Структурные уровни веществ в микромире

Структурные уровни материи в физике

1. Молекулярный уровень - уровень молекулярного строения веществ. Молекула – единая квантово – механическая система объединяющая атомы

2. Атомный уровень - уровень атомного строения веществ.

Атом – структурный элемент микромира, состоящий из ядра и электронной оболочки.

3. Нуклонный уровень - уровень ядра и частиц его составляющих.

Нуклон – общее название протона и нейтрона, являющихся сотавными частыми атомных ядер.

4. Кварковый уровень - уровень элементарных частиц – кварков и лептонов

все окружающие нас тела состоят из атомов

Атомы являются кирпичиками мироздания, они находятся в беспрерывном движении, притягиваются на больших расстояниях, но отталкиваются, когда мы стремимся приблизить их друг к другу. Размер атома ≈ 10(−8)см =1 ˚A (если яблоко увеличить до размеров Земли, то атомы яблока сами мстанут размером с яблоко). Всего в природе насчитывается около ста типов различных атомов. Все они собраны вместе в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Атомы соединяются друг с другом в молекулы. Например, молеку-

ла воды H2O, столь необходимая для жизни, состоит из двух атомов

водорода и одного атома кислорода, причем мы точно знаем, как они

расположены в пространстве относительно друг друга Так же

точно мы знаем расположение атомов во многих других молекулах.

А из чего состоят атомы? Атомы состоят из положительно заряженно-

го ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электро-

нов. Масса электрона хорошо известна, она составляет величину

Так же хорошо известен заряд электрона. Он равен величине e ≈ 4,8·10−10 СГСЭ. Заряды всех существующих в природе эле-

ментарных частиц (за исключением кварков) кратны заряду электрона.

Размер электрона до сих поp не поддается измеpению. Известно лишь,

что pадиус электpона заведомо меньше 10−16 см. Поэтому об электронах обычно говорят как о точечных частицах.

Размер ядра намного больше, порядка 10−4 ÷ 10−5 ˚A=10−12 ÷ 10−13

см. Ядра состоят из протонов и нейтронов, называемых в совокупно-

сти нуклонами (рис. 6). В любом атоме число протонов равно числу

электронов. Протон обладает положительным электрическим зарядом,

электрон — отрицательным, а атом в целом электрически нейтрален.

Вся масса атома сосредоточена в ядре. Электрон почти в 2000 раз легче

протона и нейтрона Нейтрон слегка тяжелее протона. Их разница в массах примерно равна

Можно задать следующий вопрос. А из чего состоят протоны и ней-

троны? Ответ известен. Они состоят из кварков. А электрон?

Сам по себе он ни из чего не состоит. Однако мы остановимся пока на

этом и не будем продолжать задавать вопросы о том, что из чего состоит.

Таким образом можно достаточно быстро подойти к границе неизведанного, после чего остается лишь повторять: “Не знаю, не знаем” и т. д.

Вернемся поэтому к атомам. Атом пуст. Если нуклоны ядpа атома увеличить до размеров яблока (т.е. примерно в 1014 раз), то расстояние от ядра до вращающихся вокруг него электронов будет порядка 10 км. Если бы электроны и ядра не были заряжены, атомы спокойно проходили бы друг через друга, нисколько не мешая соседу

 

10. Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса (по-современному, от атомной массы). Всего предложено несколько сотен вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определённой мере подобные друг другу.

Группы

Группа, или семейство, — одна из колонок периодической таблицы. Для групп, как правило, характерны более существенно выраженные периодические тенденции, нежели для периодов или блоков. Современные квантово-механические теории атомной структуры объясняют групповую общность тем, что элементы в пределах одной группы обыкновенно имеют одинаковые электронные конфигурации на их валентных оболочках. Соответственно, элементы, которые принадлежат к одной и той же группе, традиционно располагают схожими химическими особенностями и демонстрируют явную закономерность в изменении свойств по мере увеличения атомного числа. Впрочем, в некоторых областях таблицы, например — в d-блоке и f-блоке, горизонтальные сходства могут быть столь же важны или даже более заметно выражены, нежели вертикальные.

