- •Оглавление
- •Тема 2.1. Развитие представлений о структуре материального мира 4
- •Тема 2.2. Свойства объектов микромира 26
- •Тема 2.3. Материя в пространстве и времени 46
- •Тема 2.4. Законы сохранения как проявление симметрии материального мира 59
- •Тема 2.5. Физические свойства объектов макромира. Хаос и самоорганизация 65
- •Тема 2.6. Химические процессы в макросистемах 91
- •Тема 2.7. Развитие представлений о строении и эволюции мегамира 112
- •Тема 2.1. Развитие представлений о структуре материального мира
- •Структурные уровни организации материи
- •Объекты микромира
- •Объекты макромира
- •Объекты мегамира
- •Корпускулярная и континуальная концепции описания природы
- •Взаимодействия и движение структур материального мира Четыре вида взаимодействий и их характеристика
- •Концепции близкодействия и дальнодействия
- •Характер движения структур мира
- •Энергия. Основные виды энергии
- •Тема 2.2. Свойства объектов микромира Развитие представлений о строении атомов
- •Теория атома н. Бора
- •Модель строения атома э. Резерфорда
- •Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике
- •Элементарные частицы и их основные характеристики
- •Ядра атомов. Ядерная энергия
- •Основные положения теории суперобъединения (единой теории поля)
- •Методологические следствия из квантовой концепции
- •Тема 2.3. Материя в пространстве и времени Развитие представлений о пространстве и времени
- •Классическая концепция
- •Характеристики пространства, его трехмерность, однородность, изотропность. Характеристики времени, его анизотропность
- •Принцип относительности Галилея (принцип инерции). Инерциальные системы отсчета
- •Постулаты специальной теории относительности. Выводы из анализа преобразований Лоренца
- •Общая теория относительности: зависимость свойств пространства-времени от распределения материи
- •Тема 2.4. Законы сохранения как проявление симметрии материального мира Симметрия как инвариантность. Принципы симметрии
- •Симметрии пространства-времени
- •Связь законов сохранения с симметрией (теорема Нетер)
- •Закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения заряда, закон сохранения энергии. Фундаментальный характер законов сохранения
- •Значение представлений о симметрии в познании объектов микро-, макро-, мегамира
- •Тема 2.5. Физические свойства объектов макромира. Хаос и самоорганизация Порядок и беспорядок в природе
- •Классическая термодинамика. Состояние. Параметры макросостояния: температура, давление, удельный объем
- •Закон сохранения энергии в макроскопических процессах (первое начало термодинамики)
- •Принцип возрастания энтропии (второе начало термодинамики) и необратимость времени
- •Направленность самопроизвольно протекающих процессов. Тепловая смерть Вселенной. Философский смысл возрастания энтропии
- •Молекулярно-кинетический (статистический) метод изучения макросистем. Вероятностный характер возрастания энтропии (Больцман)
- •Проблема возникновения упорядоченных структур в природе
- •Открытые системы. Неравновесные процессы. Синергетика (Хакен), неравновесная термодинамика (Пригожин)
- •Самоорганизация в живой и неживой природе, ее пороговый характер. Диссипативные структуры, флуктуация, бифуркация, аттрактор
- •Тема 2.6. Химические процессы в макросистемах Химия как наука
- •Основные химические концепции: учение о составе, структурная химия, химическая кинетика и термодинамика, эволюционная химия
- •Этапы развития химии
- •I. Донаучный этап
- •1. Натурфилософский период
- •2. Алхимический период
- •II. Научный этап
- •1. Становление учения о составе
- •2. Становление структурной химии
- •3. Изучение химических процессов
- •4. Эволюционная химия
- •Химический элемент. Вещество. Реакционная способность веществ
- •Химические процессы
- •Связь физических, химических и биологических форм движения материи
- •Тема 2.7. Развитие представлений о строении и эволюции мегамира Структура мегамира
- •Развитие представлений об организации мегамира. Модели Вселенной
- •Геоцентрическая система мира
- •Гелиоцентрическая система мира
- •Космологические теории классической механики
- •Модели устройства Вселенной, созданные на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения
- •Стадии развития Вселенной
- •Структура современной Вселенной
- •Солнечная система
- •Внутреннее строение и история геологического развития Земли
3. Изучение химических процессов
Химические реакции – основа химии. Исследования общих закономерностей, управляющих химическими процессами, в XIXв. стимулировались развитием химической индустрии. От знания скорости и направления реакций, влияния на них различных факторов зависела производительность химической промышленности. Переход от структурной химии кучению о химических процессах – переход на еще более высокий уровень знаний, когда объекты изучаются более разносторонне.
