Вопросы для самоконтроля

1. Что такое химическая связь?

2. Какие частицы образуют химическую связь?

3. Какую роль химическая связь играет в природе7

4. Почему происходит смещение общей пары электронов?

5. Охарактеризуйте ковалентную неполярную связь.

6. Атомы каких элементов способны создавать ковалентные полярные связи?

7. Атомы каких элементов способны создавать ионные связи?

8. В чем структурное отличие атома от иона?

9. Возможно ли возникновение молекулы без химической вязи?

10. Почему ионная связь считается наименее прочной?

11. В чем отличия ковалентной неполярной связи от ионной?

12. В чем отличие ковалентной полярной связи от ионной?

13. В больших молекулах, например ДНК количество связей больше или одна связь более прочная?

14. Что заставляет определенные атомы в определенных условиях создавать молекулы?

15. Чем, на Ваш взгляд, выгодна химическая связь для первично отдельных атомов?

Лекция 10. «Концепция агрегатного состояния вещества»

Агрегатное состояние вещества характеризует степень взаимодействия структурных элементов (атомов, ионов и молекул) друг с другом в физическом теле. Чем она выше, тем жестче, тверже структура сформированного ими физического тела.

Агрегатное состояние, при котором перемещения структурных элементов по объему тела сводятся, лишь к колебаниям частиц у положения равновесия, никаких дальних перемещений частиц по объему не возникает, связи между частицами очень прочные называется твердое тело.

Существуют твердые тела при относительно низких температурах. Правда надо учесть, что понятия «низкие», как и «высокие» относительны и зависят от структуры данного вещества и состояния внешней среды.

Благодаря жесткости связей, твердое тело отлично сохраняет свою форму, способно воздействовать на форму других тел, например, удар кирпичом по воде.

Примерами твердых тел могут быть слитки металлов: железо, алюминий, медь, золото и т.д. В узлах их кристаллических решеток располагаются атомы.

Металлы способны проводить электрический ток за счет свободных обобществленных электронов (электронный газ), направленно перемещающихся по кристаллу во внешнем электромагнитном поле. Эти электроны – элементы связей атомов в металлических решетках.

Твердые тела – неметаллы: пластмассы, дерево, стекло и т.д., обладают прочными, разветвленными связями между структурными элементами: атомами (иод) или молекулами (стекло), выполняют функции диэлектриков, изоляторов, устойчивых к воздействию внешнего электромагнитного поля.

Жидкости существуют при относительно более высоких, чем их твердое состояние температурах. Они характеризуются более слабыми, эластичными связями между структурными элементами: атомами и молекулами. В качестве атомарных жидкостей можно представить себе расплавы металлов, жидкий гелий и т.д. Молекулярные жидкости это вода, молоко, жидкие красители и т.д.

Структурные элементы жидкостей обладают большей свободой перемещения по объему физического тела. В связи с этим им сложнее самостоятельно сохранять стабильную форму. Вот почему вода в жидком состоянии всегда принимает форму сосуда. При этом, одни связи удлиняются, а другие укорачиваются.

Переход от твердого тела к жидкому происходит с относительным повышением температуры.

Жидкости, образованные молекулами, способными сосредоточить на определенных участках связанные электроны (отрицательные заряды) и соответственно на других участках связанные протоны (положительные заряды) называются полярными. Они способны включать в свой состав ионы различных знаков. Например, вода относится к таким полярным растворителям, спирты и т.д.

Жидкости, молекулы которых не способны сосредоточить на отдельных участках плотности зарядов любых знаков называются неполярными. К ним относятся бензол, глицерин, расплавы пластических масс и т.д.

Существует интересный принцип, первоначально обнаруженный экспериментально «Подобное растворяется в подобном». Растворение полярного вещества, например этилового спирта, в неполярном растворителе, например бензоле, скорее всего, без помощи дополнительных веществ окончится неудачей. Полярные частицы спирта стремятся использовать свои поляризованные электроны для взаимодействия. Но неполярные растворители не способны с ними взаимодействовать.

Аналогичная картина возникнет при попытке растворить пластмассовые гранулы в обычной воде. Без добавления специальных дополнительных веществ это невозможно – не возникает связей.

Эти дополнительные вещества обладают одновременно свойствами полярности и не полярности (биполярностью), позволяющими им быть буфером между полярным растворителем и неполярным веществом или наоборот. Это один из механизмов действия различных присадок к маслам, горючему и т.д.

Если же в полярные жидкости добавляется вещество способное создавать в растворенном виде положительные и отрицательные заряды, то раствор приобретает новые интересные свойства.

Представим себе, что в воде растворили поваренную соль (NaCl). Она мгновенно распадается на окруженные молекулами воды ионы и . Эти заряженные частицы, попадая во внешнее переменное электромагнитное поле, способны активно проводить электрический ток. Вот почему морская вода обладает гораздо большей электропроводностью, чем речная и, уж конечно, чем дистиллированная.

А что, если внешнее электромагнитное поле будет не переменным, а постоянным. Тогда процесс в растворе не ограничится приданием направления электромагнитному импульсу. Начнется электрохимический процесс например, взаимодействия иона с молекулой воды. В результате, на одном из электродов (катоде или аноде) начнется выделение одного из продуктов электрохимической реакции, а на другом, возможно, другого. Возможно и выделение осадка вокруг электрода, газа и т.д.

Если в растворе присутствуют ионы никеля, цинка, титана и других металлов, на одном из электродов начнется их осаждение. Эти процессы лежат в основе гальванопластики и гальваностегии. Электрохимическая реакция в растворе или расплаве называется электролиз.

Газы – физические тела, существующие объективно при относительно больших температурах, чем жидкости, способны занять любой доступный объем, их форма определяется наличием внешних препятствий.

Частицы: атомы и молекулы относительно свободно перемещаются по всему объему, обладая достаточно большой энергией и относительно небольшой массой. Ясно, что существование газов поддерживает соответствующая температура среды. Действительно, переход от твердого к жидкому и от жидкого к газообразному состоянию осуществляется с повышением температуры внешней среды (при постоянном давлении). Понижение температуры ведет к обратному переходу от газа к жидкости и, затем к твердому телу.

Есть вещества, для которых вообще на Земле не существует твердого состояния. Например, гелий. Науке известно лишь его газообразное (наиболее распространенное) и жидкое состояние.

Много сил отдал исследованию газов Роберт Бойль (1627 – 1691), как наиболее динамичных агрегатных состояний вещества.

Естественно, с позиций классической механики Роберт Бойль (1627 – 1691), разделял материалистические представления Левкиппа и Демокрита, подхваченные Коперником, Джордано Бруно, Галилеем и конечно самим Ньютоном.

Бойль, совместно с Эдмом Мариоттом открыли закон, известный в последствии как закон Бойля-Мариотта. Он гласит: при постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объёма постоянно: . Иначе говоря, при увеличении давления соответственно уменьшается объем и наоборот.

Дальнейшее развитие описание состояния газов получило в работах Д.И. Менделеева и Бенуа Поля Эмиля Клапейрона (1799 – 1864). Ими был создан закон Менделеева – Клапейрона: , где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, m - масса, - масса одного моля вещества.

Дальнейшее увеличение температуры внешней среды (от 10000 градусов и выше) ведет к изменению строения частиц. При этой температуре молекулы превращаются в атомы, а атомы, в свою очередь, теряют часть электронов, превращаясь в заряженые частицы - ионы.

Возникает ионизованное состояние вещества, которое называется плазма.

Например, плазма появляется в русле грозового разряда, плазмой является шаровая молния, состояние плазмы может быть достигнуто в гигантских ускорителях.

Но конечно, ярчайший пример состояния плазмы Солнце, сходные с ним звезды Вселенной.

Представьте себе ионизованное газообразное состояние, раскаленный газовый шар, излучающий в различных спектральных диапазонах.

Для этого состояния в частных случаях характерны специфические химические реакции. Например, в плазме Солнца, состоящей, в основном, из ионов водорода и гелия, повсеместно, практически по всему объему, проходит процесс объединения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. При этом выделяется громадная по своей величине энергия. Такой процесс называется термоядерным.

Термоядерные взрывы, большой, даже для Солнца мощности, ведут к отрыву части плазмы поверхностных солнечных слоев. Эти куски с огромной скоростью летят в различных направлениях и, если проходят вблизи Земли, то взаимодействие заряженных частиц плазмы с ионосферой Земли ведет к появлению Северного сияния. Ось склонения Земли к Солнцу расположена так, что это явление, действительно, наблюдается только в северных широтах. В прочем, есть упоминание об этом явлении и в Московской области.

Но, как правило, остальная часть землян ощущает взаимодействие плазмы с ионосферой Земли как магнитные бури.

Пятое агрегатное состояние вещества тоже связано с Солнцем.

Ядро Солнца, кроме громадной: до десяти миллионов градусов) температуры, испытывает гигантское (миллионы атмосфер) внешнее давление. В этих внешних условиях газообразное состояние его ядра преобразуется в полужидкое, получившее название «конденсированная плазма».

Плотное, полужидкое, раскаленное мощнейшими термоядерными процессами ядро Солнца питает энергией всю его поверхность и, как следствие, всю Солнечную систему.

Очевидно, что количество агрегатных состояний вещества бесчисленное множество. Сегодня человечеству известно пять из них. Но познание продолжается.