Сделать стартовой  |  Добавить в избранное  |  RSS 2.0  |  Информация авторамВерсия для смартфонов
           Telegram канал ОКО ПЛАНЕТЫ                Регистрация  |  Технические вопросы  |  Помощь  |  Статистика  |  Обратная связь
ОКО ПЛАНЕТЫ
Поиск по сайту:
Авиабилеты и отели
Регистрация на сайте
Авторизация

 
 
 
 
  Напомнить пароль?



Телеграм канал Z-Операция Клеточные концентраты растений от производителя по лучшей цене


Навигация

Реклама

Важные темы


Анализ системной информации

» » » Превращение вещества

Превращение вещества


17-02-2009, 04:45 | Инфо-справка / Наука | разместил: Редакция ОКО ПЛАНЕТЫ | комментариев: (0) | просмотров: (8 171)

Превращение вещества



Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся, например, растворение в воде, фильтрование и выпаривание растворов, дистилляция, электролиз, ко вторым - смешивание растворов, нагревание веществ, проведение реакций с использованием пламени, взрывов. Например, воду можно получить при взрыве смеси кислорода и водорода, двуокись углерода - при сжигании угля, а серную кислоту - в результате сгорания серы на воздухе с последующим смешиванием образующей при этом трехокиси серы с водяным паром. Применяя электролиз, то есть пропуская электрический ток через раствор, можно расщепить на элементы поваренную соль. При этом на одном электроде образуются пузырьки зеленоватого, ядовитого, удушливого газа, на другом - выделяется серебристо-серый металл. Это - соответственно хлор и натрий. Именно из них и состоит поваренная соль.

Провести четкую границу между физическими и химическими методами невозможно: например, нагревание минерала похоже на физический процесс, но оно же может привести и к химическим изменениям.



Превращения веществ, которые сопровождаются изменением их состава и строения, изучаются химией. К числу ее основных задач относятся задачи синтеза и анализа.

Химический синтез представляет собой целенаправленное получение сложных веществ из более простых. Он основывается на знании их молекулярного строения и реакционной способности последних. Посредством синтеза создаются многие вещества.



Химический анализ представляет собой обратную задачу и связан с разложением сложных веществ на более простые. Как правило, анализ проводится с целью определения химического состава исходного вещества. При анализе происходит разложение исходного вещества на химические элементы.

Например, проводя разложение электролизом поваренной соли с целью ее анализа неоднократно и с разными количествами, можно установить, что при этом всегда натрий и хлор выделяются в одинаковой пропорции - 46:71. Следовательно, и в составе молекулы поваренной соли эти элементы находятся в такой же пропорции. Так как массы атомов* натрия и хлора находятся также в соотношении 46:71, то, следовательно, каждая молекула поваренной соли состоит из одного атома натрия и одного атома хлора.



Смешивание элементов приводит к таким образованиям, как соединения и смеси. Если насыпать кучку из песка, соли, железной пыли, древесных опилок и хорошо их перемешать, то в какой бы пропорции они ни были взяты, всегда можно снова разделить их (например, с помощью ковша, воды и магнита). В данном случае мы имеем дело со смесью. Если песок состоит из камешков, то это - грубая смесь, если песок и другие частицы очень малы, то смесь называется тонкой.

Можно приготовить еще более тонкие смеси различных веществ, например, растворяя поваренную соль в воде, сливая вместе воду и спирт или сплавляя цинк и медь для получения латуни. Это - молекулярные смеси. В отличие от грубых и даже тонких смесей их нельзя рассортировать вручную. Кстати говоря, воздух тоже представляет собой смесь. Это - смесь азота, кислорода, углекислого газа, гелия и некоторых благородных газов.



Пропорции, в которых составляются смеси, могут быть разными, но смеси всегда возможно разделить. Например, можно выпарить воду из раствора соли, провести дистилляцию спирта, выделить электролизом медь, охладить газы до жидкого состояния и дать им поочередно выкипеть. Но что касается составных частей смесей (например, поваренной соли, спирта, воды, меди), то все они обнаруживают постоянные физические свойства (плотность, температуру плавления, кристалличность и т.п). Ни одна из них не проявляет никаких признаков смесей: части, из которых они состоят, входят в них в постоянных пропорциях. Такие вещества называются соединениями.

Соединения в любом количестве, вплоть до последней молекулы, однородны по составу. В них атомы одного или нескольких элементов соединены между собой тем или иным видом химической связи. В преобладающем большинстве случаев химические соединения подчинены законам постоянства состава и кратных отношений. В настоящее время известно свыше трех миллионов химических соединений.