Реакционная способность вещества определяется не только его составом и структурой, но и тем, с каким веществом оно вступает в реакцию. Так, если реагент – сильная кислота, то вещество ведет себя как основание, и наоборот. Эту двойственность поведения одного и того же вещества в реакции объяснил Бутлеров, считая, что вещество расщепляется на два изомера и это влияет на равновесную изомерию. Впоследствии А. Н. Несмеянов установил, что это – раздвоение свойств изомера как целого.
К 70-м гг. XIXв. идеи и методы физики стали проникать в химию. Н. Н. Бекетов предложил выделятьфизическую химию– науку, задача которой состоит в изучении связи между физическими и химическими свойствами веществ, явлений и процессов.
М. Бертло, Ю. Томсон, В. Ф. Лучинин и Н. Н. Бекетов заложили основытермохимии, изучающей закономерности в теплоте образования и сгорания веществ в зависимости от их химического строения.
Исследования Дж. Гиббса, Я. Г. Вант-Гоффа, В. Г. Нернста и других ученых развили химическуютермодинамику, изучающую энергетические эффекты химических процессов. Оказалось, что возможность осуществления химической реакции определяется законами термодинамики. Было доказано, что химическая реакция самопроизвольно осуществляется в направлении уменьшения энергии веществ и увеличении энтропии.
Большинство химических реакций являются обратимыми. В состоянии термодинамического равновесия в смеси присутствует определенное соотношение исходных веществ и продуктов реакции, которое остается постоянным из-за равной скорости прямой и обратной реакций. Ле Шателье в 1884 г. выдвинул принцип подвижного равновесия. Сейчас его формулируют так: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого влияния. Появилась возможность смещать равновесие в сторону образования продуктов прямой или обратной реакции через изменение температуры, давления и концентрации реагентов.
В 1886 г. появилась работа Гиббса, содержащая правило фаз и новые методы исследования и описания условий равновесия через термодинамические потенциалы. Эти методы назвалитермодинамическими.
Термодинамический подход сделал возможным управление ходом реакции через изменение термодинамических параметров системы – температуры, давления, концентрации. Этими параметрами можно сместить направление реакции. Но термодинамический подход не даетизменения скорости реакции, так как время не входит в уравнения.
Сведения о скорости реакций и возможность влиять на нее дает только химическая кинетика.
Закон действующих массоткрыли и представили в математической форме норвежские ученые К. М. Гульберг и П. Вааге (1879). Они, рассматривая равновесие как динамический процесс, построилитеорию скоростей химических реакций. Вант-Гофф ввел в теорию принятый сейчас термин “концентрация”. Если реакция происходит между компонентамиА,В,С, этот закон принимает следующий вид:
V =k(A)α(B)β(C)γ,
где V – скорость реакции,
k – константа скорости реакции (в скобках – концентрации реагентов),
α,β,γ – коэффициенты степени участия.
Изменяя концентрации, можно менять скорость и направление реакции, то есть управлять процессом. Выразив константу равновесия через концентрации реагентов, Вант-Гофф подвел теоретический фундамент под закон действующих масс и обосновал важнейшие положения химической кинетики (1884).
Зависимость скорости реакций от температурыисследовал С. Аррениус, предложивший (1889) закон: вероятность накопления энергии активации определяется формулой, полученной Больцманом:W = exp(–Eакт /kT). Вант-Гофф исследовал причины, меняющие скорость реакций, и показал, что с ростом температуры энергия частиц при столкновениях может оказаться достаточной для начала химической реакции. Зная величины энтропии веществ, можно определить условия протекания реакции и ее направление.
Среди соединений реагентов есть образования с разной степенью устойчивости. Менее устойчивые обладают большей свободной энергией. Значит, если образующаяся группировка менее устойчива, чем исходные компоненты, для преодоления разницы в значениях свободной энергии нужна дополнительная энергия. Это так называемая энергия активации. Если энергии, подводимой к смеси реагентов, недостаточно для преодоления этого потенциального барьера, реакция не идет. Снижение энергии активации с помощью катализаторов приводит к увеличению скорости реакции.
В 1812 г. Кирхгофом было открыто явление химического катализа, то есть ускорения химических реакций в присутствии вещества, концентрация которого при этом не изменяется. Берцеллиус связал природу взаимодействия агентов с электрохимическими потенциалами (1835), обозначив силу «вызывания химической деятельности» понятием каталитической силы. Либих предположил, что взаимодействие с катализатором может непрерывно менять химические связи в молекуле.
Д. П. Коновалов положил начало физико-химической теории катализа, ввел понятиеактивной поверхности (1885) и вывел формулу для скорости автокаталитических реакций независимо от С. Оствальда. Теорией катализа занимался и Д. И. Менделеев (1886). При катализе происходит активация молекул реагента при контакте с катализатором: связи в веществе становятся более подвижными, “подталкивая” вещества к взаимодействию. В. Оствальд, сравнивая относительную активность различных кислот, пришел к выяснению условий химического равновесия и развитию катализа. Он определил катализатор как вещество, «которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции».