7528

51

Все кристаллические и аморфные вещества проявляют общее для них свойство−твердость. Этим свойством они отличаются от жидкостей и газов. В кристаллах есть строгий порядок расположения микрочастиц, которого нет ни в жидкостях, ни в газах. Кристаллы с ковалентными химическими связями представляют собой многоатомные образования. Кристалл алмаза или кварца– это не что иное как полимерная молекула с ковалентными химическими связями, которую можно не только увидеть, но и подержать в руке. Ионные кристаллы содержат в узлах кристаллической решетки положительно и отрицательно заряженные ионы. Силы притяжения разноименно заряженных ионов уравновешены силами отталкивания одноименно заряженных ионов.Такие кристаллические решетки характерны, например, для силикатных материалов, поваренной соли. Молекулярные кристаллы содержат в узлах кристаллической решетки молекулы-диполи, например, молекулы воды в кристаллической решетке льда. Они удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия. Межмолекулярные взаимодействия существенно слабее ионных. Поэтому такие кристаллы−менее прочные образования. Кристалл металла следует рассматривать как гигантскую молекулу, в которой электроны, участвующие в образовании металлической связи, свободно перемещаются по всему объему. Такие электроны называют «электронным газом». Электронный газ удерживает положительно заряженные ионы в узлах кристаллической решетки металла.

Вещества с ковалентной, ионной и молекулярной кристаллическими решетками−твердые и хрупкие. При ничтожном сдвиге слоев кристалла происходит раскалывание по линии сдвига. Так происходит раскалывание кристалла с ковалентными химическими связями (рис.15).

Рис.15. Модель раскалывания ковалентной кристаллической решетки

Сдвиг слоев в ионном и молекулярном кристаллах также приводит к раскалыванию кристалла (рис.16). Существовавшее до сдвига равновесие сил притяжения и отталкивания нарушается при сдвиге. Возрастают силы отталкивания по сравнению с притяжением в силу того, что совпадают одноименные заряды на поверхностях слоев.

В металле при сдвиге или ударе раскалывания и разделения слоев не происходит (рис.17). Электроны в металле «успевают» за перемещением ионов в слоях и удерживают их в новом положении. Становится понятным, по-

52

чему металлы в подавляющем большинстве случаев являются ковкими и пластичными материалами.

а)

б)

Рис.16. Модель раскалывания ионной (а) и молекулярной (б) кристаллических решеток

Рис.17. Модель сдвига слоев металла без разрушения кристаллической решетки

Аморфное состояние твердого вещества означает отсутствие упорядоченного расположения микрочастиц.

Жидкости отличаются от твердых тел тем, что их молекулы свободно перемещаются в занимаемом жидкостью объеме. Это происходит при плав-

53

лении твердого вещества с молекулярной кристаллической решеткой, а также металла или кристалла с ионной кристаллической решеткой. Ионы в жидком веществе беспорядочно перемещаются в занимаемом ими объеме.

Газы в отличие от жидкостей занимают весь предоставленный им объем. Это связано с тем, что в газах практически отсутствует взаимодействие между молекулами.

Вопросы для проверки знаний

1.Какие четыре состояния вещества называют макросистемами?

2.Назовите типы кристаллических решеток, классифицированные по типу химической связи или межмолекулярному взаимодействию.

3.В чем сходство и различие между твердым и жидким состоянием вещества?

4.В чем сходство и различие между жидким и газообразным состоянием вещества?

5.Какие типы кристаллических веществ обладают хрупкостью?

6.Почему металлы обладают ковкостью и пластичностью?

5. ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

Превращение вещества происходит на любом уровне его организации. Превращаются элементарные частицы, атомы, молекулы и, соответственно, изменяются состав структура, энергетическое состояние твердого, жидкого, газообразного вещества. Вещества живой и неживой природы проявляют фундаментальные свойства, заложенные в микро- и макросистемах:

обмениваться энергией; обмениваться веществом;

изменять геометрическую конфигурацию; превращаться, т.е. переходить в качественно и количественно новое состояние в пространстве и во времени.

5.1. Ядерные реакции

Ядерными называются реакции взаимодействия ядер между собой и с элементарными частицами. Например:

14N7 + 4Не2 → 17О8 + 1Н1

Указанная реакция была осуществлена еще в 1919 г. Резерфордом. Он бомбардировал азот α-частицами и регистрировал поток протонов. В данной реакции ядра атома гелия (α-частицы) сливаются с ядрами атома азота с образованием неустойчивого ядра атома фтора 18F9, который затем распадается на кислород с выделением протона.

