсов Земли, которое неоднократно случалось в ходе земной эволюции.

Металлическое вращающееся ядро Земли создает электромагнитное поле, которое защищает нас от солнечной радиации. Магнитное поле Земли разделяет поток солнечной радиации и отклоняет его от нашей планеты. На полюсах Земли сталкивается солнечный поток радиации и магнитное поле, образуя Северное сияние.

Со временем ядро остынет, и в нем прекратятся турбулентные потоки, исчезнет магнитное поле Земли. Земля не сможет удерживать атмосферу и океаны на своей поверхности. На Землю обрушится смертельная для всего живого радиация, метеоритный дождь и т. п. Наша планета превратится в мертвую и безжизненную.

Подобное предположение следует из установленного СЕЙСМОЛОГИЕЙ факта распространения волн землетрясений с различной скоростью по разным направлениям их перемещения.

Ее обычно делят также на две части: НИЖНЮЮ и ВЕРХНЮЮ МАНТИИ. НИЖНЯЯ МАНТИЯ имеет толщину около 2000 км, а ВЕРХНЯЯ – около 900 км. Вместе они составляют 83% объёма Земли и 67% её массы. Температура вещества мантии достигает порядка 2000-2500⁰С, поэтому ему присущи интенсивные конвективные движения. Мантия – это динамическая масса вращающейся породы, которая движется энергией ядра, своего рода электростанция планеты. Движения мантии приводят к тектоническим сдвигам, вулканизму и ряду других процессов, происходящих в земной коре. Через «столбы мантии» (образуются на глубине 2400 км от поверхности Земли) происходит прорыв вещества – извержение вулканов.

Между мантией Земли и земной корой проходит граница, названная в честь открывшего её в 1909 году югославского учёного поверхностью Мохоровича. Непосредственно прилегающий к данной поверхности верхний твёрдый слой мантии вместе с земной корой образует ЛИТОСФЕРУ (литосфера – от греч. lithos - камень и греч. sphаire – это верхняя твёрдая оболочка Земли). ЛИТОСФЕРА состоит из отдельных, взаимодействующих между собой плит, крупнейшими из которых являются Евроазиатская, Индо-Австралийская, Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская и Антарктическая. Непосредственно соприкасаясь с АСТЕНОСФЕРОЙ (это слой пониженной твёрдости, прочности и повышенной вязкости в верхней мантии, служащей неким основанием для литосферы), литосферные плиты как бы скользят по ней. Происходит перемещение этих плит (примерно на 3 см в год), проявляющееся, в частности, как дрейф континентов. Перемещаясь, литосферные плиты (толщина которых местами достигает 100 км, а по поперечнику они могут достичь нескольких тыс. км.) сталкиваются между собой. Это ведёт к разломам и трещинам в литосфере. Через них раскалённая масса астеносферы и более глубинных слоёв мантии (и даже внешнего ядра) может вырваться наружу в виде магмы (от греч. magma – тесто, месиво), вызывая все явления, связанные с вулканизмом или же просто создавая новые участки земной коры.

Вместе с тем, часть энергии трения литосферных плит превращается в колебательные движения, известные как землетрясения. Вообще эти колебания земной поверхности бывают ТРЁХ ВИДОВ: тектонические, вулканические и обвальные.

Менее сильными, но более продолжительными являются ВУЛКАНИЧЕСКИЕ землетрясения, происходящие в результате извержения вулканов.

И, наконец, ОБВАЛЬНЫЕ землетрясения происходят в результате больших и мощных обвалов и оползней. Из всей массы ежегодно регистрируемых современными приборами землетрясений (порядка 100 тыс.) только 10% ощущаются человеком и лишь 0,1% носят разрушительный характер.

Верхняя часть литосферы – ЗЕМНАЯ КОРА, внешняя твёрдая оболочка (сфера) Земли. Земная кора делится на КОНТИНЕНТАЛЬНУЮ и ОКЕАНИЧЕСКУЮ плиты.

Хотя земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям, в её структуре выделяют не только подвижные области – ГЕОСИНКЛИНАЛИ, но и относительно спокойные участки – ПЛАТФОРМЫ.