Определение химического соединения фактически совпадает с определением молекулы - мельчайшей частицы вещества, которая обладает всеми его характерными свойствами. Молекула представляет собой всегда одинаковую для одного и того же химического соединения группу атомов, удерживаемых вместе электрическими силами. Примерами химических соединений являются вода (H2O), серная кислота (H2SO4), поваренная соль (NaCl).

Если попытаться разложить, например, поваренную соль на более простые вещества, то такие методы, как нагревание или охлаждение, не дадут существенных результатов. Только электролиз расплавленной соли превращает ее в газообразный хлор и натрий. Электролиз же превращает в газ воду. Понятно, что этот газ состоит из кислорода и водорода.



Полученные при таких разложениях вещества расщепить на еще более простые вещества (нагревом до очень высоких температур, повторным электролизом, воздействием агрессивными веществами и т.п.), оказывается невозможно. Именно поэтому их называют химическими элементами. Железо, медь, углерод, ртуть, алюминий, йод - это все элементы. Но, например, латунь и воздух представляют собой смеси, а вода и поваренная соль относятся к соединениям. При синтезе, разложении и превращении веществ сами элементы никогда не меняются. Они остаются неизменными первичными кирпичиками во всех химических процессах: образование какого-либо вещества из других веществ посредством химических превращений возможно только в том случае, если в этих других веществах присутствуют все необходимые элементы!

Признанию многих веществ элементами, как правило, предшествовали многочисленные попытки расщепить их на более простые составляющие. Но такие вещества, как золото, серебро, свинец, считались элементами даже еще у алхимиков. Значительно позже было установлено, что азот и кислород, содержащиеся в воздухе, не поддаются дальнейшему разложению при действии на них другими и, следовательно, также являются элементами. Но оказалось, что углекислый газ можно разложить на газообразный кислород и черную сажу (или даже алмаз), и что он легко синтезируется из них же (при сгорании углерода). Долгое время считалась элементом вода. Впервые на кислород и водород ее расщепил Г.Кавендиш. В настоящее время вопрос об отнесении вещества к числу химических элементом решается по результатам измерения частот его спектральных линий.

Превращения одних веществ в другие, отличные по химическому составу и строению, называются химическими реакциями. Последние характеризуются соотношением участвующих в них веществ, степенью превращения, константами скорости и равновесия, энергией активации, тепловым эффектом. В процессе химических реакций происходит обмен электронами между атомами, что и приводит, в конце концов, к превращению одних веществ в другие.

Химические реакции классифицируют по числу молекул, участвующих в элементарном акте (моно- или бимолекулярные реакции), кинетическому механизму (последовательные, параллельные, сопряженные), характеру химического процесса (разложение, окисление, полимеризация), типам частиц, участвующих в превращении (ионные, радикальные, молекулярные), фазовому состоянию реагирующей системы (газо-, жидко- и твердофазные), области протекания реакции (гомогенные - в объеме фазы, гетерогенные - на поверхности раздела фаз).



В качестве примера химических реакций рассмотрим превращения, происходящие с углекислым газом. Это - тяжелый бесцветный газ. Он образуется, в частности, при сжигании угля или при окислении и расщеплении питательных веществ в живом организме. В процессе горения атомы углерода присоединяют к себе по две молекулы кислорода, образуя молекулы CO2. В обычных условиях углекислый газ не отдает свой кислород для поддержания горения других веществ: атомы кислорода связаны в нем очень прочно. Именно поэтому углекислотой можно погасить не только легкое пламя, но даже большой пожар. Углекислый газ слегка ядовит: для живого организма он вреден тем, что препятствует нормальному газообмену в легких. Он растворяется в воде, придавая ей кисловатый привкус (достаточно вспомнить газированную воду). При растворении его в воде получается непрочное химическое соединение, известное под названием угольной кислоты или (гидрокарбоната).

Если добавить в раствор угольной кислоты поваренную соль (хлористый натрий), то образуется сложная смесь. В подобных растворах вещества расщепляются электролизом на электрически заряженные атомы или группы атомов, называемые ионами. В полученной смеси присутствуют положительные ионы натрия, отрицательные ионы хлора, положительные ионы водорода и отрицательные ионы радикала CO3. Нельзя сказать, что там есть хлористый натрий и угольная кислота или соляная кислота и карбонат натрия, или даже смесь всех четырех веществ: каждая из комбинаций то объединяется, то расщепляется снова, так что все молекулы находятся в неустойчивом состоянии. Для того, чтобы расстроить установившееся равновесие необходимо удалить из раствора какое-либо вещество. Однако сделать это нелегко поскольку все они растворены в воде.



