Читать онлайн «Концепции современного естествознания. Шпаргалки». Страница 15

Молекулярные взаимодействия изучает химия. Молекулярные взаимодействия могут происходить в процессе соединения и превращения веществ или при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи, то есть новые конфигурации атомов, отличающиеся от исходных типов молекул. Существует два основных типа связей: ионная и ковалентная, включающая свою разновидность – водородную связь.

Ионная связь выражается в передаче одним атомом другому одного или нескольких электронов, из-за чего образуются отрицательно и положительно заряженные ионы, которые притягиваются друг к другу. Ковалентная связь возникает при создании пары общих электронов, по одному от каждого атома, которые притягиваются атомами с одинаковой силой (связь между одинаковыми атомами), с разной силой (полярная связь, электрически несимметричная связь). Разновидность ковалентной связи – водородная связь, соединяющая между собой три атома (два атома одного элемента и водород), она является наиболее характерной для живой материи.

Химические связи принято рассматривать с точки зрения затраченной энергии: если она меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то связь считается устойчивой; если больше – молекула распадается. Энергия, необходимая для связи частиц, называется энергией ассоциации , а необходимая для разложения молекулы – энергией диссоциации . Способность молекул присоединять атомы делает состав данного вещества постоянным и связана с валентностью – свойством атомов соединяться с другими атомами. Валентность равна числу атомов водорода, которые может присоединить элемент.

Химические реакции могут идти в обе стороны – тогда их называют обратимыми , в одну – тогда они называются необратимыми , а некоторые вещества никак не реагируют между собой. Возможность или невозможность осуществления реакции объясняет термодинамика: реакция возможна только при уменьшении энергии веществ: F = E – TS и увеличении энтропии. Квантовая химия изучает протекание реакций на микроуровне, выявляя не только сами молекулы, но и особенности их электронных структур. До начала XX в. считалось, что в химических реакциях участвуют только атомы и молекулы, но в 1900 г. были открыты так называемые свободные радикалы, которые являются отделившейся половиной молекулы с ионным зарядом и способны тоже вступать в реакции. Следовательно, химические реакции определяются реакционной способностью, энергетическими и энтропийными возможностями, каталитическими и кинетическими закономерностями.

Объяснение направленности химических реакций и невозможности превращения молекул при некоторых реакциях нашел Ле-Шателье. Он обратил внимание, что наряду с прямыми и обратными реакциями существует множество реакций, которые не доводятся до конца. Как только в данной системе при данных условиях устанавливается динамическое равновесие, реакция прекращается. Ле-Шателье предложил способ выведения системы из равновесия по следующему установленному им принципу (получившему название принципа Ле-Шателье): «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот; если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие».

В современной формулировке принцип Ле-Шателье звучит так: любое внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия. Сегодня этот принцип считается общим принципом стабильности, устанавливающим взаимосвязи между всеми элементами Вселенной, включая живые и социальные системы.

В макромире вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Для каждого агрегатного состояния присуще характерное тепловое движение атомов и молекул.

Газообразное состояние характеризуется тем, что расстояние между атомами и молекулами значительно больше размеров самих молекул, поэтому силы притяжения и отталкивания в газах практически отсутствуют, что и вызывает их особенности: газы легко сжимаются (отсутствие или крайняя слабость сил отталкивания), могут неограниченно расширяться, занимая весь предоставленный им объем (отсутствие или крайняя слабость сил притяжения).

В термодинамике существует понятие идеального газа , то есть газа, для которого не нужно учитывать силы взаимодействия между частицами или собственный объем частиц; реальные газы этими качествами не обладают.

Твердое состояние вещества характеризуется тем, что молекулы и атомы совершают беспорядочные колебания относительно положений равновесия, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешиваются, то есть они не способны произвольно «уйти» со своего места. По типу твердые тела принято делить на аморфные и кристаллические. Атомы и молекулы в аморфных телах расположены беспорядочно, поэтому их физические свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) одинаковы во всех направлениях, в чем и заключается их изотропность. Атомы и молекулы в кристаллических телах расположены в определенном порядке, образуют так называемую кристаллическую решетку, поэтому физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, в чем и заключается их анизотропность .

Жидкое состояние вещества характеризуется тем, что молекулы жидкости некоторое время (время оседлой жизни) колеблются около положений равновесия, затем занимают новые положения равновесия и колеблются относительно них, что является причиной текучести жидкости и ее способности принимать форму сосуда, в который она помещена. Жидкости по степени подвижности молекул находятся в промежутке между твердыми телами и газами. Их молекулы достаточно подвижны, чтобы тело не могло принять определенную форму, но недостаточно подвижны, чтобы рассеяться в пространстве.

Понятие фазовых переходов базируется на основных положениях молекулярно-кинетической концепции:

• Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, интенсивность которого зависит от температуры (температура является показателем хаотичности системы).

• Между частицами существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания, природой которых является электромагнетизм.

• В отличие от механического движения нагревание и охлаждение систем может привести к изменению их физических свойств.

Изменение физических свойств вещества (газ, жидкость, твердое тело) и переход его из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазой называется часть системы, имеющая границу и сохраняющаяся внутри основного физического свойства системы (давление, температура, объем).

Существование фазовых переходов давно и хорошо известно. Как агрегатное состояние вещества, так и фазовые переходы определяются внешними условиями: температурой и давлением. Условиями существования газообразного агрегатного состояния являются высокая температура и низкое давление, условиями существования агрегатного состояния твердого тела являются низкая температура и высокое давление, промежуточные условия соответствуют агрегатному состоянию жидких тел.

Если Eкин движ>>Епотенц взаимод, это газообразное состояние вещества.

Если Eкин движ<<Епотенц взаимод, это твердое состояние вещества.

Фазовые переходы бывают двух типов. К фа зовым переходам первого (I) рода относят такие, когда в узком интервале температур скачком изменяется давление, плотность или объем. К фазовым переходам второго (II) рода относят изменение порядка расположения атомов и молекул в кристаллических решетках с резким изменением плотности вещества. К агрегатным состояниям относится также плазма . Состояние плазмы принимает ионизированный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит никакого взаимодействия молекул. В зависимости от степени ионизации газа различают: 1) слабо ионизированную (низкотемпературную) плазму; 2) умеренно ионизированную плазму; 3) сильно ионизированную (высокотемпературную) плазму. Плазма является наиболее распространенным состоянием вещества в мегамире.