Большая часть ГИДРОСФЕРЫ (около 63%) сосредоточена в Мировом океане, который помимо пяти океанов (Тихого, Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого и Южного) включает в себя все моря, проливы и заливы. Мировой океан покрывает 70,8% поверхности Земли (в Северном полушарии около 61%, а в Южном – около 81%). Средняя глубина океанов - 3711 м, а средняя температура их поверхностных вод приблизительно равна 17,5⁰ С. В их водах в растворённом виде находится большинство химических элементов, среди которых преобладают хлор (19,35%) и натрий (10,76%). Поэтому велика их солёность, достигающая в среднем 35 г на 1 кг воды.

Доля пресных вод в гидросфере ничтожно мала и составляет всего 0,05%. Эти воды находятся во взаимозависимости с водами Мирового океана, которая реализуется в виде водного баланса и влагооборота Земли. Под ВОДНЫМ БАЛАНСОМ понимается соотношение количества воды, выпадающей на поверхность Земли в виде осадков, и количества воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши, а под ВЛАГООБОРОТОМ – непрерывный процесс перемещения воды главным образом между атмосферой и поверхностью Земли. Сюда же включим испарения, перенос водяного пара и его конденсацию в атмосфере, выпадение осадков, их инфильтрацию и сток с суши в водоёмы.

Земная атмосфера защищает от метеоритов, радиации, дает воздух для всего живого.

На высоте 20-25 км, в верхних слоях стратосферы, сосредоточена основная масса атмосферного озона - озоновый слой, который поглощает опасную для жизни коротковолновую ультрафиолетовую радиацию Солнца, предохраняя тем самым живые организмы от её вредного влияния.

Испытывая воздействие ультрафиолетовых лучей, солнечного и космического излучений, атомы газов ионосферы превращаются в катионы и анионы. Происходит ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ в АТМОСФЕРЕ. Газ, состоящий из ионов, или содержащий их в достаточном количестве, чтобы стать электрически заряженным, называется ИОНИЗИРОВАННЫМ. Поэтому эту сферу стали называть ИОНОСФЕРОЙ.

С ионизацией газов атмосферы связано полярное или северное сияние. Проникая в атмосферу из космоса и отклоняясь под действием магнитного поля Земли в сторону высоких широт, заряженные солнечные и космические частицы могут усиливать процесс ионизации атмосферных газов до такой высокой степени, при которой начинается их свечение.

ЭКЗОСФЕРА (от греч. exo – вне, снаружи) - это верхняя часть земной атмосферы, следующая за ионосферой на высоте 800 км и простирающаяся до высоты 2000 км и более. Это наружный, сильно разряжённый слой атмосферы Земли. Здесь преобладают атомы и молекулы лёгких газов, преимущественно водорода, а температура достигает 2000⁰С. В экзосфере атомы водорода могут освободиться от земного притяжения, покидать пределы Земли и вылетать в открытый космос. Поэтому экзосфера получила также название сферы рассеивания.

ГЕОКОРОНА - самая внешняя оболочка атмосферы Земли. Она простирается от нескольких десятков до сотен тысяч км от поверхности нашей планеты, и состоит в основном из атомарного водорода.

Наряду с атмосферой земной шар опоясывают ещё и ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ Земли, а именно: её гравитационное и тесно взаимодействующие между собой магнитное и электрическое поля.

Наша планета, как и любое материальное тело, подчиняется закону всемирного тяготения и поэтому обладает гравитационным полем. Она также представляет собой намагниченный шар, магнитная ось которого наклонена относительно оси его вращения на 11,5 градуса, но, в отличие от оси вращения, не проходит через его центр. Отсюда следует, что магнитные полюсы Земли а) не совпадает с географическими полюсами, б) не находятся в диаметрально противоположных точках земной поверхности. На полюсах Земли значение геомагнитного поля примерно в два раза больше, чем на экваторе. А сила этого поля в Северном полушарии несколько больше, нежели в Южном полушарии.

По сравнению с гравитационным полем, магнитное поле Земли является более слабым и в известном смысле может быть локализовано. Областью его локализации выступает МАГНИТОСФЕРА.

Магнитосферу условно делят на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя часть - ГЕОМАГНИТНАЯ ЛОВУШКА, в которой геомагнитное поле удерживает заряженные частицы, курсирующие от одного магнитного поля к другому.

Внешняя часть магнитосферы Земли охватывает силовые линии геомагнитного поля, которые под давлением солнечных заряженных частиц вытягиваются, образуя с ночной стороны Земли сравнительно длинный магнитный хвост (шлейф).