Предположим, что имеется смесь растворов карбоната натрия (соды) и хлористого кальция. Эта смесь также содержит совокупность ионов:* натрия, кальция, хлора и карбоната. Но в этом случае ни одна из полученных комбинаций в воде не растворима. Поэтому случайные столкновения между ионами приводят к образованию молекул карбоната кальция. Они же в воде не растворяются, а выпадают из раствора в виде мельчайших белых крупинок мела. Такой процесс происходит необратимо до тех пор, пока в растворе не останется углекислого кальция. Полученный при этом осадок, будучи отфильтрованным и просушенным, представляет собой чистый мел.

Но, взяв мел в качестве исходного сырья, можно разложить его на углекислый газ и известь (окись кальция). Для этого необходимо воспользоваться прокаливанием, и тогда каждые 100 г мела дадут 56 г извести и 44 г углекислого газа. Именно так получают на практике известь, которая широко используется в сельском хозяйстве и химической промышленности.



Известь при соединении с углекислым газом опять образуют мел. Однако эту реакцию трудно провести с кусками твердой извести, так как доступ к ней углекислого газа затруднен. Лучше растворить известь в воде и через раствор пропускать углекислый газ. При этом будут хорошо видны белые облачка осаждающегося мела.

При проектировании и исследовании химических реакций используют уравнения, показывающие, как атомы элементов соединяются или замещают друг друга. Например, химическое превращение, происходящее при сжигании угля выражается уравнением



C + O2 = CO2.

Оно говорит о том, что при соединении одного атома углерода С с молекулой кислорода O2, содержащей два атома, образуется одна молекула углекислого газа CO2.



Превращение углекислого газа в угольную кислоту выражается уравнением



CO2 + H2O = H2CO3,

которое означает, что при растворении углекислого газа в воде одна молекула газа CO2 соединяется с одной молекулой воды H2O и образует при этом одну молекулу угольной кислоты H2CO3.

Как было отмечено выше, угольная кислота представляет собой непрочное химическое соединение: она расщепляется на ионы водорода H+ и отрицательные радикалы CO3--. Эта реакция выражается уравнением

H2CO3 ---- > 2H+ + CO3--.

Реакция, происходящая при смешивании растворов углекислого натрия Na2CO3 и хлористого кальция CaCl2 описывается уравнением

Na2CO3 + CaCl2 ---- > CaCO3 + 2NaCl,

которое говорит о том, что при таком смешивании в осадок выпадает мел CaCO3.

Если мел CaCO3 прокалить, то он превращается в известь CaO и углекислый газ CO2. Это выражается уравнением

CaCO3 < --- > CaO + CO2.

Здесь стрелки, направленные в обе стороны, показывают что реакция может идти в любом направлении в зависимости от температуры.

Растворяясь в воде, известь образует раствор гидроокиси кальция:

CaO + H2O ---- > Ca(OH)2.

Полученная известковая вода реагирует с продуваемым через нее углекислым газом следующим образом:

Ca(OH)2 + CO2 ---- > CaCO3 + H2O,

в результате чего в осадок выпадает опять-таки мел CaCO3.

Главным объектом химии являются вещества и их превращения. К числу основополагающих обобщений химии относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодическая система, теория химического строения.



Создателем атомно-молекулярной теории и первооткрывателем закона сохранения массы веществ является М.В.Ломоносов.* Он четко различал две ступени в строении вещества: элементы и корпускулы (в нашем понимании - атомы и молекулы). Согласно Ломоносову молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX в. после утверждения в химии атомистики Дж.Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.

Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия. Даже в твердом состоянии в узлах кристаллической решетки органических веществ находятся молекулы, т.е. они имеют молекулярную структуру. Однако для неорганических соединений молекулярная форма существования вещества характерна лишь для газо- и парообразного состояния. Подавляющее большинство твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры, существует в виде макротел (например, куска меди, кристалла поваренной соли, друзы кварца). Твердые тела молекулярной структуры среди неорганических веществ (например, кристаллический йод, твердый диоксид углерода) скорее являются исключениями.



