Большая энциклопедия нефти и газа

Современные представления о механизме взаимодействия электромагнитного излучения и вещества не отвечают на такой, на первый взгляд, простой вопрос: почему, например, более слабые по энергетике радиоволны свободно проходят через лист бумаги, а световые волны нет? Почему тот же лист бумаги, пропитанный маслом, начинает пропускать свет?
Принятая в науке гипотеза переноса света в веществе сводит данный процесс к переизлучению электронами атомов и молекул прозрачной среды фотонов света, к движению зарядов и поля в веществе. Однако опыты С.И. Вавилова показали, что молекулы среды поглощают кванты света целиком и не обеспечивают их немедленного переизлучения. Да и сам процесс переизлучения в этом случае должен носить вероятност-
9-1212 ный характер, что противоречит наблюдениям. Поэтому данная гипотеза не в состоянии ответить на выше поставленные вопросы.
В рамках гипотезы эфирной природы света световая (эфирная) волна в среде распространяется в виде волны возмущения колебаний межатомного эфирного поля (МАЭП) этой среды. Прозрачность же вещества (среды) определяется его способностью пропускать световые волны без существенных искажений по частоте и амплитуде.
На прохождение световых волн в веществе должны оказывать влияние как структура расположения атомов относительно друг друга (форма решетки), так и строение электронных слоев атомов.
Рассмотрим влияние этих факторов на прохождение световых волн в прозрачной среде на примере алмаза и стекла.
Алмаз по своему химическому составу - углерод. Он имеет кристаллическую решетку октаэдрической формы, при которой расстояния между соседними атомами по всем граням одинаковы и имеют минимальную величину (а = 3,5595 А). Прозрачность алмаза резко меняется в зависимости от наличия или отсутствия в нем примесей азота. Для алмазов с примесями азота характерна низкая фотопроводимость. Они также поглощают излучения в инфракрасном (между 8-10 мкм) и в ультрафиолетовом (от 3300 А) диапазонах. Безазотные алмазы практически изотропны (физические свойства независимы от направления), имеют высокую фотопроводимость, не поглощают инфракрасные излучения и прозрачны для ультрафиолетовых (до 2200 А) излучений, обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью.
Стекло - это твердое аморфное вещество, которое в зависимости от состава прозрачно в той или иной области оптического диапазона. Стекло получают при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия, фосфора и др.) и оксиды металлов (лития, калия, магния, свинца и др.).
Основой стекла является молекула оксида кремния. Молекулярная спектроскопия показывает, что данная молекула имеет химическую формулу SiO4, т.е. между атомом кремния и атомом кислорода наблюдается одновалентная связь. Форма молекулы оксида кремния представляет собой тетраэдр. А так как атом кремния четырехвалентен, то каждый атом кислорода в молекуле SiO4 одновременно связан другой валентной связью с соседним атомом кремния, т.е. атомы кислорода равноценны (двусвяза- ны), так как принадлежат одновременно двум соседним тетраэдрам. Все связи между атомами Si-O имеют одинаковую длину (а = 1,60 А), и поэтому тетраэдры SiO4 имеет правильную конфигурацию. Они объединяются в двухмерные (слои) и трехмерные (пространственные) комплексы, которые имеют также правильную конфигурацию .

Прозрачными средами являются также такие жидкости, как вода, спирты, эфиры, растворители, растительные масла и др. Что же у них общего с алмазом и стеклом?
Формула молекулы воды - H2O, а между атомом кислорода и молекулой водорода существует вполне определенная связь (рис. 3.7.3). Ассоциация молекул воды при комнатной температуре составляет от 3 до 6. Молекулы спиртов, эфиров, растворителей,! растительных масел состоят из атомов углерода, водорода и кислорода и имеют определенную структуированную форму. Так, например, молекула этилового спирта CH3CH2OH, а ее структура приведена на рис. 4.7.1. Подобные структуры имеют молекулы эфиров, растворителей, масел и других органических соединений.
Для структуры любой прозрачной среды характерным является высокая плотность «упаковки» атомов (молекул) и одинаковые расстояния между ними по всем направлениям. У алмаза такую структуру среды обеспечивает октаэдрическая форма кристаллической решетки. У стеклообразующего оксида кремния расстояние, как между атомами, так и между молекулами, также одинаково и минимально. Такая форма расположения атомов (молекул) обеспечивает максимальную плотность их «упаковки» и одинаковое расстояние между ними по всем направлениям.
Молекулы жидкости (воды, спиртов и др.) можно представить в виде «клейких» шариков, заполняющих некоторый объем. Поэтому расстояние между молекулами жидкости также будут минимальны и одинаковы по всем направлениям, т.е. пространственное расположение молекул в жидкости такое же, как и молекул в стекле. Поэтому стело иногда называют «застывшей жидкостью». Отсюда следует, что одним из характерных свойств прозрачных сред является минимальное и одинаковое расстояние между атомами (молекулами), т.е. все они изотропны.
Зависимость фотопроводимости среды от структуры расположения атомов (кристаллической решетки) следует из следующего примера. Графит, как и алмаз, является углеродом, но в отличие от алмаза имеет кристаллическую решетку призматической формы, грани которой неодинаковы, т.е. расстояние между атомами в графите по каждому направлению разное. И такая структура расположение атомов углерода в графите делает его непрозрачным.

Рассмотрим возможный механизм воздействия структуры прозрачной среды и электронных слоев ее атомов на фотопроводимость.
Любая прозрачная среда должна оказывать некоторое сопротивление прохождению световой (эфирной) волны. Величина этого сопротивления определяется направлением, амплитудой и частотой колебаний эфитонов МАЭП, и, прежде всего, внешних электронных слоев атомов среды. Так как прозрачные среды изотропны, то в каждый момент времени направление колебаний эфитонов должно быть равновероятно для любого направления, т.е. в прозрачных средах не должно быть направленных колебаний эфитонов в МАЭП и внешних электронных слоев атомов. Частота колебаний эфитонов в МАЭП и во внешних электронных слоях определяется строением атомных оболочек. А так как расстояния между атомами прозрачной среды минимальны, то и амплитуда колебаний эфитонов также будет иметь минимальную величину. Прозрачные среды в том или ином сочетании в основном состоят из атомов углерода, кремния, кислорода и водорода.
Что имеется общего во внешних электронных слоях этих атомов? Конфигурация строения электронной оболочки атома углерода (6С12) имеет вид - 2s2/2p2, атома кремния (14Si28) - 3s2/3p2, атома кислорода (8016) - 2s2/2p4. У атома углерода во втором (внешнем) электронном слое в состоянии вир находятся по два электрона, и у атома кремния в третьем (внешнем) электронном слое также находятся в состоянии s и р по два электрона. У атома кислорода во втором (внешнем) электронном слое в состоянии s находятся два электрона, а в состоянии р четыре электрона. Из конфигурации строения электронных оболочек углерода, кремния и кислорода видно, что заполнение электронных слоев у них нормальное (без пропусков), а количество электронов всегда четно. У атома водорода всего один электрон, но число атомов водорода в молекуле прозрачной среды всегда четно, а значит и количество электронов тоже четно.
Атомная масса углерода равна 12, кислорода -16, а кремния - 28. Поэтому из-за большей массы частота колебаний ядра атома кремния будет ниже, чем частота колебаний ядер углерода и кислорода. Однако у углерода и кислорода внешним электронным слоем является второй слой, а у кремния - третий. А так как частота колебаний эфитонов в электронных слоях с удалением от ядра атома повышается, то частоты колебаний эфитонов во внешних электронных слоях атомов углерода, « кислорода и кремния, по-видимому, должны быть равны друг другу.
При падении световой волны на прозрачную среду происходит сложение гармонических колебаний этой волны с колебаниями эфитонов МАЭП среды. При этом обычно рассматриваются два предельных
случая: сложение колебаний одинакового направления и сложение взаимно перпендикулярных направлений. В нашем случае такой подход не может быть использован, ибо в каждой микрообласти МАЭП среды направления колебаний эфитонов изотропны. Поэтому интегральное воздействие колебаний МАЭП на световую волну должно быть минимальным (в идеальном случае равно нулю). Этому способствует и ориентация спинов электронов во внешних электронных слоях атомов прозрачной среды: так как число электронов всегда четно, то у каждой пары электронов спины ориентированы в противоположных направлениях, т.е. спин атома равен нулю. Поэтому они практически не оказывают влияние как на энергетику механических колебаний эфитонов МАЭП, так и на их ориентацию по электрической и магнитной составляющим.
Отсюда следует, что в прозрачных средах колебания эфитонов в межатомном эфирном поле и внешних электронных слоях атомов должны быть по направлению - изотропны, по амплитуде - минимальны, а по частоте равны друг другу.
Энергия механических колебаний эфитонов упругой световой волны значительно выше, чем энергия колебаний эфитонов МАЭП прозрачной среды (выше по частоте колебаний, больше по амплитуде, распространяется в одном направлении). Световая волна «вынуждает» эфитоны МАЭП совершать колебания с той же частотой, амплитудой и в том же направлении, что и колебания эфитонов падающей на прозрачную среду световой волны. Поэтому фотопроводимость прозрачной среды обратно пропорциональна затратам энергии световой волны на это преобразование.
Если лист бумаги пропитать маслом, то он начинает пропускать свет. Это явление объясняется тем, что молекулы масла заполняют все промежутки между нитями целлюлозы и тем самым образуют светопроницаемые каналы для прохождения световой волны. Различные примеси значительно ухудшают фотопроводимость прозрачной среды. Так, например, наличие примесей оксида азота (N2O5 - бесцветные кристаллы) в алмазе ухудшает его фотопроводимость, так как кристаллы оксида азота образуют микрообласти, в которых нарушаются свойства прозрачной среды.
Еще в первой половине XIX века было замечено, что даже окись азота (NO) оказывает существенное противодействие прохождению световых волн. По данному вопросу Дж. Тиндаль писал: “Через воздух, кислород, водород и азот волны эфира проходят не поглощаясь, и температура этих газов не повышается заметно, даже при употреблении самых сильных температурных лучей. В этом отношении окись азота достойна особого внимания, в ней химически соединены те самые
атомы, которые существуют не соединенными в воздухе; но способность поглощения сложного тела в 1860 раз превосходит способность поглощения воздуха» .
В том же случае, когда на среду падает эфирная (электромагнитная) волна, энергия механических колебаний эфитонов которой меньше энергии колебаний эфитонов межатомного эфирного поля среды, то в результате сложения волн происходит амплитудная модуляция колебаний эфитонов межатомного эфирного поля (рис. 4.7.2) в направлении распространения падающей волны. После прохождения среды эфирная волна уже свободно распространяется в окружающем среду эфирном пространстве.

Аллотропией называют способность атомов одного элемента формировать разные типы простых веществ. Так образуются соединения, отличные друг от друга.

Аллотропные модификации являются стабильными. В условиях постоянного давления при определенной температуре эти вещества могут переходить одни в другие.

Аллотропные модификации могут образовываться из молекул, имеющих разное количество атомов. Например, элемент Кислород образует озон (О3) и собственно вещество кислород (О2).

Аллотропные модификации могут быть имеющими разное строение кристаллов. К таким соединениям можно отнести, например, алмаз и графит. Указанные вещества - аллотропные модификации углерода. Этот химический элемент может образовывать пять гексагональный и кубический алмаз, графит, карбин (в двух формах).

Гексагональный алмаз обнаружен в метеоритах и получен в лабораторных условиях при продолжительном нагревании под воздействием очень высокого давления.

Алмаз, как известно, является самым твердым из всех веществ, существующих в природе. Применяется он при бурении горных пород и резке стекла. Алмаз представляет собой бесцветное прозрачное которое обладает высокой светопреломляемостью. Кристаллы алмазов имеют кубическую гранецентрированную решетку. Половина атомов кристалла располагается в центрах граней и вершинах одного куба, а остальная половина атомов - в центрах граней и вершинах другого куба, который смещен относительно первого по направлению пространственной диагонали. Атомы формируют тетраэдрическую трехмерную сетку, в которой они имеют

Из всех простых веществ только в алмазе присутствует максимальное количество атомов, которые располагаются очень плотно. Поэтому соединение является очень прочным и твердым. Прочные связи в углеродных тетраэдрах обеспечивают высокую химическую стойкость. На алмаз может воздействовать только фтор или кислород при температуре восемьсот градусов.

Без доступа воздуха при сильном нагреве алмаз превращается в графит. Это вещество представлено кристаллами темно-серого имеет слабый металлический блеск. На ощупь вещество маслянистое. Графит устойчив к нагреванию, обладает сравнительно высокой тепло- и электропроводностью. Вещество применяют при изготовлении карандашей.

Карбин получают синтетическим путем. Это твердое вещество черного цвета со стеклянным блеском. Без доступа воздуха при нагревании карбин превращается в графит.

