Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением и выделением энергии, например в виде теплопередачи, изменением агрегатного состояния реагентов, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.
Катализатор — вещества или внешние воздействия (например ультразвук или ионизирующие излучения), которые ускоряют различные химические и физические процессы (например полимеризация) в заданном направлении.
Основная функция катализатора — образовывать с исходными веществами более реакционно-способные промежуточные соединения и комплексы, позволяющие снизить энергию активации или способствующие образованию определённых изомеров с заданной структурой.
Каталитическими свойствами обладают многие вещества, сплавы, газы и т.д., но лишь немногие из них находят практическое использование. Пример наиболее широко употребляемых катализаторов: платина, родий, палладий, медь, никель, олово, рений, оксиды ванадия, меди, серебра, железа, хрома и др., двуокись азота и др. газы, гамма-излучение, нейтроны, протоны. Катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность и зачастую распределяются на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).
Ионизирующие излучения используются в процессах окисления, восстановления, полимеризации, и предпочтительны для химических и физических реакций протекающих по цепному механизму, их особенность как катализаторов это — полное отсутствие загрязнения готового продукта и исключительная дешевизна их применения.
В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.
Отравлением катализатора называется реакция, приводящая катализатор в негодность.
28. Химические элементы. Валентность элементов. Химические соединения. Ионная, ковалентная и водородная связи.
Дмитрий Иванович Менделеев любил рассказывать, что идея периодической системы пришла ему во сне.
В своей таблице (сегодня мы ее называем периодической таблицей, или системой, элементов) Менделеев расположил химические элементы по рядам в порядке возрастания их массы, подобрав длину рядов таким образом, чтобы химические элементы в одной колонке имели похожие химические свойства. Так, например, правая крайняя колонка таблицы содержит гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Это благородные газы— вещества, которые неохотно реагируют с другими элементами и проявляют низкую химическую активность. В противоположность этому, элементы самой левой колонки — литий, натрий, калий и др. — реагируют с другими веществами бурно, процесс носит взрывной характер. Аналогичные утверждения можно сделать и о химических свойствах элементов в других колонках таблицы — внутри колонки эти свойства подобны, но варьируются при переходе от одной колонки к другой.
Валентность (от лат.valens — имеющий силу) — способность атомовэлементов образовывать химические связи с атомами других элементов. В свете строения атома валентность это способность атомов отдавать или присоединять определенное число электронов.
Ионная связь.
Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По закону Кулона между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе.
Ковалентная связь.
Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами квантовой механики, такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.
29. Космологические модели Вселенной.
В классической науке господствовала теория стационарной Вселенной: она всегда была почти такой же, как сейчас. Современные космологические модели Вселенной базируются на общей теории относительности Эйнштейна, в соответствии с которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной, свойства которой обусловлены прежде всего средней плотностью материи.
Современная космология строит модели Вселенной исходя из уравнения тяготения из общей теории относительности А. Эйнштейна. Оно имеет много решений. Первую модель разработал сам А. Эйнштейн в 1917 г. Эта модель имеет стационарный характер: Вселенная стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. В 1922 г. российский математик и геофизик А.А. Фридман дал свое решение уравнения общей теории относительности А. Эйнштейна, имеющее три варианта. В случае, когда средняя плотность вещества и излучения равна критической величине, то мировое пространство является евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если же средняя плотность меньше критической, то пространство обладает геометрией Н.И. Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, в-третьих, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение Вселенной на определенном этапе сменяется сжатием и продолжается вплоть до точечного, сингулярного состояния.
Как показывают объективные данные, плотность Вселенной меньше критической, т.е. более вероятна модель второго типа с временем Н.И. Лобачевского и бесконечным расширением. Расширение Вселенной считается установленным фактом в результате обнаружения эффекта К. Доплера, красного смещения — смещения линий в спектре источника излучения в сторону красной части спектра по сравнению с линиями эталонных спектров. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником увеличивается (эффект К. Доплера).
В 1929 г. Э.П. Хаббл обнаружил, что все галактики движутся от нас со скоростью, возрастающей пропорционально расстоянию, что также убедительно свидетельствует о расширении Вселенной.
30. Теория «Большого взрыва».
Э. Хаббл установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до неё. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времён Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, и которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Указать местоположение этой точки невозможно, т.к. это противоречило бы основному принципу космологии. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривлённого пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40 000 км, должны вернуться в исходную точку.
Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.
Спустя миллиард лет после «большого взрыва» началось образование галактик. К этому моменту вещество уже успело охладиться и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создаётся локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Хотя в общих чертах ясно, что тогда происходило, но механизм образования галактик всё же понятен не до конца и противоречит аккуратным подсчётам наблюдаемых масс галактик и их скоплений.
31. Звезды и их эволюция.
Звезды находятся в плазменном состоянии. Они разогреты до миллионов градусов. Внутри звезд происходит термоядерная реакция. Звезды-это фабрики элементов. В звездах действует гравитация и термоядерная реакции. Пока эти процессы уравновешены-звезда живет. Звезды содержат 99% всей вселенной, их количество – 10в 22 степени. Температура звезд достигает миллиарда градусов. Яркость некоторых звезд достигает миллиона солнц. Плотность некоторых звезд достигает 100 млн. тонн на см3. Ближайшая после солнца звезда - Альфа-центавра, до нее 3 световых года. Звезды образуются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар — протозвезда. Преобразование протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по космическим меркам. Молодые звезды (около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры порядка 10-15 млн. градусов Цельсия и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная энергия является источником собственного свечения звезд. В результате преобразования водорода в гелий в центральной зоне образуется гелиевое ядро. Кроме этого в процессе ядерных реакций возникают и другие химические элементы. На той стадии, когда ядерные реакции уже не могут поддерживать устойчивость звезды, ее гелиевое ядро начинает сжиматься. При этом внутренняя температура звезды увеличивается, а периферийная зона, или внешняя оболочка, сначала расширяется, а затем выбрасывается в космическое пространство. Звезда превращается в красный гигант. В процессе дальнейшего охлаждения, если звезда имела небольшую массу, она превращается в белого карлика — стационарный космический объект с очень высокой плотностью. Белые карлики представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд, в которых весь водород «выгорает», а ядерные реакции прекращаются. Свечение белого карлика происходит за счет его остывания. Тепловая энергия белого карлика продолжает иссякать, вследствие чего звезда меняет свой цвет сначала на желтый, а затем на красный. Постепенно она превращается в небольшое холодное темное тело, становится черным карликом. Если какие-то причины останавливают гравитационное сжатие, то происходит взрыв старой звезды, который сопровождается выбросом огромного количества вещества и энергии. Такой взрыв называют вспышкой сверхновой. Часть массы взорвавшейся сверхновой может продолжить существование в виде черной дыры. Черная дыра — область пространства, в которой сосредоточены огромные массы вещества, вызывающие сильное поле тяготения. Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде нейтронной звезды, или пульсара.