Таким образом, современная химия - это не только химия микрочастиц (атомов*, молекул , ионов* , радикалов и т.п.), но и химия макротел. Органические макротела характеризуются молекулярной структурой, чего не имеет большинство неорганических макротел. Последние состоят из атомов или одного и того же химического элемента (простое вещество), или разных элементов (химическое соединение). Признание немолекулярной формы существования твердого вещества приводит к необходимости пересмотра некоторых положений химической атомистики, модернизации основных законов и понятий, справедливых, в частности, для газа.

Несмотря на то что еще в 1760 г. М.В.Ломоносов* сформулировал, по существу, единый закон сохранения массы и энергии, до начала XX в. закон сохранения массы и закон сохранения энергии обычно рассматривались независимо друг от друга. Химия имела дело в основном с первым законом, а физика - со вторым. В 1905 г. основоположник современной физики А.Эйнштейн* показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, количественно выражаемая уравнением

E = mc2,

где E - энергия; m - масса; c - скорость света в вакууме.

Вследствие исключительно большой величины квадрата скорости света очень малые изменения массы ведут к колоссальному изменению энергии. Так, из последней формулы следует, что 1 кДж соответствует изменению массы 2*10-13 кг. Если считать тепловые эффекты составляют порядка сотен килоджоулей, то соответствующие изменения массы имеют порядок 10-11 - 10-12 кг. Это изменение массы лежит за пределами чувствительности современных весов. Поэтому изменением массы вследствие энергетических эффектов обычно пренебрегают. Но ядерная химия и энергетика имеют дело с явлениями, в которых энергия измеряется миллионами и миллиардами килоджоулей. Здесь изменением массы в связи с изменением энергии пренебрегать нельзя.



Из закона взаимосвязи массы и энергии нельзя заключать, что масса превращается в энергию. Масса и энергия неотделимы от материи, но они не эквивалентны между собой и не превращаются друг в друга: масса является одним из свойств материи, мерой ее инерции, энергия же мера ее движения.

Неорганическая химия изучает свойства элементов, выявляет общие закономерности химического взаимодействия между ними. Самой важной из этих закономерностей является Периодический закон и его табличное выражение - Периодическая система. Физический смысл Периодического закона вскрыл учение о строении атома. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений связана с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов, химические и некоторые физические свойства элементов зависят от структуры электронных оболочек и особенно их наружных слоев.



Периодическая система является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений. Она играет огромную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии. В настоящее время синтез заурановых и заплутониевых элементов немыслим без Периодической системы. Полностью на ней построены гео- и космохимия.

Периодический закон и Периодическая система продолжают развиваться и уточняться. В частности, в настоящее время Периодический закон формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.



Таким образом, положительный заряд ядра оказался более точным, чем атомная масса, интегральным показателем свойств химических элементов и их соединений.

Важнейшим за последние годы событием в развитии Периодической системы явилось упразднение в ней нулевой группы. Она была введена Д.И.Менделеевым для объединения элементов, которые назывались в то время инертными газами. Открытие валентно-химических соединений ксенона и его аналогов, изучение их химических свойств показало, что благородные газы являются элементами главной подгруппы VIII группы Периодической системы.



Один из основоположников геохимии акад. А.Е.Ферсман писал: "Будут появляться и умирать новые теории, блестящие обобщения... Величайшие открытия и эксперименты будут сводить на нет прошлое и открывать на сегодня невероятные по новизне и широте горизонты, - все это будет приходить и уходить, но Периодический закон Менделеева будет всегда жить и руководить исканиями".

Фундаментальной задачей химии является изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Последние, как теперь известно, зависят прежде всего от его химического строения. Сравнительно недавно считалось, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Выдающийся русский ученый А.М.Бутлеров* установил, что "химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением". Это положение является фундаментальным законом химии. И в современной формулировке утверждает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы.



Таким образом, первоначально теория химического строения относилась только к соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее же время она рассматривается как общехимическая теория. Согласно ей химическое строение - это не только порядок элементной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направления и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п. Оказывается, что химическое строение вещества определяется в первую очередь характером химической связи между атомами. Поэтому основу современной теории химического строения составляет учение о химических связях.

Применение к проблемам структуры вещества квантовой механики подняло теорию химического строения на новую ступень. Но А.М.Бутлеров это предвидел, утверждая: "Само собой разумеется, что, когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, - когда законы механики получат и здесь приложение, - тогда учение о химическом строении падет, ... чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений". Это означает, что автор теории химического строения предвидел приложение механики атомного мира (т.е. квантовой механики) к его теории. Таким образом, теория А.М.Бутлерова не пала, а превратилась в фундамент современной химии.



