из электронной библиотеки / 264554655877873.pdf

110

зона теплого климата – средние температуры в самое холодное время здесь не опускаются ниже –3°С, и хотя бы один месяц имеет среднюю температуру больше 10°С. Хорошо выражен переход от зимы к лету;

зона холодного северного таежного климата – в холодное время средняя температура опускается ниже – 3°С, но в теплое время она выше 10°С;

зона полярного климата – даже в самые теплые месяцы средние температуры здесь ниже 10°С, поэтому в этих районах прохладное лето и очень холодные зимы;

зона горного климата – районы, отличающиеся по климатическим характеристикам от той климатической зоны, в которой они находятся. Появление таких зон связано с тем, что с высотой падают средние температуры

исильно меняется количество осадков.

Климат Земли имеет ярко выраженную цикличность. Самым известным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на Земле оледенения. За два последних миллиона лет наша планета пережила от 15 до 22 ледниковых периодов. Об этом свидетельствуют исследования осадочных пород, накопившихся на дне океанов и озер, а также исследования образцов льда из глубин Антарктического и Гренландского ледниковых покровов. Так, в последний ледниковый период Канада и Скандинавия были покрыты гигантским ледником, а Северо-Шотландское нагорье, горы Северного Уэльса и Альпы имели огромные ледяные шапки.

Сейчас мы живем в период глобального потепления. С 1860 г. средняя температура Земли поднялась на 0,5°С. В наши дни увеличение средних температур идет еще более быстрыми темпами. Это грозит серьезнейшими изменениями климата на всей планете и другими последствиями, которые более подробно будут рассмотрены в главе, посвященной проблемам экологии.

6. Магнитосфера – самая внешняя и протяженная оболочка Земли – представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8–24 земных радиусов, с ночной – доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции электрических токов. Поэтому Земля представляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс – в Антарктиде на станции Восток.

В настоящее время установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность в истории существования Земли менялась несколько раз. Так, 30 000 лет назад Северный магнитный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодически происходят возмущения магнитного поля Земли – магнитные бури, главной причиной возникновения которых является колебание солнечной активности. Поэтому особенно часты

111

магнитные бури в годы активного Солнца, когда на нем появляется много пятен, а на Земле возникают полярные сияния.

Тема 4.4. Геодинамические процессы

План:

1.Эндогенные геодинамические процессы.

2.Экзогенные геодинамические процессы.

Список рекомендуемой литературы:

1.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное

пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

2.Дубкова, С.И. История астрономии: рассказы о самых выдающихся за последние 3000 лет открытиях в науке о небе и ее гениальных творцах, которые изменили представление о Вселенной / С.И. Дубкова. – М.: Белый город, 2002.

–192 с.

3.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

4.Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям / А.П. Садохин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 447 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1.Облик нашей планеты не является чем-то застывшим, раз и навсегда сформировавшимся. Благодаря разнообразным геодинамическим процессам на планете постоянно происходит видоизменение земной коры и ее поверхности. Эти процессы в геологии делят на две большие группы – эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние).

Геодинамические процессы, вызванные внутренними силами Земли и протекающие в ее недрах, называются эндогенными.

Они обусловлены энергией и действием сил тяжести, возникающих при вращении Земли, а проявляются в виде тектонических движений (поднятие и опускание земной коры, землетрясения, образование крупных элементов рельефа и т.п.), процессов магматизма (вулканизма), метаморфизма горных пород и формирования месторождений полезных ископаемых.

Движение тектонических плит – это грандиозный геологический процесс, ведущий к деформации верхних частей земной коры, но протекающий очень медленно. Поэтому в течение исторического времени движение континентов можно зафиксировать только с помощью особо точных измерений. Кроме того, движение плит вызывает эффекты, проявляющиеся в форме бедствий и катастроф.

Линии, по которым стыкуются плиты, – это эквивалент трещин в земной коре. Они называются «сдвигами» и представляют собой слабые места, через которые тепло и расплавленный камень, находящийся под корой, могут выйти наверх. Такое тепло способно согревать грунтовые воды, образовывать выходы

112

пара и горячие источники. Иногда вода может нагреваться до тех пор, пока давление не достигает критической точки, после чего она вырывается на поверхность высоко в воздух. Так образуются гейзеры.

Вулканическая деятельность. В некоторых районах вверх по трещинам поднимается и застывает расплавленный камень. Новый расплавленный камень вскипает сквозь возвышенность отвердевшего камня и увеличивает ее высоту. Так образуется гора с центральным проходом, по которому расплавленная каменистая масса, или лава, может подниматься и оседать. Также она может затвердевать на более или менее длительный период, а затем плавиться снова. Этот процесс получил название магматизма. Магматизм – проявление глубинной активности Земли, он тесно связан с ее тепловыми процессами и тектонической эволюцией. В результате магматизма формируются горные породы внутри земли или вулканы, т.е. происходят излияния расплавленной магмы из глубин Земли на ее поверхность.

По степени активности вулканы могут быть действующими или недействующими. Если вулкан демонстрирует определенную активность в течение длительных периодов времени, он не очень опасен, хотя периодические извержения, в ходе которых потоки лавы изливаются наружу, вынуждают эвакуировать находящиеся поблизости населенные пункты.

Намного опаснее вулканы, длительное время пребывающие в неактивном состоянии. У таких вулканов центральный проход, по которому лава поднималась раньше, обычно затвердевает, и потому новые потоки лавы, поднимающиеся из глубин в период усиления активности, не находят себе прохода. Нарастающее давление приводит к тому, что верхушка вулкана прорывается. При этом происходит резкий, неожиданный выброс газа, пара, твердых камней и раскаленной лавы. Если до этого вулкан долгое время оставался неактивным и возле него возникли людские поселения, то последствия извержения могут быть катастрофическими. В результате извержения Везувия в 79 г. н.э. были полностью уничтожены города Помпеи и Геркуланум, располагавшиеся на его южном склоне.

Самое крупное вулканическое извержение произошло на острове Кракатау 27 августа 1883 г., в результате которого остров был практически полностью разрушен. В воздух оказалось выброшено около 21 км3 вулканического вещества. Пепел выпал на площади 800 тыс. км2 и затемнил окружающий район на два с половиной дня. Пыль достигла стратосферы и распространилась по всей Земле, вызывая эффектные закаты на протяжении почти двух лет. Звук взрыва был слышен на расстоянии 1/13 земного шара, а сила извержения в 26 раз превосходила мощность самой современной водородной бомбы. Кроме того, взрыв вызвал волну цунами, которая достигла высоты 36 метров и уничтожила 163 деревни и унесла жизни почти 40 тысяч человек.

Землетрясения. Еще более губительным следствием движения тектонических плит являются землетрясения.

113

Землетрясениями называют подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний.

Их сложно предсказать, так как они зарождаются по разным причинам и на разной глубине. Небольшие тектонические поднятия и опускания образуются в результате процессов, происходящих внутри земной коры на глубине 10–20 км, а самые глубокие очаги землетрясений локализованы на глубине 700 км. В основном землетрясения происходят на границах соединения тектонических плит, которые могут подниматься или опускаться друг относительно друга, а также двигаться в разных направлениях.

Само землетрясение продолжается лишь несколько минут и состоит из нескольких толчков. Но за это время оно может нанести огромный ущерб обширному району. Сила землетрясений характеризуется по специальной 12балльной шкале, предложенной в 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером и носящей его имя. Каждая последующая цифра этой шкалы соответствует десятикратному увеличению количества энергии, высвобождаемой при землетрясении. Так, разрушение зданий начинается при 5 баллах. Землетрясение в 7 баллов считается сильным, а в 8 баллов и выше – катастрофическим.

В историческом масштабе самое сильное землетрясение произошло в Китае в 1556 г., когда одновременно погибло 830 тыс. человек. В Западной Европе очень крупным было землетрясение 1755 г. в Португалии. При этом полностью была разрушена столица Португалии город Лиссабон, погибло 60 тыс. человек. Часто случаются землетрясения в Сан-Франциско, который стоит на тектоническом разломе. На территории бывшего СССР также достаточно много сейсмически опасных зон. В 1988 г. произошло землетрясение в Армении, при котором погибло свыше 20 тыс. человек и более 500 тыс. остались без крова. А в 1995 г. сильнейшее землетрясение полностью разрушило город Нефтегорск на Сахалине.

2. К экзогенным относятся геодинамические процессы, которые происходят на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены энергией солнечного излучения, гравитационной силой и жизнедеятельностью организмов.

Экзогенными являются следующие процессы: выветривание, заболачивание, оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы, деятельность водных потоков, морей, озер и ледников. Внешние экзогенные процессы происходят на поверхности Земли при давлениях и температурах, близких к нормальным, поэтому они доступнее для изучения, чем эндогенные процессы.

Выветривание. Основу всех экзогенных процессов составляет выветривание – процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов в условиях земной поверхности, происходящий под влиянием различных атмосферных явлений, грунтовых и поверхностных вод, жизнедеятельности растительных и животных организмов и продуктов их

114

разложения. Выветривание имеет большое значение, поскольку с ним тесно связан процесс почвообразования, т.е. зарождение и формирование почвы.

Флювиальные процессы. Преобразованию земной поверхности в огромной мере способствуют также флювиальные процессы – совокупность процессов, осуществляемых текучими поверхностными водными потоками. Результатом флювиальных процессов является размыв водными потоками земной поверхности в одних местах и одновременный перенос и отложение продуктов размыва в других. Флювиальные процессы развиваются в пределах речных бассейнов, в которые входят речные, овражно-балочные и склоновые системы. Главным элементом этих процессов являются реки – водные потоки, текущие в естественных условиях и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока со своих бассейнов.

Гляциальные процессы. К экзогенным относятся также и гляци-альные процессы, связанные с деятельностью льда, т.е. современным и прошлым оледенением территории. Такие процессы происходят в условиях длительного существования большого количества льда в пределах участка земной поверхности, в первую очередь в виде ледников – движущихся скоплений льда. Эрозионная деятельность ледников сводится к выпахиванию коренного ложа ледника обломками горных пород, к формированию специфических отложений в виде скопления несортированных обломков горных пород, переносимых или отложенных ледниками образований. В результате таяния ледников образуются мощные водные потоки, которые формируют флювиогляциальные отложения и рельеф.

Гравитационные процессы. Наконец, в пределах Мирового океана распространены гравитационные процессы, в возникновении и развитии которых основная роль принадлежит силе тяжести. В настоящее время среди гравитационных процессов дна Мирового океана ученые особо выделяют процесс медленного сползания или оплывания толщ осадков на относительно пологих склонах, подводные оползни, донные и постоянные поверхностные течения и т.д.

РАЗДЕЛ V. ОСНОВЫ ХИМИИ

Тема 5.1. Строение вещества

План:

1.Химия как наука.

2.Атом и его строение.

3.Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева.

4.Химическая связь: понятие и виды.

Список рекомендуемой литературы:

1. Габриелян, О.С. Химия. 10 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян. – 5-е изд., стереотип. – М.:

Дрофа, 2009. – 191 с.

115

2.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

3.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

4.Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям / А.П. Садохин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 447 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1. Химия – наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.

Эта отрасль научного знания направлена на решение основной двуединой проблемы – получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества. Эта проблема имеет всего четыре способа решения, поскольку свойства веществ зависят от следующих четырех факторов:

от элементного и молекулярного состава вещества;

структуры молекул вещества;

термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

высоты химической организации вещества.

Поскольку способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа:

1.Учение о составе вещества (XVII в.)

2.Структурная химия (XIX в.)

3.Учение о химических процессах (XX в.)

4.Эволюционная химия (середина XX в.)

Эти этапы одновременно составляют и основные структурные уровни химического знания.

2. Атом – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

В состав атомного ядра входят протоны, определяющие его электрический заряд, и нейтроны (не имеют заряда). При этом атомное ядро каждого химического элемента характеризуется строго определенным числом протонов. Число нейтронов же в атомах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие разновидности атомов называют изотопами.

Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд атомного ядра (одинаковое число протонов в нем), но разные массовые числа (разное число нейтронов). Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

116

Под электронной оболочкой понимают совокупность всех электронов в атоме. Число электронов в атоме равно числу протонов. Важнейшей характеристикой электрона является энергия его связи с атомом. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слой или энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого электронного слоя, наиболее близкого к атомному ядру. Особую роль играет внешний электронный уровень атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента – химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Это валентные электроны, т.е. электроны, которые могут принимать участие в образовании химической связи.

Электрон в атоме не имеет траектории движения. Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называют электронным облаком. Форма и размеры того или иного электронного облака определяются атомными орбиталями, которые не имеют формы, так как это понятие математическое. Однако, как и соответствующие им электронные облака, орбитали обозначают символами s, p, d, f. Каждую орбиталь могут занимать два электрона.

3.Химический элемент – вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Химический элемент является пределом химического разложения вещества, переходящим без изменения из состава одного сложного вещества в другое.

Периодический закон: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева – это графическое выражение Периодического закона.

Порядковый номер элемента соответствует заряду атомного ядра, т.е. числу протонов в нем, и числу электронов в электронной оболочке атома, так как он электронейтрален.

Номер периода соответствует числу энергетических уровней (электронных слоев) в атоме.

Номер группы соответствует числу электронов на внешнем энергетическом уровне атомов для элементов главных подгрупп или максимальному числу валентных электронов для элементов обеих подгрупп.

Особенности строения атома объясняют и закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах. а) В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. б) В пределах одной и той же группы металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают.

4.Химическая связь – вид взаимодействия между атомами и атомномолекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. Поэтому под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу,

117

обладающую устойчивой структурой – молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Виды химической связи:

Ионная – связь за счет электростатического притяжения между катионами (+) и анионами (-), в которые превращаются атомы в результате отдачи и присоединения электронов (оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, например, NaCl). Вещества с ионным типом связи имеют ионные кристаллические решетки. Это твердые, хрупкие, нелетучие вещества с высокими температурами плавления. При обычных условиях их кристаллы электрического тока не проводят, а растворы и расплавы большинства ионных соединений – прекрасные электролиты;

Ковалентная – связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар. Может быть полярной и неполярной. Полярная связь возникает между разными элементами, связана с понятием электроотрицательности, т.е. способностью химических элементов смещать к себе общие электронные пары. Неполярная связь возникает между атомами одного химического элемента.

Металлическая – связь в кристаллах металлов и сплавов, которая обусловлена наличием валентных электронов, обладающих большой свободой движения в кристаллической решетке, образуемой положительными ионами металлов.

Водородная – связь между атомами водорода одной молекулы (или ее части) и атомами наиболее электроотрицательных элементов (фтор, кислород, азот) другой молекулы (или ее части).

Тема 5.2. Химические реакции. Превращения веществ

План:

1.Понятие о химической реакции и ее типах.

2.Химическое равновесие и способы его смещения.

3.Роль воды в химических реакциях.

Список рекомендуемой литературы:

1.Габриелян, О.С. Химия. 10 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян. – 5-е изд., стереотип. – М.:

Дрофа, 2009. – 191 с.

2.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

3.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

4.Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям / А.П. Садохин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 447 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

118

1. Учение о химических процессах – область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика и кинетика, поэтому этот раздел науки в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов – лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым системам. Ведь любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Поэтому химия становится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результаты химических реакций. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Химическим процессом (реакцией) называется процесс, при котором за счет взаимодействия одни вещества превращаются в другие. В результате происходит разрыв старых и образование новых химических связей. При этом отдельные атомы не меняются, а происходит их перераспределение между собой. Бывают и такие химические реакции при которых меняется только структурная взаимосвязь одних и тех же атомов, например, превращение графита в алмаз.

Как правило, химические процессы идут либо с выделением, либо с поглощением тепла. При химических реакциях атомы не меняются, это главное отличие химических процессов от ядерных, при которых идет перестройка атомных ядер и один химический элемент превращается в другой. Исходные вещества в химических превращениях называются реагентами, вновь образовавшиеся – продуктами реакции.

Таким образом, химические реакции классифицируются на следующие

виды:

по изменению качества исходных веществ и продуктов реакции:

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;

119

реакции обмена – реакции, при которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями, в результатечего из двух сложных веществ образуются два новых сложных вещества.

По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на

экзотермические – с выделением теплоты

эндотермические – с поглощением теплоты.

С учетом явления катализа реакции могут быть

каталитические – с применением катализаторов

некаталитические – без применения катализаторов. По признаку обратимости реакции делят на

обратимые

необратимые.

2. Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов реакцию. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно. В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях. Все химические реакции, в принципе, обратимы. Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ). Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.

Во всех обратимых реакциях скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции возрастает до тех пор, пока обе скорости не станут равными и не установится состояние равновесия. В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1884 году французским ученым ЛеШателье. Современная формулировка принципа Ле-Шателье такова: Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие, то система перейдет в другое состояние так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия.

1. Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.

Прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам: при повышении температуры