Существует еще одна форма углерода - аморфный неупорядоченную структуру получают при нагревании углеродосодержащих соединений. Большие залежи угля обнаруживаются в природных условиях. При этом вещество имеет несколько сортов. Уголь может быть представлен в виде сажи, костяного угля или кокса.

Как уже было указано, аллотропные модификации одного элемента характеризуются разной межатомной структурой. Кроме того, они наделены различными химическими и физическими свойствами.

Сера является еще одним элементом, способным к аллотропии. Это вещество применяется человеком с давних времен. Существуют разные аллотропные модификации серы. Наиболее популярной является ромбическая. Она представлена твердым веществом желтого цвета. Ромбическая сера не смачивается водой (плавает на поверхности). Это свойство применяется при добыче вещества. Ромбическая сера растворима в органических растворителях. Вещество обладает плохой электро- и теплопроводностью.

Кроме этого, существует пластическая и моноклинная сера. Первая представляет собой коричневую аморфную (похожую на резину) массу. Она образуется, если в холодную воду вылить расплавленную серу. Моноклинная представлена в виде темно-желтых игл. Под влиянием комнатной (или приближенной к ней) температуре обе эти модификации переходят в ромбическую серу.

При изучении материала предыдущих параграфов, вы уже познакомились с некоторыми веществами. Так, например, молекула газа водорода, состоит из двух атомов химического элемента водорода – Н + Н = Н2.

Простые вещества – вещества, в состав которых входят атомы одного вида

К простым веществам, из числа известных вам веществ, относят: кислород, графит, серу, азот, все металлы: железо, медь, алюминий, золото и т.д. Сера состоит только из атомов химического элемента серы, а графит состоит из атомов химического элемента углерода.

Нужно четко различать понятия «химический элемент» и «простое вещество» . Например, алмаз и углерод – не одно и тоже. Углерод – химический элемент, а алмаз – простое вещество, образованное химическим элементов углеродом. В данном случае химический элемент (углерод) и простое вещество (алмаз) называются по-разному. Часто химический элемент и отвечающее ему простое вещество называются одинаково. Например, элементу кислороду, соответствует простое вещество – кислород.

Различать, где идет речь об элементе, а где о веществе, необходимо научиться! Например, когда говорят, что кислород входит в состав воды – речь идет об элементе кислороде. Когда говорят, что кислород – это газ, необходимый для дыхания – здесь идет речь о простом веществе кислороде.

Простые вещества химических элементов подразделяют на две группы – металлы и неметаллы.

Металлы и неметаллы кардинально отличаются по своим физическим свойствам. Все металлы при нормальных условиях твердые вещества, исключение составляет ртуть – единственный жидкий металл . Металлы непрозрачны, обладают характерным металлическим блеском. Металлы пластичны, хорошо проводят тепло и электрический ток.

Неметаллы не похожи друг на друга по физическим свойствам. Так, водород, кислород, азот – газы, кремний, сера, фосфор – твердые вещества. Единственный жидкий неметалл – бром – жидкость коричнево-красного цвета.

Если провести условную линию от химического элемента бора к химическому элементу астату, то в длинном варианте Периодической Системы над линией расположены неметаллические элементы, а под ней – металлические . В коротком варианте Периодической Системы под этой линией расположены неметаллические элементы, а над ней – как металлические, так и неметаллические элементы. Значит, определять, является элемент металлическим или неметаллическим, удобнее по длинному варианту Периодической Системы. Это деление условное, поскольку все элементы так или иначе проявляют как металлические, так и неметаллические свойства, но в большинстве случаев такое распределение соответствует действительности.

Сложные вещества и их классификация

Если в состав простых веществ входят атомы только одного вида, несложно догадаться, что в состав сложных веществ будут входить несколько видов различных атомов, как минимум двух. Примером сложного вещества является вода, ее химическая формула вам известна – Н2О . Молекулы воды состоят из двух видов атомов: водорода и кислорода.

Сложные вещества – вещества, в состав которых входят атомы различных видов

Проведем следующий эксперимент. Смешаем порошки серы и цинка. Поместим смесь на металлический лист и подожжем при помощи деревянной лучины. Смесь загорается и быстро сгорает ярким пламенем. После завершения химической реакции образовалось новое вещество, в состав которого входят атомы серы и цинка. Свойства этого вещества совершенно другие, нежели свойства исходных веществ – серы и цинка.

Сложные вещества принято делить на две группы: неорганические вещества и их производные и органические вещества и их производные. Например, каменная соль – это неорганическое вещество, а крахмал, содержащийся в картофеле – органическое вещество.

Типы строения веществ

По типу частиц, входящих в состав веществ, вещества делят на вещества молекулярного и немолекулярного строения.

В состав вещества могут входить различные структурные частицы, такие как атомы, молекулы, ионы. Следовательно, существует три типа веществ: вещества атомного, ионного и молекулярного строения. Вещества различного типа строения будут иметь различные свойства.

Вещества атомного строения

Примером веществ атомного строения могут быть вещества, образованные элементом углеродом: графит и алмаз . В состав этих веществ входят только атомы углерода, но свойства этих веществ очень сильно отличаются. Графит – хрупкое, легко расслаивающееся вещество серо-черного цвета. Алмаз – прозрачный, один из самых твердых на планете, минерал. Почему вещества, состоящие из одного типа атомов, имеют различные свойства? Все дело в строении этих веществ. Атомы углерода в графите и алмазе соединяются различным способом. Вещества атомного строения имеют высокие температуры кипения и плавления, как правило, нерастворимы в воде, нелетучи.

Кристаллическая решетка – вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла

Вещества молекулярного строения

Вещества молекулярного строения – это практически все жидкости и большинство газообразных веществ. Существуют и кристаллические вещества, в состав кристаллической решетки которых входят молекулы. Вода – вещество молекулярного строения. Лед также имеет молекулярное строение, но в отличие от жидкой воды, имеет кристаллическую решетку, где все молекулы строго упорядочены. Вещества молекулярного строения имеют невысокие температуры кипения и плавления, как правило хрупкие, не проводят электрический ток.

Вещества ионного строения

Вещества ионного строения – это твердые кристаллические вещества. Примером вещества ионного соединения может быть поваренная соль. Ее химическая формула NaCl. Как видим, NaCl состоит из ионов Na+ и Cl⎺, чередующихся в определенных местах (узлах) кристаллической решетки. Вещества ионного строения имеют высокие температуры плавления и кипения, хрупкие, как правило, хорошо растворимы в воде, не проводят электрический ток.

Понятия «атом», «химический элемент» и «простое вещество» не следует смешивать.

• «Атом» – конкретное понятие, так как атомы существуют реально.
• «Химический элемент» – это собирательное, абстрактное понятие; в природе химический элемент существует в виде свободных или химически связанных атомов, то есть простых и сложных веществ.

Названия химических элементов и соответствующих простых веществ совпадают в большинстве случаев.

Когда мы говорим о материале или компоненте смеси – например, колба наполнена газообразным хлором, водный раствор брома, возьмём кусочек фосфора, – мы говорим о простом веществе. Если же мы говорим, что в атоме хлора содержится 17 электронов, вещество содержит фосфор, молекула состоит из двух атомов брома, то имеем в виду химический элемент.

Нужно различать свойства (характеристики) простого вещества (совокупности частиц) и свойства (характеристики) химического элемента (изолированного атома определенного вида), см. таблицу ниже:

Сложные вещества необходимо отличать от смесей , которые тоже состоят из разных элементов.

Количественное соотношение компонентов смеси может быть переменным, а химические соединения имеют постоянный состав.

Например, в стакан чая вы можете внести одну ложку сахара, или несколько, а молекулы сахарозы С12Н22О11 содержит точно 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода.

Таким образом, состав соединений можно описать одной химической формулой, а состав смеси – нет.

Компоненты смеси сохраняют свои физические и химические свойства. Например, если смешать железный порошок с серой, то образуется смесь двух веществ. И сера, и железо в этой смеси сохраняют свои свойства: железо притягивается магнитом, а сера не смачивается водой и плавает по ее поверхности.

Если же сера и железо прореагируют друг с другом, образуется новое соединение с формулой FeS , не имеющее свойств ни железа, ни серы, но обладающее набором собственных свойств. В соединении FeS железо и сера связаны друг с другом, и разделить их методами, которыми разделяют смеси, нельзя.

Таким образом, вещества можно классифицировать по нескольким параметрам:

Выводы из статьи по теме Простые и сложные вещества

• Простые вещества – вещества, в состав которых входят атомы одного вида
• Простые вещества делят на металлы и неметаллы
• Сложные вещества – вещества, в состав которых входят атомы различных видов
• Сложные вещества делят на органические и неорганические
• Существуют вещества атомного, молекулярного и ионного строения, их свойства различны
• Кристаллическая решетка – вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла