Что такое электронные слои определение. Химический слой. Концептуальные уровни познании веществ

Электронная оболочка атома – это совокупность всех электронов атома.

Одни электроны ближе к ядру, другие дальше от него. У них разный запас энергии. Чем ближе электроны к ядру, тем прочнее их связь с ядром, но тем меньше запас энергии. По мере удаления от ядра сила притяжения электронов к ядру уменьшается, а запас энергии увеличивается. По этим признакам электроны образуют энергетические уровни (электронные слои).

Электронный слой, или энергетический уровень – это совокупность электронов с близкими значениями энергии.

Максимальное число электронов, которые могут находиться на том или ином электронном уровне, определяется по формуле:

N = 2n 2

N – максимальное число электронов на уровне; n – номер энергетического уровня.

По этой формуле понятно, что на первом энергетическом уровне может находиться не более 2 электронов (2 х 1 2) , на втором – не более 8 (2х2 2), на третьем – не более 18 (2х3 2) и т.д.

Но на внешнем энергетическом уровне может находиться не более 8 электронов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне имеют 1, 2, 3 (иногда 4) электрона, образуют вещества – металлы (исключение: водород, гелий, бор). Атомы металлов могут только отдавать электроны другим атомам.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне имеют 5, 6, 7, 8 (иногда 4) электронов, образуют вещества – неметаллы (к неметаллам относятся также водород, гелий, бор). Атомы металлов могут как присоединять, так и отдавать электроны другим атомам.

Атомы неметаллов, имеющие завершенный энергетический уровень, - это благородные газы . Их атомы не обладают способностью принимать электроны.

Истинный химик должен уметь доказывать познанное... то есть давать ему объяснение...
М. В. Ломоносов

9.1. Концептуальные уровни познании веществ

Закономерности, происходящие в веществах, процессы их превращения, при которых происходит изменение их состава и структуры, изучает раздел естествознания — химия. Она занимается явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает причины и законы управления химическими процессами, а также рассматривает составные части вещества и их применение на практике. Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV вв., зародилась алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.).
Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры. Химический процесс сопровождается изменением состава веществ, их структуры и обязательно энергетическими изменениями в реагирующей системе. Вследствие взаимосвязанности форм движения материи и их взаимопре-
197

вращаемости в результате химических реакций имеет место превращение химической энергии в теплоту, свет и проч. Химия нужна человечеству для того, чтобы из вещества природы получать по возможности все необходимое — металлы, цемент, бетон, керамику, фарфор, стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, лекарства и многое другое.
Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (АМУ), закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе (кинетика). Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения массы вещества открыли М. В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности взвешивание. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, равна массе полученных веществ. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.
Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению сис-
198

темного взгляда на химические знания. Развитие теоретических основ химии диктуется потребностью химического производства совершенствовать управление химическим процессом для получения веществ с заранее заданными свойствами.
Историю развития теоретических основ химии можно представить в виде следующих этапов.
В период зарождения химии как науки (вторая половина XVII в.) возникло первое концептуальное учение о составе. Объяснение свойств веществ связывалось с их составом, а изменением состава объяснялось химическое превращение. Последующее становление учения (концептуального уровня) о составе определило открытие стехиометрических законов (закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений), развитие понятия химического элемента, представлений о валентности, периодическом законе и периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, методах исследования состава соединений и др.
Второй концептуальный уровень развития химии связан с зарождением структурной химии (XIX в.). Было замечено, что огромное разнообразие веществ растительного и животного происхождения образовано весьма небольшим числом химических элементов (углерод, водород, кислород, азот и некоторые др.). К тому же при одинаковом составе вещества (изомеры) имеют разные свойства. Это означало, что свойства веществ зависят не только от состава, но и от структуры (А. М. Бутлеров разработал основные положения). Если при зарождении химии как науки главным направлением был химический анализ, то с появлением структурной химии стал органический синтез. Сегодня структурная химия строится на квантово-механических представлениях о химической связи, строении молекул и кристаллов, на методах исследования структуры веществ, изучении влияния структуры на свойства веществ и проч.
Третий уровень в развитии химии связан с возникновением (конец XIX в.) и развитием учения о химическом процессе — о его принципиальной возможности и условиях протекания. Это было вызвано резким возрастанием потребностей и масштабов
199

производства продуктов химической переработки нефтяного сырья. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических процессов, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику и механизмы реакций и т. д. Этот уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие.
Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.
В наши дни наблюдается новый уровень развития химии, который направлен на создание наиболее экономичного и экологически чистого безотходного химического производства, использование в промышленных масштабах закономерностей химических превращений живой природы.
Тридцатые годы ознаменовались следующим скачком — появлением теории молекулярных орбиталей (МО). Теория МО позволила успешно описать строение, электронное устройство многих органических соединений. Так, например, были выведены правила, позволяющие предсказать, будет ли еще не синтезированное соединение ароматическим. Концептуальные системы химии изображены на рис. 9.1, в котором вертикальная координата у представляет массив всей теоретической и эмпирической информации, накопленной со времен Бойля и до настоящего времени, а горизонтальная координата t — историческое время.
Как видно, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает низлежащую предыдущую, а наоборот, опирается на нее и включает ее в себя в преобразованном виде. Так, например, учение о химических процессах предполагает наличие знаний о составе исходного сырья, о строении молекул исходных реа-
200

Гентов и об их реакционной способности, потому что эти знания позволяют химику подобрать исходное сырье для получения целевого продукта. Но этих знаний недостаточно для того, чтобы осуществить химический процесс с максимальным экономическим эффектом и соблюдением экологических требований охраны окружающей среды. Для этого дополнительные знания дает учение о химических процессах — термодинамика, химическая кинетика, химическая технология.

9.2. Состав вещества и химические системы

Во тьме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутренних, нечувствительных частиц строения.
М. В. Ломоносов

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра,
201

хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.
Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.
Химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. Химические связи порождают взаимодействие электронных оболочек атомов. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает одна округлая структура, несколько большая, чем до этого был каждый атом в отдельности. Так получается насыщенная молекула, и присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно, т. е. химические связи отличаются насыщенностью. С введением понятия валентности ею стали объяснять строение и химические свойства молекул. Наиболее распространены четыре вида химических связей: ионная, ковалентная, металлическая и водородная. Химическая связь, осуществляемая за счет образования общих для взаимодействующих атомов электронных пар, называется ковалентной связью. Химическая связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие ионов, называется ионной. Химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов всех атомов в кристалле, называется
202

металлической. Химическая связь, обусловленная взаимодействием полярных молекул, одной из которых является водород, называется водородной. Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее изолированных атомов, то она может существовать, т. е. ее связь устойчива.
Каждое вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами. Когда какое-нибудь простое вещество вступает в химическую реакцию и образует новое вещество, то оно при этом теряет большинство своих свойств. Например, железо, соединяясь с серой, теряет металлический блеск, ковкость, магнитные свойства и др. Следовательно, в сульфиде железа нет железа, каким мы знаем его в виде простого вещества. Но так как из сульфида железа (FeS) при помощи химических реакций можно снова получить металлическое железо, то говорят что в состав сульфида железа входит элемент железо, понимая под этим тот материал, из которого состоит металлическое железо. Точно так же водород (Н) и кислород (О), входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов — водорода и кислорода. Если же элементы находятся в "свободном состоянии", т. е. не связаны химически ни с каким другим элементом, то они образуют простые вещества.
Долгое время не делалось различия между элементом и простым веществом. Понятие "элемент" в качестве научного термина впервые использовано Р. Бойлем в 1661 г. Со времен Бойля элементом считали всякое простое вещество, которое можно получить в результате разложения сложных веществ, но которое не способно к дальнейшему разложению на еще более простые вещества.
Также была опровергнута флогистонная теория окисления металла многочисленными экспериментами М. В. Ломоносова. Согласно этой теории процесс окисления металла рассматривался как реакция разложения: металл считался сложным веществом, а окалина простым, т. е. железо —» окалина + флогистон.
203

М. В. Ломоносов, проведя эксперименты в запаянных ретортах, установил, что масса сосуда с прокаленным железом не меняется, если взвесить, не вскрывая его. Французский ученый А. Лавуазье также показал, что горение есть реакция соединения вещества с кислородом воздуха. Лавуазье поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове.
Начало XIX в. ознаменовалось открытием новых количественных закономерностей. Разработка атомно-молекулярной теории позволила Дальтону высказать атомную гипотезу и ввести в химию понятие об относительном атомном весе элементов и определить атомные веса некоторых элементов. По Дальтону, элемент можно определить как вид атомов, характеризующихся определенным значением атомного веса, а простые вещества состоят из определенного вида атомов, следовательно, простые вещества суть элементы. Путаница была устранена позже, когда было установлено, что многие простые вещества образованы из молекул, а не из атомов. Впервые Менделеев в связи с этим указал на необходимость ясно различать два понятия: элемент и простое вещество, или простое тело. Если простому веществу (телу) соответствует понятие о частице, то элементу — об атоме. Углерод есть элемент, а уголь, графит и алмаз суть тела простые.
Пользуясь понятием о химических элементах, можно сказать, что важнейшая задача химии состоит в изучении свойств элементов в отыскании общих закономерностей в их поведении и в отношении между собой. К середине XIX в. насчитывалось уже 63 элемента и был накоплен достаточно богатый экспериментальный материал, касающийся их физических и химических свойств, и были установлены групповые общие свойства. Были накоплены сведения и о таких характеристиках, как атомная масса элементов и их валентность, т. е. способность образовывать различные формы соединений. Прежде всего нужно было решить основной вопрос: являются ли химические элементы разрозненными, независимыми или они закономерно связаны между собой в единую систему.
204

Первые попытки решения этой задачи относятся к первой половине XIX в. Деберейнер (1829 г.) сгруппировал элементы в триады; Одлинг (1857 г.) разместил 48 элементов в единую таблицу из 13 групп сходственных элементов; Ньюлендс и де Шаркунтуа (1863 г.) распределили 63 элемента в порядке возрастания их атомной массы, была опубликована немецким химиком Л. Мейером таблица элементов, в которой отсутствовали бор, алюминий и водород. Всего попыток классификации было не менее пятидесяти, и все были по существу безуспешны. В основе неудач лежал метафизический способ их мышления. Наконец в 1869 г. Д. И. Менделеев предложил периодическую систематизацию свойств элементов.
Диалектико-материалистический подход к систематизации элементов является основной причиной успеха Д. И. Менделеева. Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии, она явилась могучим орудием для дальнейших исследований. На основании периодического закона Д. И. Менделеев предсказал существование 12 новых элементов, причем для трех из них (галий — Ga, германий — Ge и скандий — Sc) описал подробно их свойства. В течение полувека были обнаружены в природе почти все элементы, расположенные до урана. Путеводной нитью для поиска и установления химической природы элементов явился периодический закон и метод предсказания, использованный Д. И. Менделеевым. Периодический закон и периодическая система получили свое полное подтверждение и дальнейшее развитие при установлении строения атомов элементов. Сейчас фактические данные в химии выросли в тысячи раз. Имеются сведения о 8 миллионах индивидуальных химических соединений постоянного состава и миллиардах соединений переменного состава.
Современная формулировка периодического закона следующая: от величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства элемента и его положение в периодической системе. Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов при переходе от одного периода к другому: с ростом Z строение электронных оболочек атомов повторяется.
205

Особенно это касается внешних энергетических уровней, на которых расположены валентные электроны. В пределах одного периода с увеличением заряда ядра наружные слои заполняются постепенно, достигая своей завершенности в атомах благородных газов. Эта последовательность повторяется в каждом периоде, вследствие чего в них наблюдается переход от металлов в начале периода к неметаллам и благородному газу в его конце. В свете теории строения атома периодический закон получил современную формулировку: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.
Атомный вес элемента определяется как среднее арифметическое величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов, называют изотопами. Например, хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами на 75,53% из изотопа 35Сl и на 24,47% — из 37Сl, в результате средняя атомная масса хлора равна 35,453. Открытие изотопов потребовало пересмотра понятия "химический элемент". Химический элемент — это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра. Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. Графит, алмаз, уголь — аллотропные видоизменения элемента углерода.
С развитием количественных методов исследования в химии были накоплены экспериментальные факты, обобщение которых привело к открытию так называемых стехиометрических законов — закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений. Именно эти законы способствовали окончательному утверждению в химии атомно-молекулярного учения. Основой химической науки являются атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон Д. И. Менделеева и теория химического строения.
Основные положения атомно-молекулярного учения заключаются в следующем:
206

1. Вещества состоят из молекул; молекулы различных веществ отличаются между собой химическим составом, размерами, физическими и химическими свойствами.
2. Молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ.
3. При физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических — они претерпевают качественные и количественные изменения и из одних молекул образуются другие.
4. Молекулы состоят из атомов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов.

Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.), называется относительной атомной массой. 1 а.е.м. = = 1,667 10-27кг.
Элементы, соединяясь в разных количественных соотношениях друг с другом, образуют химические соединения — сложные вещества. Что собой представляет химическое соединение? Обладает ли сложное вещество переменным или постоянным составом?
Известный французский химик Ж. Пруст в отличие от К. Бертолле считал, что любое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав. Именно на этом законе, получившем название закона постоянства состава, Ж. Пруст объяснил различие между химическими соединениями и смесями. Например СO2 (углекислый газ) можно получить несколькими способами:

но в чистом СO2 всегда содержится 27,29% С и 72,71% O2 по массе.
Многие элементы, соединяясь друг с другом, могут образовывать разные вещества, каждое из которых характеризуется
207

определенным соотношением между массами этих элементов. Так, углерод и кислород образуют оксид углерода — СО и С02—диоксид углерода. Изучая подобные соединения, английский ученый Д. Дальтон, установил закон кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие числа.
Дальтон придерживался атомной теории строения вещества; изучая свойства газов, открыл закон парциальных давлений газов. Закон непосредственно свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, что свидетельствует о прерывном строении вещества. Развивая атомно-молекулярную теорию, Дальтон ввел близкое к современному представление об атомах и об относительных атомных массах элементов. Но в отличие от закона сохранения массы, справедливость которого полностью подтверждена открытиями, сделанными после его установления, законы постоянства состава и кратных отношений оказались не столь всеобщими. В связи с открытием изотопов выяснилось, что соотношение между массами элементов, входящих в состав данного вещества, постоянно лишь при условии постоянства изотопного состава этих элементов. Например, тяжелая вода содержит 20% (масс) водорода, а обычная вода лишь 11%.
В начале XX в. (более чем через 100 лет) русский ученый Н. С. Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава, в которых на единицу массы данного элемента может приходиться различная масса другого элемента. Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав, и формула TiO2 более точно выражает свой состав в виде TiO1. 9_2.0. Конечно, такого рода формулы указывают не состав молекулы (вещества имеют атомную структуру), а лишь отражают границы состава вещества. Периодическая система представляет пример упорядоченного конечного счетного множества химических элементов. А можно ли подобным образом упорядочить множество химических соединений, число которых хоть и велико, но не безгранично? И вот
208

Оказалось, что вещества с одинаковыми суммами атомных номеров, молекулярных масс и плотностями обладают чрезвычайно близкими физико-химическими свойствами. Достаточно знать химический состав вещества и его плотность, чтобы предсказать и все его прочие свойства. Н. С. Курнаков предложил назвать соединения бертоллоидами в честь К. Бертолле, который впервые предсказал существование веществ переменного состава.
Таким образом, существует обширный класс соединений, не подчиняющихся стехиометрическим соединениям, законам, т. е. нарушение законов связано с вполне определенным агрегатным состоянием вещества.
В принципе, нет четкой границы между соединениями постоянного и переменного состава с точки зрения современной физики. Соединение может быть образовано и из атомов одного химического элемента — простое вещество. Сложное вещество образовано из атомов различной природы, т. е. в состав молекулы сложных веществ входят различные элементы. Вода образована атомами водорода и кислорода, а вещество кислород только из молекул одного элемента — кислорода. Но один элемент кислород образует два аллотропных видоизменения простых веществ кислород и озон, которые отличаются строением, структурой, физическими и химическими свойствами.

9.3. Структура вещества и его свойства

Надо было исследовать предметы, прежде чем можно было приступить к исследованию процессов. Надо сначала знать, что такое данный предмет, чтобы можно было заняться теми изменениями, которые с ним происходят.
Ф. Энгельс

Характер любого химического соединения зависит не только от качественного и количественного состава, но и от взаимного
209

влияния атомов и строения молекулы — мельчайшей химической системы.
Вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, называют изомерами, а само явление — изомерией. Формулу С4Н8O имеет 21 вещество. Долгое время вплоть до XVIII в. химики не делали различия и между минеральными и органическими веществами. Именно явление изомерии заставляет, не довольствуясь установлением молекулярной формулы, идти дальше, выясняя детали внутреннего строения молекул органических веществ, структуру соединения. Структуру молекул органических соединений пытался объяснить шведский химик Й. Берцелиус в своей теории радикалов. В ней он наивно полагает, что структура молекул зависит от электрических зарядов в молекулах органических соединений.
На смену теории радикалов пришла теория типов французского ученого Ш. Жерара, которая рассматривала органические соединения как производные простейших веществ: водорода, воды, аммиака. Формулы получались сходные с современными, но в них вкладывалось содержание совершенно иное: формулы теории типов — это только формулы превращения. Внутреннее строение молекул считали непознаваемым, становясь на позицию агностицизма — философского учения, ставящего границы человеческому познанию. "Анархия" в химии пошла на убыль благодаря работам Э. Франкланда и Ф. Кекуля. В химии утвердилось понятие о валентности, в частности развилось представление о четырехвалентности углерода. Благодаря трудам С. Канниццаро была внесена ясность в вопрос об атомных и молекулярных массах, об эквивалентах.
Таким образом, к 1860 г. было достигнуто понимание фундаментальных понятий химии (атом, молекула, эквивалент, валентность), признана справедливость закона Авогадро. Все это способствовало развитию химии в области получения веществ с заранее заданными специфическими свойствами, что являлось крупным шагом вперед. Дальнейшее развитие теория строения находит в трудах русского ученого А. М. Бутлерова. Атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном
210

порядке химическими силами (силами валентности). Теория Бутлерова потому и названа теорией химического строения, что она указывала не на пространственное сорасположение атомов в молекуле, а на распределение действия химических сил сродства. Она указывала на причины активности одних веществ и пассивности других. Более того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекулы. И именно поэтому она стала для химиков действенным руководством в практике синтеза органических веществ. Идеи об энергетической неэквивалентности химических связей, обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы, являются главным содержанием понятия "структура" в теории Бутлерова.
Теория химического строения Бутлерова нашла физические обоснования в квантовой механике. Сегодня под структурой молекул мы понимаем и пространственную, и энергетическую упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов и обладающей единой молекулярной орбиталью. Вообще же понятию "структура" в химии можно дать единое определение: структура — это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула. Воззрения Кекуле и Бутлерова превратили химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы. Пространственная структура расположения атомов в молекуле, особенно в органической химии, определяет свойства веществ и особенности химических реакций.
Структуру устанавливают физическими методами — ядерный магнитный резонанс, электронография, масс-спектрометрия и др. Формулы строения выражают порядок химической связи атомов и каждое вещество имеет одну определенную формулу строения, отражающую порядок химической связи атомов в реально существующей молекуле. Физические и химические свойства органических соединений определяются составом и строением их молекул. В то же время можно было судить лишь
211

о химическом строении — порядке химической связи атомов. В настоящее время имеется возможность определять пространственное строение: определять распределение электрических зарядов — электронное строение. Все три особенности строения составляют одно качественное целостное строение органического соединения. Например, формула С2НбО отвечает двум различным веществам: диметиловый эфир СН3ОСН3, этиловый спирт С2Н5ОН. Благодаря успехам химии и физики, в настоящее время знают, что химические явления связаны с процессами, происходящими в электронной оболочке атомов.
В определении строения молекулы как единой целостной системы все больше стали применять различные физико-химические методы, основанные на законах квантовой механики. К таковым относятся: рефрактометрия, спектроскопия, спектральный ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). В настоящее время разработаны методы исследования структуры и свойств химических волокон и пленок акустическим методом.
Многочисленные опыты проводятся в области зависимости структуры вещества от его биологической активности. В связи с этим заслуживает внимания новый метод количественных соотношений структура—активность (сокращенно — КССА), уже зарекомендовавший себя в фармакологии, но пригодный для поиска любых веществ с заранее заданными свойствами.
Таким образом, эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой — установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.
212

9.4. Химические процессы

О значительнейших вещах не будем судить слишком быстро.
Гераклит

Химический процесс (от лат. processus — продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, тесную связь следующих друг за другом стадий развития, представляющую непрерывное, единое движение. Учение о химических процессах — это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химические процессы подразделяются на: гомо- и гетерогенные (в зависимости от агрегатного состояния реагирующих систем), экзо- и эндотермические (в зависимости от количества выделяющейся и поглощаемой теплоты), окислительные, восстановительные (в зависимости от отношения к кислороду) и др.
Все процессы, которые протекают вокруг нас, можно объединить в три большие группы.
1. Самопроизвольные процессы, которые можно использо
вать для получения энергии или совершения работы. Условиями
протекания самопроизвольных процессов или законами термо
динамики, характеризуемыми их, являются: а) в изолированной
системе, т. е. в системе, для которой исключен любой материаль
ный или энергетический обмен с окружающей средой, сумма
всех видов энергии есть величина постоянная; б) изменение
энтальпии (тепловой эффект процесса, АН) зависит только от
вида и состояния исходных веществ и продуктов и не зависит
от пути перехода. Он носит название закона Гесса и сформули
рован им в 1840 г.
2. Процессы, для осуществления которых требуется затрата
энергии или совершение работы.
3. Самоорганизация химической системы, т. е. самопроиз
вольный процесс, проходящий без изменения энергетического
запаса системы, совершается только в направлении, при котором
213

порядок в системе увеличивается, т. е. где энтропия уменьшается.
Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. На скорость химической реакции также влияют следующие условия и параметры:

1. природа реагирующих веществ (например, щелочные металлы растворяются в воде с образованием щелочей и выделением водорода и реакция протекает при обычных условиях моментально, а цинк, железо и другие реагируют медленно и с образованием оксидов, а благородные металлы не реагируют вообще);
2. температура. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа). Со многими веществами кислород начинает реагировать с заметной скоростью уже при обыкновенной температуре (медленное окисление). При повышении температуры начинается бурная реакция (горение);
3. концентрация. Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ. Горение веществ в чистом кислороде происходит интенсивнее, чем в воздухе, где концентрация кислорода почти в 5 раз меньше. Здесь справедлив закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ;
4. площадь поверхности реагирования. Для веществ в твердом состоянии скорость прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ. Железо и сера в твердом состоянии реагируют достаточно быстро лишь при предварительном измельчении и перемешивании: горение хвороста и полена;

5) катализатор. Скорость реакции зависит от катализаторов, веществ которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.
Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. Многие реакции долгое время не могут закончиться. В таком случае говорят, что реакция достигла химического равновесия. Химическая система находится в состоянии равновесия, если выполняются следующие три условия:

Вант-Тофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики. Химическая кинетика изучает скорости протекания химических реакций. Ле Шателье сформулировал закон смещения химического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов — температуры, давления и др. Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация), то положение равновесия химической реакции смещается в ту сторону, которая ослабляет данное воздействие.
Химические реакции классифицируют по изменению качества исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:
реакции соединения — реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно вещество, более сложное, чем исходные;
реакции разложения — реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько веществ;
реакции замещения — реакции, при которых атомы одного элемента замещают атом другого элемента в сложном веществе и при этом образуются два новых — простое и сложное;
реакции обмена — реакции, при которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями, в результате
215

чего из двух сложных веществ образуются два новых сложных вещества.
По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические — с выделением теплоты и эндотермические — с поглощением теплоты. С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические — с применением катализаторов и некаталитические — без применения катализаторов. По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые.
В. Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Оказалось, что в большой степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. Явление катализа — селективного ускорения химических процессов в присутствии веществ (катализаторов), которые принимают участие в промежуточных процессах, но регенерируются в конце реакции, широко используется в промышленности, например фиксация азота и водорода, контактный способ производства серной кислоты и многие другие. Впервые синтез аммиака был осуществлен в 1918 г. на основе работ Габера, К. Боша и А. Митташа с помощью катализатора, представляющего собой металлическое железо с добавками окисей калия и алюминия, при температуре 450-550 °Си давлении 300-1000 атмосфер. В настоящее время большое внимание уделяют применению металлоорганических и металлокомплексных катализаторов, отличающихся высокими селективностью и избирательностью действия. Тот же самый процесс синтеза аммиака при использовании металлоорганического катализатора удалось осуществить при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы в производстве минеральных азотных удобрений. Особенно велика роль катализа в органическом синтезе. Крупнейшим успехом в этом направлении надо признать получение искусственного синтетического каучука из этилового спирта, осуществленное советским академиком С. В. Лебедевым в 20-х годах XX века.
216

Ферменты, или биокатализаторы, играют исключительную роль в биологических процессах и технологии веществ растительного и животного происхождения, а также в медицине. В настоящее время известно свыше 750 ферментов, и их число ежегодно увеличивается. Ферменты являются бифункциональными и полифункциональными катализаторами, так как здесь имеет место согласованное воздействие двух или нескольких групп катализаторов различной природы в составе активного центра фермента на поляризацию определенных связей субстрата. Эта же концепция лежит в основе каталитического действия фермента и теории кинетики действия ферментов. Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности.
Самоорганизация химических систем в биологические, их единство и взаимосвязь подтверждает синтез органических соединений из неорганических. В 1824 г. немецкий химик Ф. Велер, ученик Берцелиуса, впервые получил из неорганического дициана N-C-C-N при нагревании его с водой щавелевую кислоту НООС-СООН — органическое соединение. Также было получено новое органическое вещество — мочевина (карбамид) из цианистого аммония. В 1854 г. во Франции М. Бертло синтетическим путем получил жир. Наибольшим успехом химии 50-60-х гг. XX в. явился первый синтез простых белков — гормона инсулина и фермента рибонуклерозы.

9.5. Эволюция химических систем и перспективы химии

Все наши значим — прошлые, настоящие и будущие — ничто по сравнению с тем, что мы никогда не узнаем.
К. Э. Циолковский

Под эволюцией химической системы понимают самопроизвольный синтез новых химических соединений, являющихся более сложными и более высокоорганизованными продуктами по
217

сравнению с исходными веществами. Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Хотя химия в настоящее время еще далека от решения этих проблем, но намечены следующие пути решения этой задачи:

1. Развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами классического гетерогенного катализа.
2. Освоение каталитического опыта живой природы, заключающегося в определенных успехах моделирования биокатализаторов. Для решения проблемы освоения каталитического опыта живой природы необходимо изучение законов химической эволюции и происхождения жизни.
3. Использование достижений иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая превращает последние в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие, т. е. осуществляется биоорганический катализ.
4. Развитие исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии. Характеризуется изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма, т. е. это пролог к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

Успехи химии экстремальных состояний, каталитической химии, в областях металлокомплексного катализа, модели-
218

рования биокатализаторов, химии и технологии иммобили-зированных систем, "нестационарной технологии", важным звеном которой должна стать теория саморазвития открытых каталитических систем, позволяют видеть в ближайшей перспективе богатейшие возможности развития новой химии. Эта новая химия уже теперь становится способной решать такие задачи, для реализации которых до сих пор еще не было предпосылок.
В частности, в области тяжелого органического синтеза это задачи: а) значительного ускорения химических превращений в мягких условиях за счет объединения в катализаторах будущего достоинств гетерогенного, гомогенного и металлоэнзимного катализа; б) достижение близкой к 100% селективности процессов;
в) осуществление новых важных энергетически затрудненных
процессов за счет сопряжения эндо- и экзотермических реакций;
г) существенной экономии углеводородного сырья и перехода от
нефти к углю как более распространенному сырьевому источни
ку. Химия теперь имеет реальные предпосылки и для решения
таких общих задач, как: а) моделирование и интенсификация
фотосинтеза; б) фотолиз воды с получением водорода как са
мого высокоэффективного топлива; в) промышленный синтез
широкого спектра органических продуктов, и в первую очередь
метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на
основе углекислого газа; г) промышленный синтез многочислен
ных фторматериалов.
Все это является залогом успешного претворения в жизнь задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта энергии для производства необходимых материалов.

ВЫВОДЫ

1. Состав, структуру вещества и закономерности их взаимопревращений изучают в химии, которая является одним из разделов естествознания.
219

2. Основой химической науки является атомно-молекулярное
учение, закон сохранения материи, периодический закон, теория
строения вещества, учение о химическом процессе.

1. Вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов. Атомы в молекулах удерживаются химическими связями. Химические связи отличаются насыщаемостью. Валентность атомов определяет характер строения и химические свойства молекул.
2. Структура вещества, под которой понимают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, определяет целостные ее свойства.
3. Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.
4. Актуальными проблемами современной химии являются вопросы самоорганизации и эволюции химических систем, использование катализа и биокатализа.

Вопросы для контроля знаний

1. Назовите основные этапы эволюции химических систем.
2. Назовите основные перспективные направления развития современной химии.
3. Чем определяются химические свойства вещества?
4. Как объяснялись свойства в процессе эволюции химических знаний?
5. Кто впервые указал на зависимость свойств вещества от их состава?
6. В чем сущность теории Бутлерова?

1. От каких факторов зависит активность химических процессов?
2. Назовите основные направления в развитии учения о составе вещества.
3. Как называются химические соединения постоянного состава?

1. Какое общее название носят химические соединения переменного состава?
2. Чем обусловливаются химическая связь и свойства атомов?
3. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?
4. Перечислите основные уровни химических структур.
5. От чего зависит динамика химических процессов?
6. Какие вещества называют катализаторами?
7. Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?

17. Какие функции выполняют ферменты?

Состав атома.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки .

Ядро атома состоит из протонов (p + ) и нейтронов (n 0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.

Число протонов N (p + ) равно заряду ядра (Z ) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

N (p +) = Z

Сумма числа нейтронов N (n 0), обозначаемого просто буквой N , и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А .

A = Z + N

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е -).

Число электронов N (e -) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.

Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.

Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.

Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).

Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).

Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.

Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например: .

Строение электронной оболочки атома

Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако.

Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s , p , d и f .

Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.

Примечание : иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью".

Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень , их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.

Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:
s -подуровень (состоит из одной s -орбитали), условное обозначение - .
p -подуровень (состоит из трех p
d -подуровень (состоит из пяти d -орбиталей), условное обозначение - .
f -подуровень (состоит из семи f -орбиталей), условное обозначение - .

Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.

При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s , 3p , 5d означает s -подуровень второго уровня, p -подуровень третьего уровня, d -подуровень пятого уровня.

Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n . Общее число орбиталей на одном уровне равно n 2 . Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n 2 .

Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).

Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):

1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.

2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов.

3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.

Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n 2 .

Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):

1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f , 5d , 6p , 7s , 5f , 6d , 7p ...

Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:

Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев ("электронная схема").

Примеры электронного строения атомов:

Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s 2 , они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s 2 , но у него есть 3d 6 , следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s 2 , а атома железа - 4s 2 3d 6 .

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)

Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.

Периодическая система - графическое выражение периодического закона.

Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.

Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.

В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).

Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные ), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.

У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.

Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).

В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично.

Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.

В периодах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,
• увеличивается число внешних электронов,
• уменьшается радиус атомов,
• увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
• увеличивается электроотрицательность,
• усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),
• ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),
• ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
• возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.

В группах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,
• увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
• уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
• уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
• ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),
• усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),
• возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
• ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
• снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).

Задачи и тесты по теме "Тема 9. "Строение атома. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ)"."

• Периодический закон - Периодический закон и строение атомов 8–9 класс
  Вы должны знать: законы заполнения орбиталей электронами (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда), структуру периодической системы элементов.

  Вы должны уметь: определять состав атома по положению элемента в периодической системе, и, наоборот, находить элемент в периодической системе, зная его состав; изображать схему строения, электронную конфигурацию атома, иона, и, наоборот, определять по схеме и электронной конфигурации положение химического элемента в ПСХЭ; давать характеристику элемента и образуемых им веществ по его положению в ПСХЭ; определять изменения радиуса атомов, свойств химических элементов и образуемых ими веществ в пределах одного периода и одной главной подгруппы периодической системы.

  Пример 1. Определите количество орбиталей на третьем электронном уровне. Какие это орбитали?
  Для определения количества орбиталей воспользуемся формулой N орбиталей = n 2 , где n - номер уровня. N орбиталей = 3 2 = 9. Одна 3s -, три 3p - и пять 3d -орбиталей.

  Пример 2. Определите, у атома какого элемента электронная формула 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
  Для того, чтобы определить, кокой это элемент, надо выяснить его порядковый номер, который равен суммарному числу электронов атома. В данном случае: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Это алюминий.

  Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий. Желаем успехов.

  
  Рекомендованная литература:
  • О. С. Габриелян и др. Химия 11 кл. М., Дрофа, 2002;
  • Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 11 кл. М., Просвещение, 2001.

Наиплотнейшая материя, то есть видимая Земля, показалась бы ему центром шара подобно желтку, являющемуся центром яйца. Вокруг этого ядра он наблюдал бы более тонкую материю, расположенную по отношению к центральной массе так же, как белок яйца расположен вокруг желтка. Предприняв более тщательное исследование, он обнаружил бы, что второй вид субстанции пронизывает твердую землю до самого центра подобно крови, просачивающейся сквозь твердые части нашей плоти. На внешней поверхности обоих смешивающихся слоев он нашел бы еще более тонкий слой, соответствующий скорлупе яйца за исключением того, что третий слой - самый тонкий из трех видов материи и пронизывает оба внутренних слоя.

Как уже было сказано, центральная масса, видимая духовным взором, есть наш внешний мир, состоящий из твердых тел, жидкостей и газов. Они образуют Землю, ее атмосферу, а также эфир, о котором наша физическая наука гипотетически говорит как о наполняющем атомную субстанцию всех химических элементов. Второй слой материи называется Миром Желаний, а слой самый дальний от центра называется Миром Мысли.

По недолгом размышлении над предметом становится ясно, что точно такую же градацию необходимо учитывать для рассмотрения фактов жизни, которые мы видим. Все окружающие нас в мире формы построены из химической субстанции: твердых тел, жидкостей и газов, но чтобы они могли двигаться, они подчиняются определенным отдельным импульсам, а если побуждающая энергия отсутствует, форма становится инертной. Паровая машина вращается благодаря толчкам невидимого газа, называемого паром. Пока пар не наполнит машинные цилиндры, она стоит, и когда побуждающая сила прекращает свое движение, она вновь останавливается. Динамо вращается под действием еще более тонкого влияния электрического тока, который может вызвать щелканье телеграфных тумблеров или заставит зазвенеть звонок; но динамо перестает вращаться и звонок замолкает, когда невидимое электричество отключается. Формы птицы, животного и человеческого существа также прекращают свое движение, когда внутренняя сила, которую мы называем жизнью, улетает своим невидимым путем.

Все формы побуждаются к движению желанием; птицы и животные странствуют по земле, желая найти пищу и пристанище или с целью размножения. Человек также побуждается своими желаниями, но вдобавок имеет и другие, более высокие стимулы, побуждающие к действию; среди них есть желание быстрого движения, которое привело его к созданию паровой машины и других устройств, которые движутся, подчиняясь его желанию.

Если бы в горах не было железа, человек не смог бы строить машин. Если бы в почве не было глины, было бы невозможно создать кости скелета, а если бы не было Физического Мира с его твердыми телами, жидкостями и газами, наши плотные тела никогда не пришли бы в существование. Рассуждая подобным образом, понимаешь, что если бы не было Мира Желания, состоящего из вещества желания , у нас бы не было способа формировать чувства, эмоции и желания. Планета, состоящая только из материалов, постигаемых нашим физическим глазом, без всяких иных субстанций, была бы домом растений, растущих бессознательно и лишенных желания, побуждающего их к движению. Человеческое же и животное царства на такой планете не смогли бы существовать.

Кроме того, в мире существует огромное число вещей, от простейших и наиболее грубых инструментов до самых замысловатых и искусных устройств, созданных руками человека. Они свидетельствуют о человеческой мысли и изобретательности. Мысль должна иметь источник, так же как форма и чувство. Мы видели, что для создания паровой машины или тела требуется необходимый материал, и пришли к выводу, что для того, чтобы получить материал для выражения желания, должен существовать мир, состоящий из вещества желания. Доводя свои доводы до логического вывода, мы приходим и к тому, что если Мир Мысли не будет содержать резервуара умственного вещества, которым можно было бы пользоваться, то у нас не было бы возможности думать и исследовать.

Таким образом становится ясно, что деление Планеты на миры объясняется не причудливой метафизической спекуляцией, а логически необходимо в экономике природы. Поэтому такое деление неизбежно должно рассматриваться тем, кто учится, и помогает пониманию внутренней природы вещей. Когда мы видим трамваи, движущиеся по улицам, нам ничего не говорит тот факт, что мотор приводится в движение электричеством в столько-то ампер и вольт. Такие слова только запутывают до тех пор, пока мы основательно не изучим науку электричества; а затем мы обнаружим, что тайна углубляется, так как если трамваи относятся к миру инертных форм, которые мы видим, то электрический ток, который их двигает, присущ области силы, невидимому Миру Желаний, а мысль, которая создает и руководит этим миром, приходит из еще более тонкого Мира Мысли, который является домом человеческого Духа, Эго.

Можно возразить, что такие доводы делают простой предмет чрезвычайно запутанным, но стоит немного поразмышлять, и мы поймем ошибочность данного утверждения. Смотря поверхностно на любую науку, приходишь к выводу, что она чрезвычайно проста: анатомически мы можем разделить тело на плоть и кости, химически мы можем провести простое деление на твердые тела, жидкости и газы, но для того, чтобы основательно овладеть наукой анатомией, необходимо провести годы в тщательном изучении всех малых нервов, суставов, сочленяющих различные части костной структуры, изучать различные виды тканей и их расположение в нашей системе, где они образуют кости, мускулы, железы, и т. д., которые в совокупности составляют человеческое тело. Соответственно для того, чтобы понять науку химию, мы должны изучать валентность атома, которая определяется способностью вступать в связь с различными элементами, вместе с прочими тонкостями, такими как атомный вес, плотность и т. д. Наиболее опытные химики постоянно совершают чудеса благодаря тому, что хорошо поняли необъятность избранной ими науки.

Молодой юрист, недавно закончивший институт, полагает, что знает о сложнейших делах намного больше, чем судьи Верховного Суда, которые провели долгие часы, недели и месяцы, серьезно обдумывая свои решения. Но те, кто, не учась, думают, что понимают величайшую из всех наук, науку Жизни и Бытия, и могут вести публичные о ней беседы, совершают б"ольшую ошибку. По прошествии многих лет терпеливого изучения, святой жизни, проведенной в тщательном исследовании, человек неоднократно попадает в тупик от необъятности изучаемого предмета. Он обнаруживает, что последний настолько раздвигается при исследовании как большого, так и малого, что не поддается описанию, что недостаточно слов и язык должен онеметь. Поэтому мы утверждаем (и утверждение наше основано на знании, добытом годами скрупулезного изучения и исследования), что тонкие нюансы, которые мы привели и будем приводить, вовсе не своевольны, а абсолютно необходимы, как и деления и различия, проводимые в анатомии или химии.

Ни одна форма в физическом мире не обладает чувствами в истинном смысле этого слова. Чувствует именно обитающая в ней жизнь, как можно видеть из того факта, что тело, которое откликается на малейшее прикосновение, когда преисполнено жизнью, остается нечувствительным даже тогда, когда его режут на куски, после того как его покинула жизнь. Учеными, в частности профессором Бозе из Калькутты, было продемонстрировано, что ткань умершего животного и даже олово и другие металлы чувствительны, но мы утверждаем, что диаграммы, которые, похоже, подкрепляют его выводы, в действительности демонстрируют только отклик на толчок, подобный отскоку резинового мяча, и что их не надо путать с такими чувствами, как любовь, ненависть, симпатия и неприязнь. Гёте в романе "Избирательное сродство" (Wahlverwandtschaft) также приводит несколько прекрасных иллюстраций, в которых дает пример кажущейся любви и ненависти атомов, основанный на том, что некоторые элементы соединяются легко, в то время как другие субстанции отказываются вступать в связь, - каковое явление вызывается различной скоростью вибрации элементов и разным наклоном их осей. Только там, где есть чувствующая жизнь, могут существовать чувства удовольствия и боли, страдания или радости.

Эфирный слой

Вдобавок к твердым телам, жидкостям и газам, составляющим Химический Слой Физического Мира, существует более тонкая градация материи, называемая эфиром, которая - согласно науке - наполняет атомную структуру земли и ее атмосферу. Ученые никогда не видели этой субстанции, не взвешивали, не измеряли и не анализировали ее, но они приходят к выводу, что она должна существовать, чтобы отвечать за передачу света и различные другие явления. Если бы нам было возможно жить в комнате с выкачанным воздухом, то как бы громко мы ни говорили, как бы громко ни звонили в самый большой колокол, и если бы даже выстрелили из пушки у самого уха, мы бы не услышали звука, так как воздух является посредником, передающим звуковые вибрации барабанной перепонке нашего уха. Но если бы горел электрический свет, мы бы сразу заметили его лучи, так как он освещал бы комнату, несмотря на отсутствие воздуха. Следовательно, в комнате должна находится субстанция, способная переносить вибрацию электрического света к нашему глазу. Этого посредника ученые называют эфиром, но он столь тонок, что не разработано инструмента, посредством которого он может быть измерен или проанализирован, поэтому у ученых нет информации об эфире, хотя они и постулировали его существование.

Мы не стремимся преуменьшить достижений современных ученых. Мы ими глубоко восхищаемся и ожидаем от них новых открытий, но мы осознаем, что все открытия прошлого были сделаны благодаря искусному применению прекрасных инструментов для решения казалось бы неразрешимых и трудных проблем. Сила науки по праву объясняется инструментами, и ученый может сказать: "Возьми стекла, обработанные определенным образом, вставь их в трубу, направь трубу на определенную точку в небе, где пока ничего не видно невооруженным глазом. И ты увидишь прекрасную звезду под названием Уран". Если последовать этим указаниям, можно быстро и без подготовки убедиться в истинности утверждения ученого. Но если инструменты науки являются бастионом ее силы, то они же отмечают и границу, на которой заканчивается область исследования, потому что с духовным миром невозможно контактировать при помощи физических инструментов; поэтому исследования оккультистов начинаются там, где физический ученый подходит к своему пределу, и осуществляются они духовными способами.

Такие исследования так же доскональны и так же различны, как и исследования материалистических ученых, но их не так легко продемонстрировать широкой публике. Духовные способности дремлют в каждом человеческом существе, и когда они пробуждаются, то заменяют и телескоп, и микроскоп. Они позволяют тем, кто ими обладает, исследовать предметы, находящиеся за завесой материи, но развиваются они только благодаря терпеливому применению и многолетней безупречности, и мало тех, у кого хватает веры, чтобы встать на путь достижения, или настойчивости, чтобы пройти через суровые испытания. Поэтому утверждения оккультистов не имеют широкого признания.

Нетрудно увидеть, что достижению должно предшествовать длительное испытание, так как человек, оснащенный духовным зрением, способен проникать сквозь стены домов так же легко, как мы передвигаемся в атмосфере, способен читать самые сокровенные мысли тех, кто его окружает, и если он не побуждается чистыми и бескорыстными мотивами, то принесет большое бедствие человечеству. Поэтому такие способности охраняются подобно тому, как мы охраняем динамитную бомбу от анархиста или от невежественного человека, пусть и исполненного благими намерениями, или прячем спички и порох от детей.

В руках опытного инженера динамитная бомба может быть использована при прокладке скоростной трассы, а разумный фермер может использовать черный порох для очищения поля от пней, но в руках злонамеренного преступника или невежественного ребенка взрывчатое вещество может принести большие разрушения и оборвать многие жизни. Сила одна и та же, но используя ее по-разному, в соответствии со способностями или намерениями пользователя, можно вызвать диаметрально противоположные результаты. Так же обстоит дело и с духовными способностями. Они на время заперты под замок, как заперт банковский сейф; к ним нет доступа никому, пока люди их не заслужат и не подойдет время для их использования.

Как уже упоминалось, эфир является физической материей и подчиняется тем же законам, что управляют и другими физическими субстанциями на этом плане существования. Поэтому достаточно незначительного расширения физического зрения для того, чтобы видеть эфиры (их четыре степени плотности); голубая дымка, видимая в горных каньонах, является в действительности эфиром, известным оккультным исследователям как химический эфир. Многие, видящие этот эфир, неосведомлены о том, что они обладают способностью, которая есть не у всех, а другие, развившие духовное зрение, не наделены эфирным видением - каковой факт кажется ненормальным до тех пор, пока предмет ясновидения не понят в совершенстве.

Причина заключается в том, что, поскольку эфир есть физическая материя, эфирное зрение зависит от чувствительности оптического нерва, тогда как духовное зрение приобретается развитием скрытых вибрационных способностей двух маленьких органов, находящихся в мозге: гипофиза и шишковидной железы. Даже близорукие люди могут обладать эфирным зрением. Хотя они не способны читать печатную книгу, они могут "видеть сквозь стены" благодаря тому, что их оптический нерв быстрей откликается на тонкие вибрации, чем на грубые.

Когда кто-то смотрит на объект эфирным зрением, он видит через этот объект подобно тому, как рентгеновские лучи проникают через светонепроницаемую субстанцию. Если он посмотрит на швейную машину, то сперва увидит внешнюю, ближнюю к нему часть, затем внутреннее устройство, наконец, самую дальнюю часть.

Если он развил духовное видение до такой степени, что ему открылся Мир Желаний, и взглянет на тот же предмет, он увидит его как внутри, так и снаружи. Если он вглядится пристальней, то заметит каждый атом, вращающийся вокруг своей оси, и ни одна часть или частица не ускользнет от его взгляда.

Но если его духовное зрение развито до такой степени, что он способен видеть швейную машину зрением, присущим Миру Мысли, он заметит полость там, где раньше видел форму.

Предметы, видимые эфирным зрением, очень сходны по своему цвету. Они красновато-голубые, пурпурные или фиолетовые в соответствии с плотностью эфира, но когда мы видим предмет духовным зрением, свойственным Миру Желаний, он сверкает и блестит тысячами изменчивых цветов столь неописуемой красоты, что их можно сравнить только с жизненным огнем. Поэтому автор называет данную степень видения цветовым зрением; когда же посредником восприятия является духовное зрение Мира Мысли, видящий, кроме еще более прекрасных цветов, обнаруживает постоянный поток определенного гармонического тона, исходящий из упомянутой полости. Таким образом мир, в котором мы сейчас сознательно живем и который постигаем посредством наших физических чувств, является преимущественно миром формы, Мир Желаний - главным образом миром цвета, а Мир Мысли - сферой тона.

В зависимости от степени отдаленности этих миров, статуя, например, будучи формой, выдерживает разрушение времени в течение тысячелетий, но краски на картине блекнут гораздо раньше, так как они приходят из Мира Желаний; музыка же, присущая наиболее удаленному от нас миру - Миру Мысли, похожа на нечто неуловимое, чего нельзя ни поймать, ни удержать, она пропадает сразу после своего звучания. Но цвета и музыка компенсируют такую мимолетность.

Статуя холодна и безжизненна как минерал, из которого она состоит, и пленяет немногих, хотя ее форма реально ощутима.

Формы на картине иллюзорны, но тем не менее они выражают жизнь по причине цветов, которые доходят до нас из области, где нет ничего инертного и безжизненного. Поэтому картина захватывает многих.

Музыка неосязаема и эфемерна, но она доносится из мира Духа, и хотя она мимолетна, она признается Духом как душевная речь, струящаяся из небесных сфер, эхо нашего дома, откуда мы были изгнаны. Поэтому она затрагивает струну в нашем существе независимо от того, сознаем ли мы истинную причину или нет.

Таким образом мы видим, что существуют различные степени духовного видения, соответствующие той сверхфизической сфере, которую они открывают нашему восприятию: эфирное зрение, цветное зрение и тональное зрение.

Оккультный исследователь обнаруживает, что эфир бывает четырех родов, или степеней плотности: Химический Эфир, Жизненный Эфир, Световой Эфир и Отражающий Эфир.

Химический Эфир есть средство выражения сил, обеспечивающих усвоение, рост и поддержание формы.

Жизненный Эфир является полем действия сил, работающих над воспроизведением или построением новых форм.

Световой Эфир передает мотивирующее могущество Солнца по различным нервам живых тел и делает возможным движение.

Отражающий Эфир принимает впечатления от всего, что существует, живет и движется. Он также записывает каждое изменение подобно пленке в кинокамере. По этим записям медиумы и психометристы могут читать прошлое по тому же принципу, по какому кинокадры при соответствующих условиях воспроизводятся вновь и вновь.

Мы говорим об эфире как об арене действия сил, - каковое слово не имеет смысла для среднего ума, потому что сила невидима. Но для оккультного исследователя силы - не просто названия, такие как пар, электричество и т. д. Он находит, что они являются разумными существами различных степеней, как до-, так и сверхчеловеческими. Так называемые "законы природы" являются Великими Разумными Существами, которые руководят более элементальными существами в соответствии с определенными правилами, разработанными для продвижения их эволюции.

В средние века, когда много людей были еще наделены остаточным негативным ясновидением, говорили о гномах, эльфах и феях, бродящих по горам и лесам. То были земные духи. Говорили также об ундинах, или водных духах, обитающих в реках и ручьях, о сильфах, которые, как считалось, парили над рвами и вересковыми пустошами как воздушные духи. Но меньше говорилось о саламандрах, так как они являются огненными духами, поэтому их не так легко обнаружить и они не так доступны большинству людей.

Древние сказания сейчас считаются суевериями, но на самом деле тот, кто обладает эфирным зрением, может увидеть маленьких гномов, встраивающих зеленый хлорофилл в листья растений и придающих цветам множество нежных оттенков, которые нас восхищают.

Ученые вновь и вновь пытаются предложить адекватное объяснение явлению ветра и шторма, но они терпят неудачу и не могут достичь успеха, потому что стремятся дать механическое объяснение того, что в действительности является манифестацией жизни. Увидь они воинство сильфов, летающих туда-сюда, они узнали бы, кто и что ответственно за переменчивость ветра; понаблюдай они за морским штормом с эфирной точки зрения, они могли бы постичь, что "война элементов" - не пустая фраза, потому что вздымающееся море является поистине ратным полем сильфов и ундин, а завывающая буря - это воинственный крик духов в воздухе.

Саламандр также можно найти повсюду, и нет огня, который не горел бы без их помощи. Однако они активны главным образом под землей, будучи ответственны за взрывы и вулканические извержения.

Классы существ, которые мы упомянули, являются дочеловеческими, но все со временем достигнут стадии эволюции, соответствующей человеческой, хотя и при обстоятельствах, отличающихся от тех, в которых эволюционируем мы. Но в нынешнее время прекрасные Разумные Существа, о которых мы говорим как о законах природы, ведут армии менее развитых упомянутых существ.

Для лучшего понимания того, чем эти существа являются и какова их связь с нами, можно привести следующую иллюстрацию. Предположим, механик собирает машину, а тем временем за ним наблюдает собака. Она видит человека за работой, как он использует различные инструменты, чтобы придать определенную форму материалам, и как из грубого железа, стали, латуни и прочих металлов машина медленно принимает очертания. Собака - это существо низшей эволюции и не осознает цели механика, но она видит рабочего, его работу и результат, который проявляется в машине.

Теперь предположим, что собака, которая могла видеть материалы, медленно меняющие свои очертания, собирающиеся вместе и становящиеся машиной, не могла видеть рабочего и работу, которую он выполнял. Собака находилась бы по отношению к механику в том же положении, в каком находимся и мы по отношению к великим Мыслящим Существам, которые мы называем законами природы, и к их помощникам, природным духам, потому что замечаем проявления их работы как силу, двигающую материю различными способами, но всегда при неизменных условиях.

В эфире мы также можем наблюдать Ангелов, чье наиплотнейшее тело состоит из этого материала, как наше тело образовано из газов, жидкостей и твердых тел. Эти Существа находятся на шаг впереди человеческой стадии, так же как мы на ступень опережаем животную эволюцию. Однако мы никогда не были животными, подобным животным нашей фауны, но на предыдущей стадии развития планеты у нас была животноподобная конституция. Ангелы были людьми, хотя они никогда не обладали таким плотным телом, как у нас, и никогда не функционировали в материале более плотном, чем эфир. Когда-нибудь в будущем земля вновь станет эфирной. Тогда человек будет подобен Ангелам. Поэтому Библия говорит нам, что человек не много унижен пред Ангелами (Евр, 2:7).

Поскольку эфир является ареной действия жизненных созидающих сил и Ангелы являются опытными строителями эфира, легко понять, что они наиболее пригодны для обеспечения сил воспроизведения в растении, животном и человеке. Их, занятых сим делом, мы встречаем во всей Библии: два Ангела пришли к Аврааму и провозгласили рождение Исаака, они обещали сына человеку, который послушен Богу. Позже те же Ангелы разрушили Содом из-за злоупотребления созидающей силой. Ангелы предсказали рождение Самуила и Самсона родителям этих гигантов мозга и мускулов. К Елизавете пришел Ангел (не Архангел) Гавриил и провозгласил рождение Иоанна; позже он явился и Марии с посланием, что она избрана родить Иисуса.

Реферат

по предмету «Основы общей химии»

Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы

Введение

1. Особенности атмосферы Земли

2. Основные понятия

3. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере

4. Фотохимические реакции с участием метана

5. Фотохимические процессы оксидов азота

Заключение

Список литературы

Введение

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологические процессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода (II), образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.

Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

1. Особенности атмосферы Земли

В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2 S. Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичное вещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глаз и токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.

Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении кванта видимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергией химических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение – либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.

2. Основные понятия

Атмосфера – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

Верхние слои атмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу, термосферу и ионосферу.

Мезосфера – слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном.

В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.

Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.

Ионосфера – верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.

Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаются фотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействием светового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в 1-й трети XX в. Первые фотохимические закономерности были установлены в XIX в. Основным закон фотохимии стал закон квантовой эквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера (1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой.

Важнейшим параметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, который определяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённых квантов:

γ = число фотохимических превращений/число поглощённых квантов

В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.

Типы фотохимических реакций:

1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетона CH3(CO)CH3 → CO + другие продукты.

2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:

Фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация: O2 -O+O; фотосинтез: O2 +O-O3

Фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:

6CO2 + 6H2 O - C6 H12 O6 + 6O2 ,

который идет только под действием световой энергии и в присутствии хлорофилла.

3. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере

Наиболее типичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциация молекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённые молекулы

O2 *: O2 + hν - O2* ,

диссоциируют на атомы: O2* - O + O. Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2 - O3. Образование озона проходит по обратимой реакции: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3 .

Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0о С) самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.

Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечной радиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слоя озона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя - озоносферы - на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновый слой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.

4. Фотохимические реакции с участием метана

Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.

Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.

Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:

ОН + СН4 = Н2 О + СН3

Радикал ОН - одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Под действием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):

О3 + hν = О2 + О*

Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:

О* + Н2 О = 2ОН

Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:

ОН + СН4 = Н2 О + СН3 ,

CH3 + O2 = CH3 O2 ,

CH3 O2 + NO = CH3 O + NO2 ,

CH3 O + O2 = CH2 O + HO2 ,

НО2 + NO = OH + NО2 ,

CH4 + 4O2 = CH2 O + H2 O + 2O3

Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:

CH2 O + hν = H2 + CO,

СН2 O + hν = Н + НСO,

CH2 O + OH = HCO + H2 O

Вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидов азота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:

CH2 O + OH = HCO + H2 O,

CH2 O + 2O2 + hν = CO + O3 + H2 O

Таким образом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшого количества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.

5. Фотохимические процессы оксидов азота

NO и NO2 всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Земле является результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результат сгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.

Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:

O + NO2 - NO + O2

NO + O3 - NO2 + O2

Исследования последних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота в атмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2 O в атмосфере около 180 лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют пути естественного стока N2 O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:

N2 O + O - N2 + O2 ,

Итак, оксид азота - важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество является и мощным внутренним биорегулятором.

Заключение

Таким образом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержании постоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами в нижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфере они составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, является основой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живых организмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода под действием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектр достигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекая коротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живые организмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя с кислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон. В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. При высокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие на центральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного света диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращает кислород О2 опять же в озон О3 .

Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1 10–5 % (по объему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальная концентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его роль сложно переоценить.

Список литературы

1) Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.

2) Бажин Н.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.

3) Прокофьева И.. Атмосферный озон, М.-Л., 1951

4) Зеленин К.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10.

5) Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.

6) Уэйн Р. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991