В 1951 году заведующий одной из лабораторий Института биофизики Б.П.Белоусов* пытался опубликовать статью под названием "Периодически действующая реакция и ее механизм". В ней описывалась реакция окисления лимонной кислоты с использованием экспериментально найденного катализатора. Автор обнаружил, что "в реакционной смеси возникает ряд скрытых, упорядоченных в определенной последовательности окислительно-восстановительных процессов, один из которых периодически выявляется отчетливым временным изменением цвета всей взятой реакционной смеси. Такое чередующееся изменение окраски от бесцветной до желтой наблюдается неопределенно долго (час и больше), если составные части реакционного раствора взяты в определенных количествах и в соответствующем разведении."

До этого считалось, что химические реакции протекают необратимо, что никаких колебательных процессов в однородных растворах (а именно их исследовал Б.П.Белоусов* ) быть не может.



К моменту, когда первый вариант статьи был возвращен из редакции с отказом в публикации, ее автор научился проводить открытые им реакции более наглядно. Он стал "подкрашивать" раствор специальными индикаторами. При этом наблюдалось приблизительно следующее. В колбу с бесцветной жидкостью опускалась щепотка определенного вещества, и жидкость окрашивалась в синий цвет. Затем цвет жидкости вдруг становился красным, а. через несколько минут красный цвет сменялся синим. В дальнейшем цвет раствора менялся с синего на красный и наоборот периодически и неоднократно.

Почти одновременно с работами Б.П.Белоусова* англичанин математик А.Тьюринг построил математическую модель химической реакции, при которой в растворе должны образовываться устойчивые составляющие промежуточных продуктов. Стало ясно, что Белоусов экспериментально изучал явление, встречающееся в природе, но пока что неисследованное.

В 1959 г. специалистам стал ясно, что Б.П.Белоусовым* сделано открытие величайшей важности и жаль, что первая информация о нем была опубликована в 1958 году всего лишь в "Сборнике рефератов по радиационной медицине". А ведь это было знаменательнейшее открытие экспериментальной химии середины XX столетия. Автор этого открытия не мог даже догадываться, что его работы станут толчком к развитию принципиально новой области науки - синергетики. так как в дальнейшем в исследование периодически действующих реакций огромный вклад внес наш соотечественник - биофизик А.М.Жаботинский, - то в настоящее время их часто называют реакциями Белоусова-Жаботинского.

de.ifmo.ru


Рейтинг публикации:

Нравится0



Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в:


 

 
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Чтобы писать комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.





» Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации. Зарегистрируйтесь на портале чтобы оставлять комментарии
 


Новости по дням
«    Январь 2023    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031 

Погода
Яндекс.Погода


Реклама

Опрос
Ваше мнение: Покуда территориально нужно денацифицировать Украину?




Реклама

Облако тегов
Акция: Пропаганда России, Америка настоящая, Арктика и Антарктика, Блокчейн и криптовалюты, Воспитание, Высшие ценности страны, Геополитика, Импортозамещение, ИнфоФронт, Кипр и кризис Европы, Кризис Белоруссии, Кризис Британии Brexit, Кризис Европы, Кризис США, Кризис Турции, Кризис Украины, Любимая Россия, НАТО, Навальный, Новости Украины, Оружие России, Остров Крым, Правильные ленты, Россия, Сделано в России, Ситуация в Сирии, Ситуация вокруг Ирана, Скажем НЕТ Ура-пЭтриотам, Скажем НЕТ хомячей рЭволюции, Служение России, Солнце, Трагедия Фукусимы Япония, Хроника эпидемии, видео, коронавирус, новости, политика, спецоперация, сша, украина

Показать все теги
Реклама

Популярные
статьи



Реклама одной строкой

    Главная страница  |  Регистрация  |  Сотрудничество  |  Статистика  |  Обратная связь  |  Реклама  |  Помощь порталу
    ©2003-2020 ОКО ПЛАНЕТЫ

    Материалы предназначены только для ознакомления и обсуждения. Все права на публикации принадлежат их авторам и первоисточникам.
    Администрация сайта может не разделять мнения авторов и не несет ответственность за авторские материалы и перепечатку с других сайтов. Ресурс может содержать материалы 16+


    Map