 

В соответствии с международной системой именования группам присваиваются номера от 1 до 18 в направлении слева направо — от щелочных металлов к благородным газам. Ранее для их идентификации использовались римские цифры. В американской практике после римских цифр ставилась также литера А (если группа располагалась в s-блоке или p-блоке) или B (если группа находилась в d-блоке). Применявшиеся тогда идентификаторы соответствуют последней цифре современных численных указателей — к примеру, элементам группы 4 соответствовало наименование IVB, а тем, которые ныне известны как группа 14 — IVA. Похожая система использовалась и в Европе, за тем исключением, что литера А относилась к группам до десятой, а В — к группам после десятой включительно. Группы 8, 9 и 10, кроме того, часто рассматривались как одна тройная группа с идентификатором VIII. В 1988 году в действие вступила новая система нотации ИЮПАК, и прежние наименования групп вышли из употребления.

 

Некоторым из этих групп были присвоены тривиальные, несистематические названия (например, «щелочноземельные металлы», «галогены» и т. п.); впрочем, некоторые из них используются редко. Группы с третьей по четырнадцатую, включительно, такими именами не располагают, и их идентифицируют либо по номеру, либо по наименованию первого представителя («титановая», «кобальтовая» и так далее), поскольку они демонстрируют меньшую степень сходства между собой или меньшее соответствие вертикальным закономерностям.

 

 

Элементы, относящиеся к одной группе, как правило, демонстрируют определенные тенденции по атомному радиусу, энергии ионизации и электроотрицательности. По направлению сверху вниз в рамках группы радиус атома возрастает (чем больше у него заполненных энергетических уровней, тем дальше от ядра располагаются валентные электроны), а энергия ионизации снижается (связи в атоме ослабевают, а, следовательно, изъять электрон становится проще), равно как и электроотрицательность (что, в свою очередь, также обусловлено возрастанием дистанции между валентными электронами и ядром). Случаются, впрочем, и исключения из этих закономерностей — к примеру, в группе 11 по направлению сверху вниз электроотрицательность возрастает, а не убывает.

 

Периоды

Период — строка периодической таблицы. Хотя для групп, как уже говорилось выше, характерны более существенные тенденции и закономерности, есть также области, где горизонтальное направление более значимо и показательно, нежели вертикальное — например, это касается f-блока, где лантаноиды и актиноиды образуют две важные горизонтальные последовательности элементов.

 

В рамках периода элементы демонстрируют определенные закономерности во всех трех названных выше аспектах (атомный радиус, энергия ионизации и электроотрицательность), а также в энергии сродства к электрону. В направлении слева направо атомный радиус обычно сокращается (в силу того, что у каждого последующего элемента увеличивается количество заряженных частиц, и электроны притягиваются ближе к ядру), и параллельно с ним возрастает энергия ионизации (чем сильнее связь в атоме, тем больше энергии требуется на изъятие электрона). Соответствующим образом увеличивается и электроотрицательность. Что касается энергии сродства к электрону, то металлы в левой части таблицы характеризуются меньшим значением этого показателя, а неметаллы в правой, соответственно, большим — за исключением благородных газов.

Блоки

Блоковая диаграмма периодической таблицы

Ввиду значимости внешней электронной оболочки атома различные области периодической таблицы иногда описываются как блоки, именуемые в соответствии с тем, на какой оболочке находится последний электрон. S-блок включает первые две группы, то есть щелочные и щелочноземельные металлы, а также водород и гелий; p-блок состоит из последних шести групп (с 13 по 18 согласно стандарту именования ИЮПАК, или с IIIA до VIIIA по американской системе) и включает, помимо других элементов, все металлоиды. D-блок — это группы с 3 по 12 (ИЮПАК), они же — с IIIB до IIB по-американски, в которые входят все переходные металлы. F-блок, выносимый обычно за пределы таблицы, состоит из лантаноидов и актиноидов

 

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Разработанная в XIX в. в рамках науки химии, периодическая таблица явилась готовой систематизацией типов атомов для новых разделов физики, получивших развитие в начале XX в. — физики атома и физики ядра. В ходе исследований атома методами физики было установлено, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева, называемый также числом Менделеева, (атомный номер) является мерой электрического заряда атомного ядра этого элемента, номер горизонтального ряда (периода) в таблице определяет число электронных оболочек атома, а номер вертикального ряда — квантовую структуру верхней оболочки, чему элементы этого ряда и обязаны сходством химических свойств.

Появление периодической системы и открытие периодического закона открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук — взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях Д. И. Менделеевым и его последователями создана стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.

11. Органическая химия, этапы развития.

Объектом изучения органической химии являются соединения углерода, называемые органическими веществами. В связи с этим органическую химию называют химией соединений углерода.

Следует, однако, иметь в виду, что некоторые простейшие соединения углерода, как поташ, мрамор и т. д., настолько сходны с типичными неорганическими веществами, что их обычно рассматривают в курсе неорганической (общей) химии. Число таких соединений, впрочем, весьма невелико.

Органическая химия может быть определена также как химия углеводородов и их производных. Хотя такое определение лучше отражает содержание органической химии, однако и оно не дает возможности провести резкую границу между органическими и неорганическими веществами, так как понятие «производные углеводородов» опять-таки охватывает некоторые соединения, являющиеся объектом изучения как органической, так и неорганической химии. Например, поташ и мрамор, представляющие собой производные угольной кислоты, являются в конечном счете производными углеводорода метана, окислением которого может быть получена эта кислота.

Первый важный рубеж в своем развитии органическая химия XX а прошла в 20-е годы. Изменение ее характера было связано с развитием новых представлений о строении молекул, базировавшихся на теории строения атома

Тот процесс, который в истории химии именуется «внедрение электронных представлений в химию», отнюдь не исчерпывается этим названием. Объяснение свойств химической связи и реакционной способности соединений перемещением электронов, приведшее к распространению на область химии принципов квантовой механики, было теснейшим образом связано с прогрессом физики атома

Уже на рубеже XIX—XX ва Р. Абегг и Г Бодлендер ввели понятие электросродства и электровалентности Дж Томсон дал истолкование электронной природе химической связи Предвидение Н. А. Морозова о существовании двух видов связи предвосхитило представление о ковалентных и электровалентных связях.

В России электронные представления на область органической химии распространил А. М. Беркенгейм Он высказал гипотезу о двойственных функциях углерода в образовании химических связей: электроположительность к атомам типа галогенов и электроотрицательность к атомам типа водорода Однако, так же как и другие гипотезы начала века, использовавшие электронные представления (Г Фрай, Д. ФОрлендер, К. Фальк и Д. Нельсон), гипотеза Беркенгейма не смогла дать интерпретации с физических позиций процессов в органической химии

Одним из самых серьезных недостатков этих теорий было распространение упрощенных электростатических представлений не только на гетерополярные связи, но и на связи гомеополярные, например на связь Н—Н в молекуле водорода, симметричную по всем признакам, которая, однако, изображалась как Н+Н. Подобные допущения следовали и для углеродистых соединений. Объяснение природы гомеополярных связей электростатическими силами требовало введения множества дополнительных гипотез. Успешное внедрение электронных представлений в органическую химию было связано с работами Г. Льюиса (с. 103).

В 1920 г. работами Р.Робинсона и К.Инголда начались исследования роли электронов в органических реакциях. Английские химики выдвинули гипотезу о возможной роли зон повышенной и пониженной электронной плотности в образовании центров, обусловливающих реакционную способность молекул. Г Льюис еще в своих первых статьях (1916), рассматривая вопрос о геометрии химической связи, высказал мысль о том, что электронная пара, ответственная за образование ковалентной связи, не обязательно расположена точно посередине между двумя атомами; она может быть приближена к одному из них. Эта мысль оказалась чрезвычайно плодотворной и была положена в основу теории электронных смещений. Работами Р. Робинсона, А. Лапуорта и Ф.Арндта, позднее К. Ингол-да, J1. Полинга и др. было введено представление об индуктивном, таутомерном (К. Инголд) и мезомерном эффектах.

Индукционный механизм предполагал смещение пары электронов вдоль связи, тауто-мерный—переход электрона со связи на связь. При этом такие смещения происходят в стационарном состоянии молекулы (статические) или под действием среды, реагентов, катализаторов (динамические). Статическое смещение, происходящее по тауто-мерному механизму, называли мезомерным.

12. Теория Дарвина

Дарвин выдвинул совершенно новую гипотезу в отношении живой природы, обобщив отдельные эволюционные идеи в одну, так называемую теорию эволюции, получившую широчайшее распространение в мире.

Во время кругосветного путешествия Ч. Дарвин собрал богатейший материал, свидетельствовавший об изменчивости видов растений и животных. Особенно поразительной находкой был огромный скелет ископаемого ленивца, обнаруженный в Южной Америке. Сравнение с современными, небольшими по размерам ленивцами, натолкнуло Дарвина на мысль об эволюции видов.

Богатейший эмпирический материал, накопленный к тому времени в географии, археологии, палеонтологии, физиологии, систематике и т.п., позволил Дарвину сделать вывод о длительной эволюции живой природы. Свою концепцию Дарвин изложил в работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859 г.). Книга Ч. Дарвина имела феноменальный успех, ее первый тираж (1250 экз.) был продан уже в первый день. В книге речь шла об объяснении возникновения живых существ без апелляции к идее Бога.

При этом следует отметить, что, несмотря на огромную популярность у читающей публики, идея постепенного появления в живой природе новых видов для научного сообщества того времени оказалась столь необычной, что была принята не сразу.

Дарвин предположил, что в популяциях животных существует конкуренция, благодаря которой выживают только те особи, которые обладают выгодными в данных конкретных условиях свойствами, позволяющими оставить потомство. Основу эволюционной теории Дарвина составляют три принципа: а) наследственности и изменчивости; б) борьбы за существование; в) естественного отбора. Изменчивость является неотъемлемым свойством всего живого. Несмотря на похожесть живых организмов одного вида, внутри популяции невозможно обнаружить две совершенно одинаковые особи. Эта вариантность признаков и свойств создает преимущество одних организмов перед другими.

В обычных условиях различие свойств остается незаметным и не оказывает существенного влияния на развитие организмов, однако при изменении условий, особенно в неблагоприятную сторону, даже малейшее различие может дать одним организмам значительное преимущество перед другими. Только особи с соответствующими условиям свойствами оказываются способными выжить и оставить потомство. Дарвин различает неопределенную и определенную изменчивость.

Определенная изменчивость, или адаптивная модификация, — способность особей одного вида одинаковым образом реагировать на изменения окружающей среды. Подобные групповые изменения не передаются по наследству, поэтому не могут поставлять материал для эволюции.

Неопределенная изменчивость, или мутация, — индивидуальные изменения в организме, передаваемые по наследству. Мутации не связаны напрямую с изменениями условий окружающей среды, однако именно неопределенная изменчивость играет важнейшую роль в эволюционном процессе. Случайно появившиеся позитивные изменения передаются по наследству. В итоге выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства, обладающая полезными наследственным и свойствами.

Между живыми существами, как считает Дарвин, разворачивается борьба за существование. Конкретизируя это понятие, Дарвин указывал, что внутри вида рождается больше особей, чем доживает до взрослого состояния.

Естественный отбор — ведущий фактор эволюции, объясняющий механизм образования новых видов. Именно этот отбор выступает движущей силой эволюции. Механизм отбора приводит к избирательному уничтожению тех особей, которые менее приспособлены к условиям окружающей среды.