Одна из главных трудностей осуществления бомбардировки мишеней состояла в том, чтобы заставить α-частицы подойти к ядру на расстояние порядка 10−15м и преодолеть электростатическое отталкивание одноименно заряженных ядер. Эта проблема была решена созданием ускорителей таких

54

частиц. Одним из наиболее интересных применений мощных ускорителей тяжелых ядер атомов явилось получение новых трансурановых элементов, например:

238U92 + 2H1 → 238Np93 + 2 1n0

нептуний

238U92 + 4He2 → 239Pu94 + 3 1n0

плутоний

Благодаря ускорителям удалось осуществить ядерные реакции и синтезировать почти два десятка химических элементов. В конце декабря 1998 г. в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна, Россия) был синтезирован элемент №114. В последнем случае мишенью служил плутоний 244Pu94, который подвергали бомбардировкам ядрами атома кальция 48Са20:

244Pu94 + 48Са20: → 289Х114 + 3 1n0

Время жизни ядра 114-го химического элемента 30 сек.

Появилось сообщение о реакции между ядрами атомов свинца 208Pb82 и криптона 86Kr36 и обнаружении трех атомов элемента №118, время жизни которых составляло всего 100−200 миллисекунд.

Впервые в 1932 г. советским физиком Д.Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенбергом было высказано предположение о том, что ядра состоят из протонов р и нейтронов n. Количество нуклонов в ядре (лат. nucleus−ядро; общее название протона и нейтрона) определяет массовое число А. Массовое число А= Z + N, где Z– число протонов, определяющее заряд ядра, N– число нейтронов. Протонно-нейтронная система сохраняется в качестве основы для построения различных моделей ядра. Каждая из моделей имеет целью описание совокупности определенных свойств и характеристик атомного ядра. Ядро атома водорода состоит только из одного протона. Ядра атомов других элементов включают протоны и нейтроны.

Американский физик Дж. Уилер разработал в 1939 г. теорию деления атомных ядер и доказал, что при бомбардировке тяжелых ядер изотопа урана 235U92 тепловыми нейтронами они должны делиться. Теоретические расчеты подтвердились практическими исследованиями ядерных превращений. Впервые в лабораторных условиях реакция была осуществлена в 1939 г. итальянским физиком Э. Ферми (1901−1954). Позже, бежав из фашистской Италии, Э. Ферми с сотрудниками в 1942 г. построил в США первый ядерный реактор

иосуществил самоподдерживающуюся цепную реакцию деления урана. В основе процесса лежит превращение тяжелых ядер в ядра меньшего размера

имассы (рис.18). Известна ядерная цепная реакция деления урана и некото-

рых трансурановых элементов, например плутония 239Pu94, под действием нейтронов.

При расщеплении тяжелого ядра урана образуется два более легких ядра. Их масса становится меньше массы исходного ядра примерно на 0,1%. Куда же девается масса в результате ядерного деления? Масса превращается

55

в энергию движения продуктов деления и в лучистую энергию, количество которой эквивалентно исчезнувшей массе в соответствии с законом сохранения массы-энергии:DΕ=Dm×с2.

нейтрон

Рис. 18. Реакция деления ядра урана при соударении с нейтроном

В 1 г любого вещества содержится энергия, равная m×c2 = 9×1013 Дж. Деление 1 г урана сопровождается уменьшением массы на 0,001 г, что соответствует выделению энергии в количестве ~ 9×1010 Дж. Это почти в 3 миллиона раз превышает энергию, выделяемую при сжигании 1 г угля. Например:

Не только деление тяжелых ядер, но и соединение легких ядер сопровождается уменьшением массы вещества и выделением эквивалентного количества энергии. Суммарный результат «выгорания» водорода на Солнце сводится к превращению:

Указанное превращение можно представить в виде схемы (рис. 19).

n

g

Рис.19. Модель протонно-протонного цикла: образование ядра атома гелия

56

Реакции синтеза из легких более тяжелых ядер называются термоядерными реакциями. На Солнце в его центральной части температура достигает таких значений (~14 млн. К), которые позволяют преодолеть электростатическое отталкивание между одноименно заряженными протонами и превратить их в ядра атомов гелия. В термоядерном синтезе энергии выделяется примерно в пять раз больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. В случае деления ядер и в термоядерном синтезе вступает в действие закон сохранения массы-энергии, выражаемый уравнением Эйнштейна Е=mc2: в любой ядерной

реакции сумма энергии и произведение массы на величину с2 для всех реагирующих частиц и окружения не изменяются в процессе реакции. Количество

выделившейся энергии DΕ эквивалентно исчезнувшей массе Dm, т.е.

DΕ=Dm×с2.

Почему при делении и синтезе ядер выделяется энергия? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к экспериментальной кривой, выражающей зависимость удельной энергии связи (энергии связи, приходящейся на один нуклон) от массового числа А (рис.20).

Пусть первоначально имеются свободные протоны и нейтроны (нуклоны). При сближении нуклонов на расстояние порядка 10−15м нуклоны испытывают сильное притяжение своих соседей, их энергия связи соответственно возрастет. Проявляется ядерное, сильное взаимодействие, которое превосходит по своей величине электромагнитное отталкивание одноименных зарядов. Связывание нуклонов сопровождается выделением энергии. Энергия, выде-

57

ляющаяся при образовании ядра из свободных нуклонов, приходящаяся на один нуклон, есть удельная энергия связи DΕ/Α.

Вядерной физике широко применяют количественную оценку энергии

вэлектронвольтах (1эВ = 1,6×10−19 Дж).

Наибольшее количество энергии в расчете на один нуклон выделяется при образовании ядер с массовыми числами 50-80. Этот факт означает, что для ядер таких элементов, как 56Fe26 и ряда других элементов, силы взаимодействия между нуклонами наибольшие. Такие ядра обладают наименьшей энергией и наибольшей устойчивостью.

В самопроизвольном соединении ядер атомов водорода (протонов) в ядра атомов гелия, как уже отмечалось выше, требуется внешнее воздействие, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание протонов при их сближении. Система индивидуальных протонов «скатывается» в более устойчивое состояние– ядра атомов гелия или еще более стабильные систе- мы-ядра химических элементов, например, углерода, азота, кислорода, железа. В самопроизвольном делении тяжелых ядер «спусковым крючком» выступают нейтроны, которые приводят к цепной реакции деления и переходу менее устойчивой системы, например 235U92, в более устойчивую систе- му-стабильные ядра-меньшей массы (Ba, Kr и др.).

Мечта алхимиков средневековья о превращении одних металлов в другие и, в частности, в золото сбылась самым удивительным образом, но не так, как они мечтали. Самый талантливый и прославленный арабский алхимик Джабир ибн Хайян (721-815), известный в Европе под именем Гебер, изучал возможность трансмутации (превращения) металлов [1, с. 21]. Джабир считал, что ртуть является особым металлом. Она вместе с серой образует все остальные металлы (к тому времени их было известно семь), «созревающие» в недрах земли. Труднее всего образуется золото– наиболее совершенный металл. Поэтому, чтобы получить золото, необходимо найти вещество, ускоряющее «созревание» золота. В Европе это вещество получило название философского камня.

Открытие в 1896 г. французским физиком А.А. Беккерелем (1852-1908) явления радиоактивности стало первым шагом к постижению тайны строения атома и атомного ядра. То, что впервые наблюдал А. Беккерель, на языке современной ядерной физики было превращением одного химического элемента в другие:

зерфорд. В 1899 г. он обнаружил a- и b-лучи, испускаемые при радиоактивном распаде элементов, и ввел понятие периода полураспада. В 1902-1903 гг. Э. Резерфорд вместе с английским физиком и химиком Ф. Содди (1877-1956) разработали теорию радиоактивности и установили закон радиоактивных превращений элементов. За исследования, связанные с превращением одних химических элементов в другие, Э. Резерфорду в 1908 г. была присуждена

58

Нобелевская премия по химии, а в 1921 г. Нобелевским лауреатом по химии стал Ф. Содди. Им принадлежит заслуга в разрушении взглядов неделимости атомов.

Вопросы для проверки знаний

1.Какие микрочастицы входят в состав атомного ядра?

2.Какие реакции называют ядерными?

3.Под действием каких микрочастиц происходит деление ядер урана?

4.Чем отличаются ядерная и термоядерная реакции?

5.Какие частицы называют нуклонами?

6.Что подразумевается под удельной энергией связи ядра?

7.Почему при делении и синтезе ядер выделяется энергия?

5.2. Химические реакции

Ядерные превращения вещества связаны с сильным взаимодействием элементарных частиц и ядер на расстояниях, соизмеримых с размерами атомных ядер, т.е. на расстояниях 10−15м.

Химические превращения вещества связаны с электромагнитным взаимодействием атомов и молекул на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов, т.е. на расстояниях 10−10м. Электромагнитные взаимодействия не затрагивают атомные ядра и уступают по силе внутриядерным взаимодействиям. Когда мы говорим о химических превращениях вещества, то подразуме-

ваем химические реакции. Химические реакции – это процессы разрыва и об-

разования связей, сопровождающиеся изменением структуры и состава атомов и молекул. Изменения затрагивают электронные орбитали атомов и молекул. Например, в молекуле водорода ядра атомов удерживаются отрицательным зарядом, существующим между ядрами в результате перекрывания атомных орбиталей. Участие пары электронов с противоположными спинами в образовании химический связи не противоречит принципу запрета Паули.

Ядерные и химические превращения вещества объединяет общее: изменение энергетического состояния, структуры и состава вещества. Только в одних случаях превращения затрагивают состав, структуру и энергетическое состояние ядер, в других– состав, структуру и энергетические состояния атомов и молекул.

Ядерные и химические превращения не соизмеримы по величине энергетических изменений. Связано это с проявлением действия различных по величине сил внутри ядра (сильное взаимодействие) и между атомами и молекулами (электромагнитное взаимодействие). Термоядерные реакции и реакции деления ядер приводят к уменьшению массы m, которое сопровождается выделением энергии Ε, превосходящим выделение энергии в химических реакциях в миллионы раз.

Относительно небольшие (по сравнению с ядерными реакциями) энергетические изменения позволяют в химических превращениях использовать частные случаи закона сохранения массы-энергии, т.е. закон сохранения

60

ского процесса заключена в химических связях. Модель изменения энергетического состояния химических веществ на примере горения водорода представлена на рис.21. Атомы в молекулах изображены в виде шариков, соединенных пружинками (химическими связями)

Для двух- и трехатомных молекул удается рассчитать энтальпию ( Η) химической реакции по значениям энергий связей. Для более сложных молекул такой расчет становится невозможным, т.к. отсутствуют данные энергии связи в сложных молекулах. На помощь приходит термодинамика – наука о тепловых явлениях.

Вопросы для проверки знаний

1.Какие реакции называются химическими?

2.Чем отличается химическая реакция от ядерной?

3.Справедливо ли утверждение, что энергия вещества, претерпевающего химическое превращение, скрыта в химических связях?

5.3. Метаболизм

В живых организмах происходят процессы превращения вещества. Их поддерживает поток солнечной энергии. Растения, животные, микробы участвуют в непрерывном движении вещества и энергии. Подобно потоку падающей воды, вращающему мельничное колесо, поток солнечной энергии осуществляет круговорот живого вещества. В организмах от одноклеточных бактерий до гигантских китов происходят метаболические процессы. Мета-

болизм– это совокупность химических реакций, протекающих в живых клет-

ках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедея-

тельности, роста и размножения. В генетическом коде заложена жизнь и смерть организма.

Метаболизм включает два типа химических превращений вещества

катаболизм и анаболизм. Реакции распада веществ, попадающих в живой организм с пищей, относят к катаболизму. Как правило, они связаны с окислением, «сжиганием» органических веществ и сопровождаются выделе-

нием энергии. Синтез сложных веществ в живом организме относят к ана-

болизму. Эти реакции обычно требуют затрат энергии на построение сложных молекул из простых.

Все живые организмы по способу получения энергии и вещества делят на две категории. Первые способны изготовлять свою собственную пищу при помощи солнечного света (продуценты). Вторые−консументы первого по-

рядка−существуют за счет поедания первых. Консументы второго порядка существуют за счет продуцентов и консументов первого порядка. Таким образом, живые системы существуют за счет неисчерпаемой в ближайшем будущем солнечной энергии

В клетках растений идут метаболические процессы: фотосинтез и клеточное дыхание. Образование моносахарида– глюкозы– идет в клетках листьев растений: