ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 39 Ñòðîåíèå âåùåñòâà Ìîëåêóëà ýòî íàèìåíüøàÿ ÷àñòèöà âåùåñòâà, îáëàäàþùàÿ åãî õèìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ìîëåêóëû îïðåäåëÿþòñÿ åå ñîñòàâîì è ñòðîåíèåì. Èç ìîëåêóë ñîñòîÿò âåùåñòâà â ãàçîîáðàçíîì è ïàðîîáðàçíîì ñîñòîÿíèè. Ìíîãèå âåùåñòâà ðàçëàãàþòñÿ íà áîëåå ïðîñòûå. Ñóùåñòâóþò, îäíàêî, è òàêèå èõ íàçûâàþò õèìè÷åñêèìè ýëåìåíòàìè, êîòîðûå äàëüíåéøåìó ðàçëîæåíèþ íå ïîääàþòñÿ. Àòîì ýòî íàèìåíüøàÿ ÷àñòèöà õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà, ñîõðàíÿþùàÿ åãî õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà. Àòîìû ìîæíî ðàñùåïèòü íà åùå áîëåå ìåëêèå ÷àñòèöû ïðîòîíû p (ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä = +1), íåéòðîíû n (çàðÿä = 0) è ýëåêòðîíû e (ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä = 1). Õèìè÷åñêèé ýëåìåíò ýòî âèä àòîìîâ ñ îäèíàêîâûì ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì ÿäðà. Ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìîâ áûëà ïðåäëîæåíà Ý.Ðåçåðôîðäîì. Ñîãëàñíî ýòîé ìîäåëè àòîì ñîñòîèò èç ïîëîæèòåëüíîãî çàðÿæåííîãî ÿäðà, î÷åíü ìàëîãî ïî ðàçìåðàì, â êîòîðîì ñîñðåäîòî÷åíà ïî÷òè âñÿ ìàññà àòîìà, è ýëåêòðîíîâ, äâèæóùèõñÿ âîêðóã ÿäðà ïî ñâîèì îðáèòàì è îáðàçóþùèõ ýëåêòðîííóþ îáîëî÷êó àòîìà. ßäðà àòîìîâ, â ñâîþ î÷åðåäü, ñîñòîÿò èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ.  àòîìå ñòîëüêî æå ýëåêòðîíîâ, ñêîëüêî è ïðîòîíîâ. Àòîì ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëåí. Êâàíòîâàÿ ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìà, ïðåäëîæåííàÿ Í.Áîðîì è ðàçâèòàÿ Â.Ãåéçåíáåðãîì è Ì.Áîðíîì, ðàññìàòðèâàåò âåðîÿòíîñòü íàõîæäåíèÿ ýëåêòðîíà â ïðîñòðàíñòâå âîêðóã ÿäðà. Ýëåêòðîííîå îáëàêî ýòî êâàíòîâîìåõàíè÷åñêàÿ ìîäåëü ñîñòîÿíèÿ ýëåêòðîíà â àòîìå. Ïëîòíîñòü ýëåêòðîííîãî îáëàêà îòâå÷àåò âåðîÿòíîñòè íàõîæ-äåíèÿ ýëåêòðîíà â äàííîé ÷àñòè àòîìíîãî ïðîñòðàíñòâà. Íàèáîëåå ïðîñòûì ñòðîåíèåì îáëàäàþò àòîìû âîäîðîäà. Ìîäåëè ñòðîåíèÿ àòîìà âîäîðîäà: ïðîòîí ýëåêòðîí Ïëàíåòàðíàÿ Êâàíòîâîìåõàíè÷åñêàÿ 40 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ñòðîåíèå âåùåñòâà Îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà âîêðóã ÿäðà, ãäå íàèáîëåå âåðîÿòíî íàõîæäåíèå ýëåêòðîíà, íàçûâàåòñÿ îðáèòàëüþ. Ðàñïîëàãàÿñü íà ðàçëè÷íûõ ðàññòîÿíèÿõ îò ÿäðà, ýëåêòðîíû îáðàçóþò ýëåêòðîííûå ñëîè èëè ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè, êîòîðûå îáîçíà÷àþò íà÷èíàÿ îò ÿäðà, áóêâàìè K, L, M, N, O, P, Q. Öåëîå ÷èñëî n, îáîçíà÷àþùåå íîìåð óðîâíÿ íàçûâàþò ãëàâíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì. Îíî õàðàêòåðèçóåò ýíåðãèþ ýëåêòðîíîâ, çàíèìàþùèõ äàííûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü. Íàèìåíüøåé ýíåðãèåé îáëàäàþò ýëåêòðîíû ïåðâîãî óðîâíÿ, íàèáîëåå áëèçêîãî ê ÿäðó. Ìåíåå ïðî÷íî ñâÿçàíû ñ ÿäðîì ýëåêòðîíû âíåøíåãî óðîâíÿ. Íàèáîëüøåå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, êîòîðîå ìîæåò íàõîäèòüñÿ íà ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå, ðàâíî óäâîåííîìó êâàäðàòó ãëàâíîãî êâàíòîâîãî ÷èñëà: N = 2 n2 çäåñü: N - ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, n - íîìåð óðîâíÿ èëè ãëàâíîå êâàíòîâîå ÷èñëî. Íà ïåðâîì áëèæàéøåì ê ÿäðó ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå ìîæåò íàõîäèòüñÿ íå áîëåå 2 ýëåêòðîíîâ, íà âòîðîì - íå áîëåå 8, íà òðåòüåì - íå áîëåå 18, íà ÷åòâåðòîì - íå áîëåå 32. Êàæäûé óðîâåíü èìååò ïîäóðîâíè. Èõ ÷èñëî ðàâíî ãëàâíîìó êâàíòîâîìó ÷èñëó: íà ïåðâîì óðîâíå îäèí ïîäóðîâåíü, íà âòîðîì äâà, íà òðåòüåì òðè, íà ÷åòâåðòîì ÷åòûðå. Ïîäóðîâíè, â ñâîþ î÷åðåäü, ñîñòàâëåíû èç îðáèòàëåé. Íà êàæäîé îðáèòàëè ìîæåò íàõîäèòüñÿ íå áîëåå äâóõ ýëåêòðîíîâ - ïðèíöèï Ïàóëè. Åñëè íà îðáèòàëè íàõîäèòñÿ îäèí ýëåêòðîí, îí íàçûâàåòñÿ íåñïðåííûì, åñëè äâà, òî ýòî ñïàðåííûå ýëåêòðîíû ñ ïðîòèâîïîëîæíûìè ñïèíàìè (ñì. íèæå). Ïîäóðîâíè îáîçíà÷àþò ëàòèíñêèìè áóêâàìè: s ïåðâûé, îí ñîñòîèò èç îäíîé s-îðáèòàëè; p âòîðîé, ñîñòîèò èç òðåõ p-îðáèòàëåé; d òðåòèé, ñîñòîèò èç ïÿòè dîðáèòàëåé, f ÷åòâåðòûé, ñîñòîèò èç ñåìè f-îðáèòàëåé. Ñîñòîÿíèå ýëåêòðîíà â àòîìå õàðàêòåðèçóþò (ñì.ñëåä.ñòð.): n ãëàâíîå êâàíòîâîå ÷èñëî, l îðáèòàëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî, m ìàãíèòíîå êâàíòîâîå ÷èñëî, s ñïèí (óïðîù. - ñîáñòâåííîå âðàùåíèå ýëåêòðîíà). ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 41 Ñòðîåíèå âåùåñòâà Ýíåðãåòè÷åñêèå Îðáèòàëè óðîâåíè 1s K 2s L 2p Êâàíòîâûå ÷èñëà m l n 1 2 0 0 1 3s 0 3p 1 3 M 3d 2 4s 0 4p 1 4d 2 4 N 4f 3 0 0 -1 0 1 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 -3 -2 -1 0 1 2 3 Ìàêñèì. ÷èñëî ýëåêòðîíîâ 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 Ñïèí S ðàâåí +1/2 è -1/2 äëÿ âñåõ ñëîåâ è îáîëî÷åê àòîìà. 42 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ñòðîåíèå âåùåñòâà S - îðáèòàëü îáëàäàåò ñôåðè÷åñêîé ñèììåòðèåé, ò.å. èìååò ôîðìó øàðà. Ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ îðáèòàëü àòîìà âîäîðîäà (n = 1). Åå íàçûâàþò 1s-îðáèòàëüþ. Íà êàæäîì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå èìååòñÿ îäíà s-îðáèòàëü. z x 5 Íà âòîðîì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå (n=2) èìååòñÿ 4 îðáèòàëè, îäíà èç êîòîðûõ (2s-îðáèòàëü) èìååò ñôåðè÷åñêóþ ñèììåòðèþ, òðè äðóãèõ (p-îðáèòàëè) èìåþò ôîðìó ãàíòåëè è âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíû â ïðîñòðàíñòâå. Ïîýòîìó èõ îáîçíà÷àþò êàê px- îðáèòàëü, py - îðáèòàëü, pz- îðáèòàëü. Êàæäûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü, íà÷èíàÿ ñ n=2, èìååò òðè p-îðáèòàëè. z z z x 2x x Fy x Fz Åùå áîëåå ñëîæíûå ôîðìû, ÷åì p-îðáèòàëè, èìåþò dîðáèòàëè (èõ ïÿòü) è f-îðáèòàëè (èõ ñåìü). Ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîíîâ â àòîìå ïî ýíåðãåòè÷åñêèì óðîâíÿì è ïîäóðîâíÿì èçîáðàæàþò â âèäå ýëåêòðîííûõ ôîðìóë. Îðáèòàëü ñ ìèíèìàëüíîé ýíåðãèåé - ýòî 1s- îðáèòàëü. Ó àòîìà âîäîðîäà (H) îíà çàíÿòà åäèíñòâåííûì ýëåêòðîíîì. Ýëåêòðîííàÿ ôîðìóëà âîäîðîäà: 1s1. Îáà ýëåêòðîíà àòîìà ãåëèÿ (He) ðàçìåùàþòñÿ íà 1s-îðáèòàëè. Åãî ýëåêòðîííàÿ ôîðìóëà: 1s2. Ó ïîñëåäóþùèõ ýëåìåíòîâ çàïîëíÿåòñÿ L - óðîâåíü, ïðè÷åì ñíà÷àëà îðáèòàëè s-ïîäóðîâíÿ, à çàòåì îðáèòàëè p-ïîäóðîâíÿ. Ýëåêòðîííàÿ ôîðìóëà ëèòèÿ Li: 1s2 2 s1, áåðèëèÿ Be: 1s2 2s2, áîðà B: 1s2 2s2 2p1 è ò.ä. Ó ïîñëåäóþùèõ ýëåìåíòîâ ïîñëå çàïîëíåíèÿ L-óðîâíÿ çàïîëíÿåòñÿ M, çàòåì N- óðîâåíü. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 43 Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí Ïîðÿäîê çàïîëíåíèÿ ýëåêòðîíàìè ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé äàåò òåîðåòè÷åñêîå îáîñíîâàíèå ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû ýëåìåíòîâ Ä.È.Ìåíäåëååâà(ñì. ñëåä. ñòð.). Ôîðìóëèðîâêà ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà: Ñâîéñòâà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, à òàêæå ôîðìû è ñâîéñòâà ñîåäèíåíèé ýëåìåíòîâ íàõîäÿòñÿ â ïåðèîäè÷åñêîé çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû çàðÿäà ÿäåð èõ àòîìîâ. Âîçðàñòàíèå ïîëîæèòåëüíûõ çàðÿäîâ àòîìíûõ ÿäåð ïðèâîäèò ê ïåðèîäè÷åñêîìó ïîâòîðåíèþ ñòðîåíèÿ âíåøíèõ ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê àòîìîâ, à ïîñêîëüêó îò íèõ çàâèñÿò õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ýëåìåíòîâ, òî îíè ïåðèîäè÷åñêè ïîâòîðÿþòñÿ.  ìàëûõ ïåðèîäàõ ñ ðîñòîì ïîëîæèòåëüíîãî çàðÿäà ÿäåð àòîìîâ âîçðàñòàåò ÷èñëî ýëåêòðîíîâ íà âíåøíåì óðîâíå (îò 1 äî 2 â I ïåðèîäå è îò 1 äî 8 âî II è III ïåðèîäàõ).  íà÷àëå ïåðèîäîâ (êðîìå I) íàõîäÿòñÿ ùåëî÷íûå ìåòàëëû, çàòåì ìåòàëëè÷åñêèå ñâîéñòâà îñëàáåâàþò; â êîíöå ïåðèîäîâ ãàçû.  ÷åòíûõ ðÿäàõ áîëüøèõ ïåðèîäîâ ñ ðîñòîì çàðÿäà ÿäðà ÷èñëî ýëåêòðîíîâ íà âíåøíåì óðîâíå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì (1 èëè 2) è ïîêà èäåò çàïîëíåíèå ñëåäóþùåãî óðîâíÿ, ñâîéñòâà ýëåìåíòîâ â ÷åòíûõ ðÿäàõ èçìåíÿþòñÿ ìåäëåííî.  íå÷åòíûõ ðÿäàõ óâåëè÷èâàåòñÿ ÷èñëî ýëåêòðîíîâ íà âíåøíèõ óðîâíÿõ (îò 1 äî 8), è ñâîéñòâà ýëåìåíòîâ èçìåíÿþòñÿ áûñòðî.  çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàêîé ïîäóðîâåíü ïîñëåäíèì çàïîëíÿåòñÿ ýëåêòðîíàìè, âñå ýëåìåíòû äåëÿòñÿ íà ÷åòûðå òèïà ñåìåéñòâ: 1. s-ýëåìåíòû; çàïîëíÿåòñÿ s-ïîäóðîâåíü âíåøíåãî óðîâíÿ. Ýòî ïåðâûå äâà ýëåìåíòà êàæäîãî ïåðèîäà. 2. p-ýëåìåíòû; çàïîëíÿåòñÿ p-ïîäóðîâåíü âíåøíåãî óðîâíÿ. Ýòî ïîñëåäíèå 6 ýëåìåíòîâ êàæäîãî ïåðèîäà (êðîìå I è VII). 3. d-ýëåìåíòû; çàïîëíÿåòñÿ d-ïîäóðîâåíü âòîðîãî ñíàðóæè óðîâíÿ, ïîêà íà âíåøíåì óðîâíå îñòàåòñÿ äâà ýëåêòðîíà. Ýòî ýëåìåíòû âñòàâíûõ äåêàä áîëüøèõ ïåðèîäîâ. 4. f-ýëåìåíòû; çàïîëíÿþòñÿ f-ïîäóðîâåíü òðåòüåãî ñíàðóæè óðîâíÿ, ïîêà íà âíåøíåì óðîâíå îñòàåòñÿ äâà ýëåêòðîíà. Ýòî ëàíòàíîèäû è àêòèíîèäû. Íîìåð ãðóïïû, êàê ïðàâèëî, óêàçûâàåò ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ìîãóò ó÷àñòâîâàòü â îáðàçîâàíèè õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé. 44 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà ýëåìåíòîâ Ä.È.Ìåíäåëååâà Ïåðèîäû Ðÿäû Ãðóïïû ýëåìåíòîâ I II H 1 I III IV 1 âîäîðîä 1,0079 Li 2 II 3 ëèòèé Âå 6,941 Na 3 III 11 íàòðèé K 19 êàëèé 4 Cu V 24,305 Ñà VI ðóáèäèé 5 Zn öèíê Sr Ag VII ñåðåáðî ñòðîíöèé Cs 6 55 öåçèé 132,9054 79 IX Au çîëîòî 137,33 80 7 X 87 ôðàíöèé 223,0197 Hg ðòóòü 196,9665 Fr 56 áàðèé ñêàíäèé 88 ðàäèé 226,0254 28,0855 47,88 31 Ge ãàëëèé Y èòòðèé 72,59 40 èíäèé 91,22 Sn 118,71 La* 72 ëàíòàí 178,49 81 Pb òàëëèé 82 ñâèíåö 204,383 89 Hf ãàôíèé 138,9055 Tl 50 îëîâî 114,82 57 Zr öèðêîíèé 88,9059 49 32 ãåðìàíèé 69,72 39 Ti òèòàí 44,9559 Ga 200,59 Ra 14 êðåìíèé Sc 22 21 112,41 Âà 12,011 13 Si 26,98154 Cd In êàäìèé 6 óãëåðîä àëþìèíèé 87,62 48 107,868 VIII 38 C 10,81 Al 65,39 85,4678 47 5 áîð 40,08 30 63,546 37 20 êàëüöèé ìåäü Rb 12 ìàãíèé 39,0983 29  9,01218 Mg 22,98977 IV 4 áåðèëèé 207,2 Ac* 104 àêòèíèé 227,0278 Ku êóð÷àòîâèé (261) *Ëàíòàíîèäû è **Àêòèíîèäû ñì. íà îáîðîòå ñëåäóþùåãî ëèñòà. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 45 Ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà ýëåìåíòîâ Ä.È.Ìåíäåëååâà Ãðóïïû ýëåìåíòîâ V VI VII VIII H 1 He âîäîðîä ãåëèé 1,0079 N 7 àçîò O 8 ñåðà 30,97376 V õðîì 50,9415 As 33 ìûøüÿê Nb íèîáèé 42 ñóðüìà 127,6 Ta 74 òàíòàë 180,9479 Bi 208,9804 53 èîä ïîëîíèé 208,9824 Re 58,9332 Ru 101,07 Xe 45 Rh ðîäèé 46 Pd ïàëëàäèé 102,9055 106,4 54 131,3 76 Os îñìèé èðèäèé 190,2 85 Rn 192,22 Pt 78 ïëàòèíà 195,08 86 àñòàò ðàäîí 209,9871 222,0176 (262) Ir 77 105 (Ns) 106 (EW) 107 (ERe) 108 (EOs) 109 (263) 58,69 36 ðóòåíèé 186,207 íèëüñáîðèé ýêàâîëüôðà ýêàðåíèé (262) Ni íèêåëü êñåíîí ðåíèé 84 At 28 83,8 44 126,9045 75 êîáàëüò 55,847 98,9072 183,85 83 Po âèñìóò W âîëüôðàì Tc I Co 27 êðèïòîí òåõíåöèé òåëëóð 121,75 73 52 Fe æåëåçî 79,904 95,94 51 Te 26 35 Kr áðîì Mo 43 ìîëèáäåí 39,948 54,938 34 Br 78,96 92,9064 Sb Mn ìàðãàíåö ñåëåí 18 àðãîí 35,453 51,996 Se 74,9216 41 õëîð Cr 25 24 20,179 17 Ar 32,066 âàíàäèé 10 íåîí 18,9984 16 Cl ôîñôîð 4,0026 Ne ôòîð 15,9994 15 S 23 9 êèñëîðîä 14,0067 P F 2 ýêàîñìèé (EIr) 110 (EPt) ýêàèðèäèé ýêàïëàòèíà (265) * Ëàíòàíîèäû è ** Àêòèíîèäû ñì. íà îáîðîòå ëèñòà. 46 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà ýëåìåíòîâ Ä.È.Ìåíäåëååâà * ËÀÍÒÀÍÎÈÄÛ Ñå 58 Pr öåðèé 140,12 Gd 64 ãàäîëèíèé 157,25 Yb 70 èòòåðáèé 173,04 59 ïðàçåîäèì Nd 140,9077 Te 65 òåðáèé 144,24 Dy 66 äèñïðîçèé 158,925 Lu 60 íåîäèì 162,5 Pm 61 ïðîìåòèé Sm 144,9128 Íî 68 ýðáèé 164,9304 167,26 63 åâðîïèé 150,4 67 Er ãîëüìèé 62 Eu ñàìàðèé 151,96 Tm 69 òóëèé 168,9342 71 ëþòåöèé 174,967 ** ÀÊÒÈÍÎÈÄÛ Th 90 òîðèé 232,0381 Cm 96 êþðèé 247,0703 Ðà 259,1 92 óðàí 231,0359 Bk 247,0703 Np 93 Pu íåïòóíèé 238,029 97 Cf áåðêëèé (No) 102 (Lr) íîáåëèé 91 U ïðîòàêòèíèé 237,0482 98 Es 99 êàëèôîðíèé ýéíøòåéíèé 251,0796 252,0828 94 Am ïëóòîíèé 244,0642 Fm 95 àìåðèöèé 243,0614 100 Md 101 ôåðìèé ìåíäåëåâèé 257,0951 258,0986 103 ëîóðåíñèé 260,1054 Îòíîñèòåëüíûå àòîìíûå ìàññû ïðèâåäåíû ïî Ìåæäóíàðîäíîé òàáëèöå 1983 ãîäà. Äëÿ ýëåìåíòîâ 104 108 â ñêîáêàõ ïðèâåäåíû ìàññîâûå ÷èñëà íàèáîëåå äîëãîæèâóùèõ èçîòîïîâ. Íàçâàíèÿ è ñèìâîëû ýëåìåíòîâ, ïðèâåäåííûå â êðóãëûõ ñêîáêàõ, íå ÿâëÿþòñÿ îáùåïðèíÿòûìè. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 47 Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû Àòîìíàÿ Ïåðâîîòêðûâàòåëü ÍàèìåíîÑèìâîë Àòîìíûé ìàññà âàíèå è ãîä îòêðûòèÿ íîìåð 14,0067 Ä.Ðåçåðôîðä, 1772 Àçîò 7 N 227,0278 À.Äåáüåðí, 1899 Àêòèíèé 89 Ac 26,98154 Õ.Ê.Ýðñòåä, 1825 Àëþìèíèé Al 13 243,0614 Ã.Ñèáîðã è äð., 1944 Àìåðèöèé Am 95 39,948 Ó.Ðàìçàé,Ä.Ðýëåé,1894 Àðãîí 18 Ar 209,9871 Ä.Êîðñîí, Ê.ÌàêÀñòàò 85 At Êåíçè, Ý.Ñåãðå, 1940 137,33 Ã.Äýâè, 1774 Áàðèé 56 Âà 9,01218 Ë.Âîêëåí, 1798 Áåðèëèé 4 Âå 247,0703 Ã.Ñèáîðã è äð., 1949 Áåðêëèé 97 Âê 10,81 Ë.Æ.Ãåé-Ëþññàê, Áîð 5  Ë.Æ.Òåíàð, 1808 79,904 Æ.Áàëàð, 1826 Áðîì 35 Br 50,9415 Ã.Î.Ðîñêî, 1869 Âàíàäèé 23 V 208,9804 È.Ïîòò, 1739 Âèñìóò 83 Bi 1,0079 Ã.Êàâåíäèø, 1766 Âîäîðîä 1 Í 183,85 Ê.Â.Øååëå, 1781 Âîëüôðàì 74 W 157,25 Æ.Ìàðèíüÿê, 1880 Ãàäîëèíèé Gd 64 69,72 Ë. äåÁóàáîäðàí,1875 Ãàëëèé 31 Ga 178,49 Ä.Êîñòåð è äð., 1922 Ãàôíèé 72 Hf 4,0026 Æ.Æàíñåí,Äæ.Ëîêüåð, Ãåëèé 2 Íå Ý.Ôðàíêëàíä, 1868 72,59 Ê.À.Âèíêëåð, 1886 Ãåðìàíèé 32 Ge 164,9304 Ï.Êëåâå, 1879 Ãîëüìèé 67 Íî 162,5 Ë. äåÁóàáîäðàí,1886 Äèñïðîçèé Dy 66 151,96 Ý.Äåìàðñå, 1901 Åâðîïèé 63 Eu 55,847 Èçâåñòíî äî Ð.Õ. Æåëåçî 26 Fe 196,9665 Èçâåñòíî äî Ð.Õ. Çîëîòî 79 Au 114,82 Ð.Ðåéõ,È.Ðèõòåð,1863 Èíäèé 49 In 126,9045 Á.Êóðòóà, 1811 Èîä 53 I 192,22 Ñ.Òåííàíò, 1804 Èðèäèé 77 Ir 173,04 Æ.Ìàðèíüÿê, 1878 Èòòåðáèé 70 Yb 88,905 Þ.Ãàäîëèí, 1794 Èòòðèé 39 Y 48 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû Íàèìåíî- Ñèìâîë Àòîìíûé Àòîìíàÿ Ïåðâîîòêðûâàòåëü è ãîä îòêðûòèÿ ìàññà âàíèå íîìåð Ô.Øòðîìåéåð, 1817 112,41 Êàäìèé 48 Cd Ã.Äýâè, 1807 39,0983 Êàëèé 19 Ê 251,0796 Ã.Ñèáîðã è äð., 1950 Êàëèôîð98 Cf íèé 40,08 Ã.Äýâè, 1808 Êàëüöèé 20 Ñà 15,9994 Ê.Â.Øååëå, 1772 Êèñëîðîä 8 Î 58,9332 Þ.Áðàíäò, 1735 Êîáàëüò 27 Ñî 28,0855 Æ.Ë.Ãåé-Ëþññàê, Êðåìíèé 14 Si Ë.Æ.Òåíàð, 1811 Ðàìçàé,Òðàâåðñ,1898 83,8 Êðèïòîí 36 Kr 131,3 Ðàìçàé,Òðàâåðñ,1898 Êñåíîí 54 Õå (261) Ã.Í.Ôëåðîâ, ñîòð., Êóð÷àòî104 Ku 1964 âèé 247,0703 Ã.Ñèáîðã è äð., 1944 Êþðèé 96 Cm 138,9055 Ê.Ìîñàíäåð, 1839 Ëàíòàí 57 La 6,941 À.Àðôâåäñîí, 1817 Ëèòèé 3 Li À.Ãèîðñî,1961 260,1054 Ëîóðåíñèé Lr 103 174,967 Óðáýí, Äæåéìñ,1907 Ëþòåöèé 71 Lu 24,305 Ã.Äýâè, 1808 Ìàãíèé 12 Mg 54,938 Þ.Ãàí, 1774 Ìàðãàíåö 25 Mn 63,546 Èçâåñòíî äî Ð.Õ. Ìåäü 29 Cu 258,0986 À.Ãèîðñî è äð., 1955 Ìåíäåëå101 Md âèé 95,94 Ê.Â.Øååëå, 1778 Ìîëèáäåí Ìî 42 ÀëüáåðòÂåëèêèé,1250 74,9216 Ìûøüÿê 33 As 22,98977 Ã.Äýâè, 1807 Íàòðèé 11 Na 144,24 À.ôîíÂåëüñáàõ,1842 Íåîäèì 60 Nd 20,179 Ðàìçàé,Òðàâåðñ,1898 Íåîí 10 Ne Ý.Ì.Ìàêìèëëàí, 237,0482 Íåïòóíèé 93 Np Ô.Õ.Ýéáëñîí, 1940 58,69 À.Êðîíøòåäò, 1751 Íèêåëü 28 Ni 92,9064 ×.Õàò÷åò, 1801 Íèîáèé 41 Nb 259,1 ÑØÀ, ÑÑÑÐ, 1966 Íîáåëèé 102 No ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 49 Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû ÍàèìåíîÏåðâîîòêðûâàòåëü Ñèìâîë Àòîìíûé Àòîìíàÿ âàíèå è ãîä îòêðûòèÿ íîìåð ìàññà Îëîâî Èçâåñòíî äî Ð.Õ. Sn 50 118,71 Îñìèé Os 76 190,2 Ñ.Òåííàíò, 1804 Ïàëëàäèé Pd 46 106,4 Ó.Âîëëàñòîí, 1803 Ïëàòèíà Pt 78 195,08 Èçâåñòíà ñ äðåâí. Ïëóòîíèé Pu 94 244,0642 Ã.Ñèáîðã è äð., 1940 Ïîëîíèé Ðî 84 208,9824 Ì. è Ï.Êþðè, 1898 ÏðàçåîPr 59 140,9077 Àóýð ôîí Âåëüñáàõ, äèì 1855 Ïðîìåòèé Pm 61 144,9128 Ãëåíäåíèí,Êîðèýëë, Äæ.Ìàðèíñêèé,1942 ÏðîòàêòèPa 91 231,0359 Î.Ãàí, Ë.Ìåéòíåð, íèé Ô.Ñîääè,Ä.Êðàíñòîí, 1918 Ðàäèé Ra 88 226,0254 Ì.è Ï.Êþðè, Æ.Áåìþí, 1898 Ðàäîí Rn 86 222,0176 Ý.Äîðí, 1900 Ðåíèé Re 75 186,207 È.è Â.Íîääàê, Î.Áåðã, 1925 Ðîäèé Rh 45 102,9055 Ó.Âîëëàñòîí, 1804 Ðòóòü Hg 80 200,59 Èçâåñòíà äî Ð.Õ. Ðóáèäèé Rb 37 85,4678 Ð.Áóíçåí,Ã.Êèðõãîô, 1861 Ðóòåíèé Ru 44 101,07 Ê.Ê.Êëàóñ, 1844 Ñàìàðèé Sm 62 150,4 Ë.äåÁóàáîäðàí,1879 Ñâèíåö Pb 82 207,2 Èçâåñòåí äî Ð.Õ. Ñåëåí Se 34 78,96 É.Áåðöåëèóñ, 1817 Ñåðà S 16 32,066 Èçâåñòíà äî Ð.Õ. Ñåðåáðî Ag 47 107,868 Èçâåñòíî äî Ð.Õ. Ñêàíäèé Sc 21 44,9559 Ë.Ô.Íèëüñîí, 1879 Ñòðîíöèé Sr 38 87,62 À.Êðîôîðä, 1808 Ñóðüìà Sb 51 121,75 Èçâåñòíà äî Ð.Õ. Òàëëèé Tl 81 204,383 Ó.Êðóêñ, 1861 Òàíòàë Ta 73 180,9479 À.Ã.Ýêåáåðã, 1802 50 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû ÍàèìåíîÀòîìíûé Àòîìíàÿ Ñèìâîë âàíèå ìàññà íîìåð Òåëëóð 127,6 52 Te Òåðáèé 158,925 65 Tb Òåõíåöèé 98,9072 43 Òñ Òèòàí 47,88 22 Ti Òîðèé 232,0381 90 Th Òóëèé 168,9342 69 Tm Óãëåðîä 12,011 6 Ñ Óðàí 238,029 92 U Ôåðìèé 257,0951 100 Fm Ôîñôîð Ôðàíöèé Ôòîð Õëîð Õðîì Öåçèé Ð Fr F Cl Cr Cs 15 87 9 17 24 55 30,97376 223,0197 18,9984 35,453 51,996 132,9054 Öåðèé Öèíê Öèðêîíèé Ýéíøòåéíèé Ýðáèé Íèëüñáîðèé Ýêàâîëüôðàì Ýêàðåíèé Ýêàîñìèé Ýêàèðèäèé Ýêàïëàòèíà Ce Zn Zr Es 58 30 40 99 140,12 65,39 91,22 252,0828 Er (Ns) 68 105 167,26 (262) (EW) 106 (263) (ERe) (EOs) (EIr) 107 108 109 (262) (265) (EPt) 110 Ïåðâîîòêðûâàòåëü è ãîä îòêðûòèÿ Ô.Ìþëëåð, 1782 Ê.Ìîñàíäåð, 1843 Ý.Ñåãðå,Ê.Ïåðüå,1937 Ó.Ãðåãîð, 1790 É.Áåðöåëèóñ, 1828 Ï.Êëåâå, 1879 Èçâåñòåí äî Ð.Õ. Ì.Êëàïðîò, 1789 À.Ãèîðñî,Ñ.Òîìïñîí, Ã.Õèããèíñ, 1952 Õ.Áðàíäò, 1669 Ì.Ïåðåé, 1939 À.Ìóàññàí, 1886 Ê.Øååëå, 1774 Ë.Í.Âîêëåí, 1797 Ð.Áóíçåí,Ã.Êèðõãîô, 1860 Ê.Ìîññàíäåð, 1839 Èçâåñò. ñî ñð.âåêîâ Ì.Êëàïðîò, 1789 À.Ãèîðñî,Ñ.Òîìïñîí, Õ.Õèããèíñ, 1952 Ê.Ìîñàíäåð, 1843 Ã.Í.Ôëåðîâ ñ ñîòð., 1970 Ã.Í.Ôëåðîâ ñ ñîòð., 1974 Ã.Ôëåðîâ,ñîòð.,1976 Îãàíåñÿí,ñîòð.,1984 ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 51 Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû Íîìåíêëàòóðà ãðóïï õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Íàçâàíèå ãðóïïû Ùåëî÷íûå ìåòàëëû Ùåëî÷íîçåìåëüíûå ìåòàëëû Ëàíòàíîèäû Ðåäêîçåìåëüíûå ýëåìåíòû Áëàãîðîäíûå ìåòàëëû Ãàëîãåíû Õàëüêîãåíû Ïíèêòîãåíû Èíåðòíûå ýëåìåíòû èëè áëàãîðîäíûå ãàçû Íåìåòàëëè÷åñêèå ýëåìåíòû Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; Mg, Ca, Sr, Ba, Ra; Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Cd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; Sc, Y, La, ëàíòàíîèäû; Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au; F, Cl, Br, I, At; O, S, Se, Te; N, P, As, Sb, Bi; He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Èíåðòíûå ýëåìåíòû, ãàëîãåíû, õàëüêîãåíû, ïíèêòîãåíû, H, C, Si, Ge è B Îáîçíà÷åíèÿ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ (íà ïðèìåðå êèñëîðîäà O) Ìàññîâîå Çàðÿä ÷èñëî 18 8 Àòîìíûé íîìåð 2 2 ×èñëî àòîìîâ Ýëåìåíòû îáîçíà÷àþòñÿ õèìè÷åñêèìè çíàêàìè, êîòîðûå ñîñòîÿò èç ïåðâîé èëè ïåðâûõ áóêâ ëàòèíñêèõ íàçàâàíèé ýëåìåíòîâ. Õèìè÷åñêèé çíàê îáîçíà÷àåò: 1) íàçâàíèå ýëåìåíòà, 2) 1 àòîì ýëåìåíòà, 3) 1 ìîëü ýëåìåíòà, 4) îòíîñèòåëüíóþ àòîìíóþ ìàññó ýëåìåíòà, 5) àòîìíûé íîìåð. 52 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ðàçìåðû è ìàññû àòîìîâ Ðàäèóñû ÿäåð íåêîòîðûõ àòîìîâ (ñì 10 13 ) 8,50 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 2,50 3,00 2,00 1,00 1,00 0,00 Âîäîðîä Ãåëèé Óðàí Ðàäèóñû íåêîòîðûõ àòîìîâ (ñì 10 1,6 8 ) 1,5 1,4 1,2 1,05 1 0,8 0,53 0,6 0,4 0,2 0 Âîäîðîä Ãåëèé Óðàí Ìàññû íåêîòîðûõ àòîìîâ (êã 10 Óðàí ) 395,00 Æåëåçî 92,80 Àçîò 23,20 Óãëåðîä 19,90 Ãåëèé 27 6,64 Âîäîðîä 1,67 0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 53 Ðàçìåðû è ìàññû ìîëåêóë Ðàçìåðû íåêîòîðûõ ìîëåêóë (ì 10 9 ) Äèàìåòðû ìîëåêóë (ì) õ Å-9 6,40 Ãåìîãëîáèí Õëîð 0,37 Àçîò 0,32 Âîäà 0,30 Êèñëîðîä 0,30 Âîäîðîä 0,25 Ãåëèé 0,20 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 Ìàññû íåêîòîðûõ ìîëåêóë (êã 10 6,00 7,00 ) - 27 Ìàññû ìîëåêóë (êã) õ Å-27 180,00 160,00 140,00 163,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 28,30 29,90 Àììèàê Âîäà 46,40 3,30 Âîäîðä Àçîò Ñåðíàÿ êèñëîòà 54 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè Ó àòîìîâ íà âíåøíåì óðîâíå ìîæåò áûòü îò îäíîãî äî âîñüìè ýëåêòðîíîâ. Åñëè íà âíåøíåì óðîâíå ñîäåðæèòñÿ ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, òî ýòî çàâåðøåííûé óðîâåíü. Òàêèå óðîâíè èìåþò àòîìû èíåðòíûõ ãàçîâ: ó ãåëèÿ íà âíåøíåì óðîâíå 2 ýëåêòðîíà (s2), ó îñòàëüíûõ ïî 8 ýëåêòðîíîâ (s2p6). Îíè õàðàêòåðèçóþòñÿ áîëüøîé ïðî÷íîñòüþ. Àòîìû äðóãèõ ýëåìåíòîâ èìåþò íåçàâåðøåííûå ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè.  ïðîöåññå õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ îíè çàâåðøàþò èõ. Ýòî äîñòèãàåòñÿ îáðàçîâàíèåì îáùèõ ýëåêòðîííûõ ïàð, ïðèñîåäèíåèåì èëè îòäà÷åé ýëåêòðîíîâ, ïîñëå ÷åãî àòîìû ñòàíîâÿòñÿ áîëåå ñòàáèëüíûìè. Àòîìíûå ÿäðà íå èçìåíÿþòñÿ, ïîýòîìó àòîìû îñòàþòñÿ àòîìàìè òîãî æå ýëåìåíòà, êîòîðûé âñòóïèë â ðåàêöèþ. Õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü îñóùåñòâëÿåòñÿ: ó s- è p-ýëåìåíòîâ âíåøíèìè ýëåêòðîíàìè, ó d-ýëåìåíòîâ âíåøíèìè (s) è ïðåäâíåøíèìè d-ýëåêòðîíàìè, ó f-ýëåìåíòîâ s, d è f-ýëåêòðîíàìè. Õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü èìååò ýëåêòðè÷åñêóþ ïðèðîäó. Òèïû õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé: èîííàÿ, êîâàëåíòíàÿ, âîäîðîäíàÿ è ìåòàëëè÷åñêàÿ. Èîííàÿ ñâÿçü Àòîì íàòðèÿ (Na) Èîí íàòðèÿ (Na+ ) Íàòðèé ñòàíîâèòñÿ ñòàáèëüíûì, êîãäà óòðà÷èâàåò ýëåêòðîí 11p 11p ñâîåé âíåøíåé îáî12n 12n ëî÷êè. Õëîð, íà âíåøíåé îáîëî÷êå êîòîðîãî ñåìü ýëåêòðîÀòîì õëîðà (Cl) Èîí õëîðà (Cl ) íîâ, äîëæåí ïðèñîåäèíèòü 1 ýëåêòðîí, ÷òîáû ïîëó÷èëñÿ 17p 17p ñòàáèëüíûé íàáîð èç 18n 18n âîñüìè ýëåêòðîíîâ. Îí ìîæåò ïðèíÿòü 1 ýëåêòðîí ó íàòðèÿ.  ðåçóëüòàòå ïåðåíîñà ýëåêòðîíà îáðàçóþòñÿ ïðîòèâîïîëîæíî çàðÿæåííûå èîíû íàòðèÿ è õëîðà. Îíè ïðèòÿãèâàþòñÿ, îáðàçóÿ êðèñòàëëû õëîðèñòîãî íàòðèÿ ïîâàðåííîé ñîëè NaCl. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 55 Ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè Êîâàëåíòíàÿ ñâÿçü Êîâàëåíòíàÿ ñâÿçü îáðàçóåòñÿ, êîãäà ó äâóõ àòîìîâ âîçíèêàåò îáîáùåííàÿ ïàðà ýëåêòðîíîâ ïî îäíîìó ýëåêòðîíó îò êàæäîãî àòîìà. Åñëè àòîìû îäèíàêîâû, ñâÿçü íåïîëÿðíàÿ. Ìîëåêóëà âîäîðîäà (ïðèìåð íåïîëÿðíîé ñâÿçè) Ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü Ìîäåëü ýëåêòðîííîãî îáëàêà Ïðè âîçíèêíîâåíèè ìåæäó äâóìÿ àòîìàìè îäíîãî è òîãî æå ýëåìåíòà êîâàëåíòíîé ñâÿçè ýòè àòîìû ñ ðàâíîé ñèëîé ïðèòÿãèâàþò îáîáùåñòâëåííóþ ïàðó ýëåêòðîíîâ, òàê ÷òî áîëüøóþ ÷àñòü âðåìåíè ýëåêòðîíû íàõîäÿòñÿ ìåæäó íèìè. Åñëè æå àòîìû ïðèíàäëåæàò ðàçíûì ýëåìåíòàì, òî îäèí èç íèõ ïðèòÿãèâàåò ýëåêòðîíû ñèëüíåå, è îáîáùåííûå ýëåêòðîíû ïî áîëüøåé ÷àñòè íàõîäÿòñÿ âîçëå íåãî. Òàêóþ ñâÿçü íàçûâàþò ïîëÿðíîé. Ìîëåêóëà õëîðèñòîãî âîäîðîäà (ïðèìåð ïîëÿðíîé ñâÿçè) 1p δ+ (âîäîðîä) 17p 18n δ− (õëîð) Ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü δ+ δ− Ìîäåëü ýëåêòðîííîãî îáëàêà  çàâèñèìîñòè îò èõ ïîëÿðíîñòè ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè ìîæíî ðàñïîëîæèòü â íåïðåðûâíûé ðÿä, íà îäíîì êîíöå êîòîðîãî íàõîäÿòñÿ íåïîëÿðíûå (ýëåêòðè÷åñêè ñèììåòðè÷íûå) êîâàëåíòíûå ñâÿçè, à íà äðóãîì êîíöå èîííàÿ ñâÿçü, ðåçêî àñèììåòðè÷íàÿ, ïîñêîëüêó âñåìè ó÷àñòâóþùèìè â åå îáðàçîâàíèè ýëåêòðîíàìè çàâëàäåâàåò îäèí àòîì. Ìåæäó ýòèìè äâóìÿ êðàéíèìè òî÷êàìè íàõîäÿòñÿ ïîëÿðíûå êîâàëåíòíûå ñâÿçè. 56 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè Âîäîðîäíàÿ ñâÿçü Âîäîðîäíàÿ ñâÿçü èãðàåò âàæíóþ ðîëü â æèâûõ îðãàíèçìàõ.  îáðàçîâàíèè ýòîé ñâÿçè ó÷àñòâóåò âîäîðîäíûé àòîì, ñîåäèíåííûé ïîëÿðíîé êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ ñ êàêèì-íèáóäü äðóãèì àòîìîì (îáû÷íî êèñëîðîäîì èëè àçîòîì) òàêèì îáðàçîì, ÷òî âîäîðîä íåñåò ÷àñòè÷íûé ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä. Ýòîò ÷àñòè÷íûé ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä ïðèòÿãèâàåòñÿ òðåòüèì àòîìîì (òàêæå, êàê ïðàâèëî, êèñëîðîäîì èëè àçîòîì), íåñóùèì ÷àñòè÷íûé îòðèöàòåëüíûé çàðÿä. Òàêîå ïðèòÿæåíèå è íàçûâàþò âîäîðîäíîé ñâÿçüþ.  ñðàâíåíèè ñ èîííîé èëè êîâàëåíòíîé îäèíî÷íàÿ âîäîðîäíàÿ ñâÿçü ñëàáàÿ è ëåãêî ðâåòñÿ, íî ìíîæåñòâî òàêèõ ñâÿçåé ïîðîæäàþò ñèëó, íà êîòîðîé «äåðæèòñÿ» âñå æèâîå. Âîäîðîä δ+ Êèñëîðîä δ Âîäîðîä − δ+ Àçîò δ− Âîäîðîäíàÿ ñâÿçü Ìåòàëëè÷åñêàÿ ñâÿçü Àòîìû áîëüøèíñòâà ìåòàëëîâ íà âíåøíåì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå ñîäåðæàò íåáîëüøîå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ è ìíîãî ñâîáîäíûõ îðáèòàëåé, ÷òî ïîçâîëÿåò ýëåêòðîíàì áëèçêî ïîäõîäèòü ê ïîëîæèòåëüíûì ÿäðàì â ëþáîé ÷àñòè êðèñòàëëà. Èç-çà íèçêîé ýíåðãèè èîíèçàöèè ýëåêòðîíû â ìåòàëëå óòðà÷èâàþò ñâÿçü ñ îòäåëüíûìè àòîìàìè, îáðàçóÿ ýëåêòðîííûé ãàç ñîâîêóïíîñòü ñâîáîäíûõ ïîäâèæíûõ ýëåêòðîíîâ. Ïîýòîìó ìåòàëë ýòî ïëîòíî óïàêîâàííàÿ ñòðóêòóðà ïîëîæèòåëüíûõ èîíîâ, ñâÿçàííûõ äðóã ñ äðóãîì ýëåêòðîííûì ãàçîì. Òàêàÿ ñâÿçü è íàçûâàåòñÿ ìåòàëëè÷åñêîé ñâÿçüþ.  îòëè÷èå îò êîâàëåíòíîé ñâÿçè, â êîòîðîé îáîáùåíû ýëåêòðîíû òîëüêî ñîñåäíèõ àòîìîâ, â ìåòàëëè÷åñêîé ñâÿçè â îáîáùåíèè ýëåêòðîíîâ ïðèíèìàþò ó÷àñòèå âñå àòîìû. Èìåííî ïîýòîìó êðèñòàëëû ñ êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ õðóïêè, à ñ ìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòè÷íû. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 57 Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ õèìèè Õèìè÷åñêèé ýëåìåíò ýòî âèä àòîìîâ ñ îäèíàêîâûì ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì ÿäðà. Ïðîñòûå âåùåñòâà ýòî âåùåñòâà, îáðàçîâàííûå èç àòîìîâ îäíîãî ýëåìåíòà (íàïð., æåëåçî èëè àçîò). Ñëîæíûå âåùåñòâà, èëè õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, ýòî âåùåñòâà, îáðàçîâàííûå àòîìàìè ðàçíûõ ýëåìåíòîâ (íàïð., âîäà). Ñâîéñòâà âåùåñòâà îòíîñÿòñÿ ê ñîâîêóïíîñòè àòîìîâ, ñâîéñòâà ýëåìåíòà ê îòäåëüíûì àòîìàì. Ìíîãèå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû îáðàçóþò íåñêîëüêî ïðîñòûõ âåùåñòâ, ðàçëè÷íûõ ïî ñòðîåíèþ è ñâîéñòâàì (íàïð., êèñëîðîä êèñëîðîä è îçîí; óãëåðîä àëìàç, ãðàôèò è êàðáèí). Òàêîå ÿâëåíèå íàçûâàþò àëëîòðîïèåé, à îáðàçîâàâøèåñÿ âåùåñòâà àëëîòðîïíûìè ìîäèôèêàöèÿìè. Îòíîñèòåëüíîé àòîìíîé ìàññîé ýëåìåíòà (Ar ) íàçûâàåòñÿ ìàññà åãî àòîìà, âûðàæåííàÿ â àòîìíûõ åäèíèöàõ ìàññû. Îíà ïîêàçûâàåò âî ñêîëüêî ðàç ìàññà àòîìà äàííîãî ýëåìåíòà áîëüøå 1/12 ìàññû àòîìà èçîòîïà óãëåðîäà 12Ñ (íàïð., äëÿ âîäîðîäà Ar = 1,0079). Îòíîñèòåëüíîé ìîëåêóëÿðíîé ìàññîé Mr âåùåñòâà íàçûâàåòñÿ ìàññà åãî ìîëåêóëû, âûðàæåííàÿ â àòîìíûõ åäèíèöàõ ìàññû. Îíà ïîêàçûâàåò âî ñêîëüêî ðàç ìàññà ìîëåêóëû äàííîãî âåùåñòâà áîëüøå 1/12 ìàññû àòîìà èçîòîïà óãëåðîäà 12Ñ (íàïð., äëÿ âîäû Mr = 18,01534). Ìîëü ýòî êîëè÷åñòâî âåùåñòâà, ñîäåðæàùåå ñòîëüêî ñòðóêòóðíûõ åäèíèö (ìîëåêóë, àòîìîâ, èîíîâ èëè äð.), ñêîëüêî ñîäåðæèòñÿ àòîìîâ â 0,012 êã èçîòîïà óãëåðîäà 12Ñ. ×èñëî ÷àñòèö â 1 ìîëå ëþáîãî âåùåñòâà îäíî è òî æå. Îíî ðàâíî N = 6,021023 1/ìîëü (ïîñòîÿííàÿ Àâîãàäðî). Ìàññó âåùåñòâà, âçÿòîãî â êîëè÷åñòâå 1 ìîëü, íàçûâàþò ìîëÿðíîé ìàññîé. Ñîñòàâ ìîëåêóë ñëîæíûõ âåùåñòâ èçîáðàæàþò ñ ïîìîùüþ õèìè÷åñêèõ ôîðìóë, ïîêàçûâàþùèõ èç êàêèõ ýëåìåíòîâ ñîñòîèò ìîëåêóëà è â êàêèõ ñîîòíîøåíèÿõ íàõîäÿòñÿ ýòè ýëåìåíòû (íàïð., ìîëåêóëà ñåðíîé êèñëîòû H2SO4 ). Õèìè÷åñêèå óðàâíåíèÿ èçîáðàæàþò â âèäå õèìè÷åñêèõ ôîðìóë è çíàêîâ.  ëåâîé ÷àñòè óðàâíåíèÿ ôîðìóëû âåùåñòâ, âñòóïàþùèõ â ðåàêöèþ, â ïðàâîé ôîðìóëû âåùåñòâ, îáðàçóþùèõñÿ â ðåçóëüòàòå ðåàêöèè. 58 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ñîåäèíåíèÿ è èõ ôîðìóëû Ñîåäèíåíèåì íàçûâàþò âåùåñòâî, â êîòîðîì ñ ïîìîùüþ ñâÿçåé àòîìû äâóõ èëè íåñêîëüêèõ ýëåìåíòîâ îáúåäèíåíû â îïðåäåëåííîì ñîîòíîøåíèè. Ñîñòàâ ñîåäèíåíèé èçîáðàæàåòñÿ â âèäå õèìè÷åñêèõ ôîðìóë: ýìïèðè÷åñêèõ, ýëåêòðîííûõ è ñòðóêòóðíûõ. êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåì ôîðìóëû ìîëåêóë âîäû, àììèàêà è ìåòàíà. Ýìïèðè÷åñêèå ôîðìóëû: H2O NH3 CH4 Ýìïèðè÷åñêèå èëè ìîëåêóëÿðíûå ôîðìóëû îòîáðàæàþò òîëüêî ñîñòàâ ìîëåêóë: âèä è ÷èñëî àòîìîâ â ìîëåêóëå. Ýëåêòðîííûå ôîðìóëû: H OH HNH H H H C H H Ýëåêòðîííûå ôîðìóëû ñîñòîÿò èç ñèìâîëîâ ýëåìåíòîâ, âîêðóã êîòîðûõ òî÷êàìè îáîçíà÷åíû âíåøíèå ýëåêòðîíû, à ìåæäó àòîìàìè ñâÿçóþùèå ýëåêòðîííûå ïàðû. Îíè èçîáðàæàþò ïîðÿäîê ñîåäèíåíèÿ àòîìîâ â ìîëåêóëå. Ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû: H H O H H N H H H C H H Ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû, èëè ôîðìóëû ñòðîåíèÿ, ýòî ôîðìóëû, ãäå êàæäàÿ ñâÿçóþùàÿ ïàðà ýëåêòðîíîâ îáîçíà÷àåòñÿ øòðèõîì. Îíè èçîáðàæàþò ïîðÿäîê ñîåäèíåíèÿ àòîìîâ â ìîëåêóëå è èõ âçàèìîñâÿçü. Âàëåíòíîñòü Ýëåêòðîíû, êîòîðûå ó÷àñòâóþò â îáðàçîâàíèèè õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé ìåæäó àòîìàìè, íàçûâàþò âàëåíòíûìè. Ó õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ îáùåå ÷èñëî âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ, êàê ïðàâèëî, ðàâíî íîìåðó ãðóïïû ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû Ä.È.Ìåíäåëååâà. Âàëåíòíîñòü îïðåäåëÿþò êàê ÷èñëî àòîìîâ îäíîâàëåíòíîãî ýëåìåíòà, ñ êîòîðûìè ñîåäèíÿåòñÿ îäèí àòîì äàííîãî ýëåìåíòà. Òàê â ñîëÿíîé êèñëîòå HCl õëîð îäíîâàëåíòåí, â âîäå H 2O êèñëîðîä äâóõâàëåíòåí, â àììèàêå NH3 àçîò òðåõâàëåíòåí, â ìåòàíå CH4 óãëåðîä ÷åòûðåõâàëåíòåí. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 59 Õèìè÷åñêèå ðåàêöèè Ìîëåêóëû íàõîäÿòñÿ â íåïðåðûâíîì äâèæåíèè è ñòàëêèâàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì. Ñèëüíîå ñîóäàðåíèå âûñâîáîæäàåò ýíåðãèþ, äîñòàòî÷íóþ äëÿ ïåðåãðóïïèðîâêè ýëåêòðîíîâ â äâóõ ñòîëêíóâøèõñÿ ìîëåêóëàõ è îáðàçîâàíèÿ íîâûõ ñâÿçåé, ò.å. íîâûõ ñîåäèíåíèé. Ýòî ÿâëåíèå è íàçûâàþò õèìè÷åñêîé ðåàêöèåé. Ðåàêöèè çàïèñûâàþò â âèäå óðàâíåíèé.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåì óðàâíåíèå ãîðåíèÿ ìåòàíà: CH4 + 2 O2 ® CO2 + 2 H2O  ýòîì óðàâíåíèè èñõîäíûå âåùåñòâà (ìåòàí è êèñëîðîä) óêàçàíû ñëåâà, à ïðîäóêòû ðåàêöèè (äâóîêèñü óãëåðîäà è âîäà) ñïðàâà, ïîñëå ñòðåëêè. Ñòðåëêà â óðàâíåíèè îáðàùåíà â ñòîðîíó áîëåå íèçêîé ñóììàðíîé ýíåðãèè ñâÿçåé, ò.å óêàçûâàåò íàïðàâëåíèå ðåàêöèè. Ñêîðîñòü õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé Êîíöåíòðàöèÿ, C Ïîä ñêîðîñòüþ õèìè÷åñêîé ðåàêöèè ïîíèìàþò èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè îäíîãî èç ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ â åäèíèöó âðåìåíè ïðè íåèçìåííîì îáúåìå ñèñòåìû. Äëÿ ðåàêöèè, ïðîòåêàþùåé ïî óðàâíåíèþ A + B = C + D ïî ìåðå ðàñõîäîâàíèÿ âåùåñòâà À ñêîðîñòü ðåàêöèè áóäåò óìåíüøàòüñÿ: Ñêîðîñòü ðåàêöèè ýòî èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè Ñ2 Ñ1 äëÿ îïðåäåëåííîãî ïðîìåæóòêà âðåìåíè t2 t1: C 2 - C1 DC =t 2 - t1 Dt Íà ñêîðîñòü ðåàêöèè âëèÿþò: êîíöåíòðàöèè ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ, òåìïåðàòóðà è ýíåðãèÿ àêòèâàöèè, ò.å. ýíåðãèÿ, êîòîðóþ íàäî ñîîáùèòü ìîëåêóëàì äëÿ òîãî, ÷òîáû îíè âñòóïèëè â ðåàêöèþ; â íåêîòîðûõ ðåàêöèÿõ ïðèñóòñòâèå êàòàëèçàòîðà. V =- 60 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Õèìè÷åñêèå ðåàêöèè Íåîáðàòèìûå è îáðàòèìûå ðåàêöèè Íåîáðàòèìûìè íàçûâàþò ðåàêöèè, êîòîðûå ïðîòåêàþò òîëüêî â îäíîì íàïðàâëåíèè è çàâåðøàþòñÿ ïîëíûì ïðåâðàùåíèåì èñõîäíûõ ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ â êîíå÷íûå âåùåñòâà. Ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ ðàçëîæåíèå áåðòîëåòîâîé ñîëè ïðè íàãðåâàíèè: 2KClO3 = 2KCl + 3O2 Îáðàòèìûìè íàçûâàþò ðåàêöèè, êîòîðûå ïðîòåêàþò îäíîâðåìåííî â äâóõ âçàèìíî ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ. Ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ ñèíòåç àììèàêà èç âîäîðîäà è àçîòà ñ âûäåëåíèå òåïëîòû: 3H2 + N2 - 2NH3 +H = 46,2 êÄæ/ìîëü Õèìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå Îáðàòèìûå ðåàêöèè íå äîõîäÿò äî êîíöà è çàêàí÷èâàþòñÿ óñòàíîâëåíèåì õèìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, êàê íàïðèìåð, â ðåàêöèè ñèíòåçà àììèàêà ðàâíîâåñèå íàñòóïàåò òîãäà, êîãäà â åäèíèöó âðåìåíè áóäåò îáðàçîâûâàòüñÿ ñòîëüêî æå ìîëåêóë àììèàêà, ñêîëüêî èõ áóäåò ðàñïàäàòüñÿ íà ìîëåêóëû âîäîðîäà è àçîòà. Õèìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå ýòî òàêîå ñîñòîÿíèå ñèñòåìû ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ, êîãäà ñêîðîñòè ïðÿìîé è îáðàòíîé ðåàêöèé ðàâíû ìåæäó ñîáîé. Ñîñòîÿíèå ðàâíîâåñèÿ çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèé ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ, òåìïåðàòóðû è äëÿ ãàçîâ äàâëåíèÿ. Ïðè èçìåíåíèè ýòèõ ïàðàìåòðîâ ïðîèñõîäèò ñìåùåíèå õèìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ. Ïðèíöèï Ëå Øàòåëüå Íàïðàâëåíèå ñìåùåíèÿ õèìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïðèíöèïîì ïîäâèæíîãî ðàâíîâåñèÿ, èçâåñòíîãî êàê ïðèíöèï Ëå Øàòåëüå: åñëè íà ñèñòåìó, íàõîäÿùóþñÿ â ðàâíîâåñèè, ïðîèçâîäèòñÿ êàêîå-ëèáî âîçäåéñòâèå (èçìåíÿåòñÿ êîíöåíòðàöèÿ, òåìïåðàòóðà èëè äàâëåíèå), òî îíî ïðåïÿòñòâóåò ïðîòåêàíèþ òîé èç äâóõ ïðîòèâîïîëîæíûõ ðåàêöèé, êîòîðàÿ îñëàáëÿåò ýòî âîçäåéñòâèå. Êàê ïðèìåð, - ðåàêöèÿ ñèíòåçà àììèàêà: åñëè âíåøíåå âîçäåéñòâèå âûðàçèòñÿ â óâåëè÷åíèè êîíöåíòðàöèè àçîòà èëè âîäîðîäà, òî äëÿ óìåíüøåíèÿ èõ êîíöåíòðàöèè íàïðàâëåíèå ðåàêöèè ñìåñòèòñÿ âïðàâî, ê îáðàçîâàíèþ àììèàêà. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 61 Ñòåõèîìåòðè÷åñêèå çàêîíû Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìàññû Ìàññà âåùåñòâ, âñòóïàþùèõ â ðåàêöèþ ðàâíà ìàññå âåùåñòâ, îáðàçóþùèõñÿ â ðåçóëüòàòå ðåàêöèè. Çàêîí ïîñòîÿíñòâà ñîñòàâà Âñÿêîå ÷èñòîå âåùåñòâî ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðû íåçàâèñèìî îò ñïîñîáîâ åãî ïîëó÷åíèÿ âñåãäà èìååò ïîñòîÿííûé êà÷åñòâåííûé è êîëè÷åñòâåííûé ñîñòàâ (íàïð., âîäà âñåãäà ñîñòîèò èç âîäîðîäà è êèñëîðîäà â ñîîòíîøåíèè 11,19% âîäîðîäà è 88,81% êèñëîðîäà). Çàêîí ýêâèâàëåíòîâ Ýëåìåíòû âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì â ñòðîãî îïðåäåëåííûõ êîëè÷åñòâåííûõ îòíîøåíèÿõ. Õèìè÷åñêèì ýêâèâàëåíòîì ýëåìåíòà íàçûâàåòñÿ òàêîå åãî êîëè÷åñòâî, êîòîðîå ñîåäèíÿåòñÿ ñ 1 ìîëü àòîìîâ âîäîðîäà èëè çàìåùàåò òî æå êîëè÷åñòâî àòîìîâ âîäîðîäà â õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ. Ýêâèâàëåíòíàÿ ìàññà (Ý) ýòî ìàññà 1 ýêâèâàëåíòà (ã/ìîëü) âåùåñòâà (íàïð., 1 ýêâèâàëåíò õëîðà ðàâåí 35,453 ã/ìîëü). Ñîîòíîøåíèå ìåæäó ýêâèâàëåíòíîé ìàññîé Ý, ìîëÿðíîé ìàññîé àòîìîâ À è ñòåõèîìåòðè÷åñêîé âàëåíòíîñòüþ ýëåìåíòà Â: Ý = À/Â. Âåùåñòâà âçàèìîäåéñòâóþò ìåæäó ñîáîé â êîëè÷åñòâàõ, ïðîïîðöèîíàëüíûõ èõ õèìè÷åñêèì ýêâèâàëåíòàì. Çàêîí êðàòíûõ îòíîøåíèé Åñëè äâà ýëåìåíòà ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðû îáðàçóþò ìåæäó ñîáîé íåñêîëüêî ñîåäèíåíèé, òî ìàññîâûå êîëè÷åñòâà îäíîãî ýëåìåíòà, ñîåäèíÿþùèåñÿ ñ îäíèì è òåì æå ìàññîâûì êîëè÷åñòâîì äðóãîãî ýëåìåíòà, îòíîñÿòñÿ ìåæäó ñîáîé êàê íåáîëüøèå öåëûå ÷èñëà (íàïð., äëÿ N2O, NO, N2O3 , NO2 , N2O5 êîëè÷åñòâà êèñëîðîäà, ïðèõîäÿùåãîñÿ íà îäíî è òî æå êîëè÷åñòâî àçîòà îòíîñÿòñÿ ìåæäó ñîáîé êàê 1 : 2 : 3 : 4 : 5). Çàêîí ïðîñòûõ îáúåìíûõ îòíîøåíèé Îáúåìû âñòóïàþùèõ â ðåàêöèþ ãàçîâ (ïðè îäèíàêîâûõ äëÿ íèõ òåìïåðàòóðàõ è äàâëåíèÿõ) îòíîñÿòñÿ äðóã ê äðóãó, à òàêæå ê îáúåìàì ïîëó÷àþùèõñÿ ãàçîîáðàçíûõ ïðîäóêòîâ êàê íåáîëüøèå öåëûå ÷èñëà. 62 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ðàñòâîðû Ðàñòâîðû ýòî îäíîðîäíûå ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç äâóõ è áîëåå êîìïîíåíòîâ è ïðîäóêòîâ èõ âçàèìîäåéñòâèÿ. Ïî àãðåãàòíîìó ñîñòîÿíèþ ðàñòâîðû áûâàþò æèäêèå (íàïð., ðàñòâîðû ñîëåé â âîäå), òâåðäûå (íàïð., ñïëàâ íèêåëÿ è ìåäè) è ãàçîîáðàçíûå (íàïð., âîçäóõ). Êîíöåíòðàöèåé ðàñòâîðà íàçûâàþò êîëè÷åñòâî ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà, ñîäåðæàùåãîñÿ â îïðåäåëåííîì êîëè÷åñòâå ðàñòâîðà èëè ðàñòâîðèòåëÿ. Êîíöåíòðèðîâàííûé ðàñòâîð ñîäåðæèò òàêîå êîëè÷åñòâî ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà, êîòîðîå ñðàâíèìî ñ êîëè÷åñòâîì ðàñòâîðèòåëÿ. Ðàçáàâëåííûé ðàñòâîð ñîäåðæèò î÷åíü ìàëîå êîëè÷åñòâî ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàñòâîðèòåëåì. Ïðîöåíòíàÿ êîíöåíòðàöèÿ (ïî ìàññå) âûðàæàåòñÿ ÷èñëîì ãðàììîâ ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà â 100 ãðàììàõ ðàñòâîðà. Ìîëÿðíàÿ êîíöåíòðàöèÿ âûðàæàåòñÿ ÷èñëîì ìîëåé ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà â 1 ëèòðå ðàñòâîðà. Íîðìàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ âûðàæàåòñÿ ÷èñëîì ýêâèâàëåíòîâ âåùåñòâà, ñîäåðæàùåãîñÿ â 1 ëèòðå ðàñòâîðà. Ðàñòâîð, â îäíîì ëèòðå êîòîðîãî ñîäåðæèòñÿ 1 ýêâèâàëåíò (ýêâ) âåùåñòâà, íàçûâàåòñÿ íîðìàëüíûì. Ðàñòâîðèìîñòü âåùåñòâ â âîäå Ñâîéñòâà âîäû îïðåäåëÿþòñÿ ñòðóêòóðîé åå ìîëåêóë.  ìîëåêóëå âîäû àòîì êèñëîðîäà êîâàëåíòíî ñâÿçàí ñ äâóìÿ âîäîðîäíûìè àòîìàìè òàê, ÷òî ìîëåêóëà âîäû ïîëÿðíà: δ− 1p 8p 8n Óãîë ìåæäó ñâÿçÿìè 105° δ− Âîäîðîä 1p δ+ Êèñëîðîä Âîäîðîä Ìîëåêóëû âîäû ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé âîäîðîäíûìè ñâÿçÿìè, êîòîðûå áûñòðî îáðàçóþòñÿ è òàêæå áûñòðî ðàçðóøàþòñÿ â ðåçóëüòàòå ñîóäàðåíèÿ ìîëåêóë. Áëàãîäàðÿ ñâîåé ïîëÿðíîé ïðèðîäå âîäà îáëàäàåò ñïîñîáíîñòüþ ðàñòâîðÿòü èîííûå âåùåñòâà è äðóãèå ïîëÿðíûå ñîåäèíåíèÿ.  âîäå ðàñòâîðÿåòñÿ áîëüøå âåùåñòâ, ÷åì â ëþáîé äðóãîé æèäêîñòè.  âîäå ìîãóò ðàñòâîðÿòüñÿ òâåðäûå, æèäêèå è ãàçîîáðàçíûå âåùåñòâà. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 63 Äèññîöèàöèÿ Ìíîãèå âåùåñòâà ïðè ðàñòâîðåíèè â âîäå ðàñïàäàþòñÿ íà èîíû, ò.å. äèññîöèèðóþò. Êèñëîòà ýòî âåùåñòâî, äèññîöèèðóþùåå â âîäå ñ îáðàçîâàíèåì èîíîâ âîäîðîäà Í + (íàïð., ñîëÿíàÿ êèñëîòà H+ Cl ). Îñíîâàíèå (â ñëó÷àå ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ ùåëî÷ü) ýòî âåùåñòâî, âûäåëÿþùåå â âîäó ãèäðîêñèë-èîíû (ÎÍ ) èëè îáëàäàþùåå ñïîñîáíîñòüþ ïðèñîåäèíÿòü â ðàñòâîðå èîíû âîäîðîäà (íàïð., Na+ OH ). Ñîëü ýòî âåùåñòâî, íå îáðàçóþùåå ïðè äèññîöèàöèè íè èîíîâ âîäîðîäà, íè ãèäðîêñèë-èîíîâ (íàïð., ïîâàðåííàÿ ñîëü Na+ Cl ). Êèñëîòíîñòü èëè ùåëî÷íîñòü ðàñòâîðà õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîêàçàòåëåì, èçâåñòíûì êàê pH. Øêàëà ðÍ îõâàòûâàåò çíà÷åíèÿ îò 0 äî 14. Íåéòðàëüíîé ðåàêöèè (íè êèñëîòíîé, íè ùåëî÷íîé) ñîîòâåòñòâóåò ðÍ 7. Ìåíüøå ðÍ 7 êèñëûå çíà÷åíèÿ, áîëüøå ùåëî÷íûå. ×èñòàÿ âîäà íåéòðàëüíà. Âîçðàñòàíèå êèñëîòíîñòè Íåéòðàëüíàÿ ñðåäà Æåëóäî÷íûé ñîê Ëèìîííûé ñîê Óêñóñ Òîìàòíûé ñîê ×åðíûé êîôå Äîæäåâàÿ âîäà Ñëþíà ÷åëîâåêà Êðîâü Ìîðñêàÿ âîäà Âîäà èç Ñîëåíîãî îçåðà Æèäêîå ìûëî Âîçðàñòàíèå ùåëî÷íîñòè Øêàëà ðÍ ýòî ëîãàðèôìè÷åñêàÿ øêàëà, íà êîòîðîé îòëîæåíû ëîãàðèôìû êîíöåíòðàöèè âîäîðîäíûõ èîíîâ (íàïð., ðàñòâîð ñ ðÍ 5 ñîäåðæèò 105 ìîëü Í + íà 1 ëèòð). Ïîñêîëüêó øêàëà ëîãàðèôìè÷åñêàÿ, òî êèñëîòíîñòü ðàñòâîðà, íàïðèìåð, ñ ðÍ 5 â 10 ðàç áîëüøå, ÷åì ðàñòâîðà ñ ðÍ 6 è â 100 ðàç áîëüøå, ÷åì ðàñòâîðà ñ ðÍ 7. 64 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Äèññîöèàöèÿ Ëåã÷å âñåãî äèññîöèèðóþò âåùåñòâà ñ èîííîé ñâÿçüþ. Ïðè èõ ðàñòâîðåíèè äèïîëè âîäû îðèåíòèðóþòñÿ âîêðóã ïîëîæèòåëüíîãî è îòðèöàòåëüíîãî èîíîâ. Ìåæäó èîíàìè è äèïîëÿìè âîäû âîçíèêàþò ñèëû âçàèìíîãî ïðèòÿæåíèÿ.  ðåçóëüòàòå ñâÿçü ìåæäó èîíàìè îñëàáåâàåò, è ïðîèñõîäèò ïåðåõîä èîíîâ èç êðèñòàëëà â ðàñòâîð. Ïðè ýòîì îáðàçóþòñÿ ãèäðàòèðîâàííûå èîíû, õèìè÷åñêè ñâÿçàííûå ñ ìîëåêóëàìè âîäû: Cl Na Na Cl Cl Na Na Cl Àíàëîãè÷íî äèññîöèèðóþò è ìîëåêóëû, îáðàçîâàííûå ïî òèïó ïîëÿðíîé êîâàëåíòíîé ñâÿçè. Çäåñü òàêæå âîêðóã êàæäîé ïîëÿðíîé ìîëåêóëû âåùåñòâà îðèåíòèðóþòñÿ äèïîëè âîäû.  ðåçóëüòàòå ýòîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîèñõîäèò ñìåùåíèå ýëåêòðîííîé ïàðû (îáëàêà), è ïîëÿðíàÿ ìîëåêóëà ïðåâðàùàåòñÿ â èîííóþ: Ýëåêòðîëèòû Âåùåñòâà, ðàñòâîðû èëè ðàñïëàâû êîòîðûõ ïðîâîäÿò ýëåêòðè÷åñêèé òîê, íàçûâàþòñÿ ýëåêòðîëèòàìè. Ê ýëåêòðîëèòàì îòíîñÿòñÿ êèñëîòû, îñíîâàíèÿ è ïî÷òè âñå ñîëè, ê íåýëåêòðîëèòàì áîëüøèíñòâî îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Ýëåêòðîëèòè÷åñêàÿ äèññîöèàöèÿ îáðàòèìûé ïðîöåññ è õàðàêòåðèçóåòñÿ ñòåïåíüþ ýëåêòðîëèòè÷åñêîé äèññîöèàöèè: α = n/N, ãäå α ýòî îòíîøåíèå ÷èñëà ðàñïàâøèõñÿ íà èîíû ìîëåêóë n ê îáùåìó ÷èñëó ðàñòâîðåííûõ ìîëåêóë N. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 65 Íåîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ Êëàññû íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé: îêñèäû, êèñëîòû, îñíîâàíèÿ è ñîëè. Ñâÿçü êëàññîâ íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé Ìåòàëë Îñíîâíîé îêñèä Îñíîâàíèå Íåìåòàëë Êèñëîòíûé îêñèä Êèñëîòà Ñîëü Îêñèäû Îêñèäàìè íàçûâàþòñÿ ñëîæíûå âåùåñòâà, ñîñòîÿùèå èç äâóõ ýëåìåíòîâ, îäèí èç êîòîðûõ êèñëîðîä. Åñëè ýëåìåíò îáðàçóåò íåñêîëüêî îêñèäîâ, òî ïîñëå íàçâàíèÿ â ñêîáêàõ ðèìñêîé öèôðîé óêàçûâàåòñÿ ñòåïåíü îêèñëåíèÿ, íàïð., FeO îêñèä æåëåçà (II), Fe2O3 îêñèä æåëåçà (III). Îñíîâíûå îêñèäû ýòî òàêèå îêñèäû, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò îñíîâàíèÿ, íàïð., îêñèäó Na2O ñîîòâåòñòâóåò NaOH. Îñíîâíûå îêñèäû îáðàçóþòñÿ òîëüêî ìåòàëëàìè. Îñíîâíûå îêñèäû ùåëî÷íûõ è ùåëî÷íîçåìåëüíûõ ìåòàëëîâ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ âîäîé îáðàçóþò îñíîâàíèÿ, íàïð.: Na2O + H2O = 2NaOH Êèñëîòíûå îêñèäû (èëè àíãèäðèäû êèñëîò) ýòî òàêèå îêñèäû, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò êèñëîòû, íàïð., îêñèäó SO3 ñîîòâåòñòâóåò êèñëîòà H2SO4. Êèñëîòíûå îêñèäû îáðàçóþòñÿ íåìåòàëëàìè è íåêîòîðûìè ìåòàëëàìè, ïðîÿâëÿþùèìè áîëüøóþ ñòåïåíü îêèñëåíèÿ. Áîëüøèíñòâî êèñëîòíûõ îêñèäîâ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ âîäîé îáðàçóþò êèñëîòû, íàïð,: SO3 + H2O = H2SO4 Àìôîòåðíûå îêñèäû ýòî òàêèå îêñèäû, êîòîðûå â çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé ïðîÿâëÿþò îñíîâíûå è êèñëîòíûå ñâîéñòâà. Ê íèì îíîíîñÿòñÿ íåêîòîðûå îêñèäû ìåòàëëîâ: ZnO, Al2O3, Cr2O3 è äð. Àìôîòåðíûå îêñèäû ñ âîäîé íå âçàèìîäåéñòâóþò, íî ðåàãèðóþò è ñ êèñëîòàìè, è ñ îñíîâàíèÿìè, ïðè ýòîì îáðàçóåòñÿ ñîëü è âîäà, íàïð.: FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O SO3 + 2NaOH = Na2 SO4 + H2O Âçàèìîäåéñòâèå îñíîâíûõ è êèñëîòíûõ îêñèäîâ ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ ñîëåé, íàïð.: CaO + CO2 = CaCO3 66 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Íåîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ Êèñëîòû è èõ ñîëè Êèñëîòà Ôîðìóëà Àçîòèñòàÿ Àçîòíàÿ Áðîìèñòîâîäîðîäíàÿ Äèõðîìîâàÿ Èîäèñòîâîäîðîäíàÿ Ìàðãàíöåâàÿ (VII ) (ïåðìàíãàíàòíàÿ) HNO2 HNO3 HBr H2CrO7 HJ HMnO4 Ìåòàôîñôîðíàÿ (HPO3 )n Ìåòàêðåìíèâàåâàÿ (H2SiO3 )n Îðòîêðåìíèâàåìàÿ Ñåðíàÿ Ñåðíèñòàÿ Ñåðîâîäîðîäíàÿ Ñîëÿíàÿ Òèîöèàíîâàÿ H4SiO4 H2SO4 H2SO3 H2S HCl HSCN Óãîëüíàÿ Ôîñôîðíàÿ Ôòîðèñòîâîäîðîäíàÿ Õðîìîâàÿ Õëîðíîâàòàÿ Õëîðíîâàòèñòàÿ H2CO3 H3PO4 HF H2CrO4 HClO3 HClO Ñîëü (íàçâàíèå - ïðèìåð) Íèòðèò êàëèÿ KNO2 Íèòðàò íàòðèÿ NaNO3 Áðîìèä íàòðèÿ NaBr Äèõðîìàò êàëèÿ K2Cr2O7 Èîäèä êàëèÿ KJ Êàëèÿ ìàíãàíàò (VII) (ïåðìàíãàíàò êàëèÿ) KMnO4 Ìåòàôîñôàò êàëèÿ (KPO3 )n Ìåòàñèëèêàò íàòðèÿ (Na2SiO3 )n Ñèëèêàò íàòðèÿ Na4SiO4 Ñóëüôàò ìåäè CuSO4 Ñóëüôèò êàëüöèÿ CaSO3 Ñóëüôèä íàòðèÿ Na2S Õëîðèä êàëüöèÿ CaCl2 Òèîöèàíàò àììîíèÿ NH4SCN Êàðáîíàò êàëüöèÿ CaCO3 Ôîñôàò êàëüöèÿ Ca3(PO4)2 Ôòîðèä êàëèÿ KF Õðîìàò êàëèÿ K2CrO4 Õëîðàò êàëèÿ KClO3 Ãèïîõëîðèò íàòðèÿ NaClO Âàæíåéøèå õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà êèñëîò âçàèìîäåéñòâèå ñ ìåòàëëàìè, îñíîâíûìè îêñèäàìè, îñíîâàíèÿìè è ñîëÿìè. Îñíîâàíèÿ Âàæíåéøèå õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà îñíîâàíèé: 1. âçàèìîäåéñòâèå ñ êèñëîòàìè ñ îáðàçîâàíèåì ñîëè è âîäû. 2. Âçàèìîäåéñòâèå ùåëî÷åé ñ êèñëîòíûìè îêñèäàìè ñ îáðàçîâàíèåì ñîëè è âîäû. 3. Âçàèìîäåéñòâèå ùåëî÷åé ñ ðàñòâîðàìè ðàçëè÷íûõ ñîëåé. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 67 Îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ Óãëåðîäíûå öåïè Æèçíü ýòî âñåâîçìîæíûå ïðåâðàùåíèÿ ìíîæåñòâà ðàçíîîáðàçíûõ êðóïíûõ ìîëåêóë, ãëàâíûì ýëåìåíòîì â êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ óãëåðîä. Êîãäà-òî ñ÷èòàëîñü, ÷òî òàêèå ìîëåêóëû îáðàçóþòñÿ òîëüêî â æèâûõ îðãàíèçìàõ, ïîýòîìó èõ è íàçûâàþò îðãàíè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè. Ñâîéñòâà àòîìîâ óãëåðîäà óíèêàëüíû äëÿ æèçíè. Îäèí óãëåðîäíûé àòîì ñïîñîáåí îáðàçîâàòü ÷åòûðå êîâàëåíòíûå ñâÿçè, à áîëüøîå ÷èñëî òàêèõ àòîìîâ ìîæåò îáúåäèíÿòüñÿ â äëèííûå öåïè, ó êîòîðûõ åñòü è áîëåå êîðîòêèå óãëåðîäíûå öåïî÷êè. Ýòè óãëåðîäíûå öåïè è ñîñòàâëÿþò «ñêåëåò» îðãàíè÷åñêèõ ìîëåêóë: Íåðàçâåòâëåííàÿ öåïü C C C C C Ðàçâåòâëåííàÿ öåïü C C C C C C C Öåïü ñ äâîéíîé ñâÿçüþ C Ùåñòèóãëåðîäíîå êîëüöî C C C Ùåñòèóãëåðîäíîå êîëüöî ñ äâîéíûìè ñâÿçÿìè C C C C C C C C C C C C 68 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ Ïðåäåëüíûå (íàñûùåííûå) óãëåâîäîðîäû Ïðåäåëüíûìè íàçûâàþòñÿ óãëåâîäîðîäû, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ àòîìû óãëåðîäà ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé îäèíàðíîé ñâÿçüþ, à âñå îñòàëüíûå âàëåíòíîñòè íàñûùåíû àòîìàìè âîäîðîäà. Èõ íàçûâàþò òàêæå ïàðàôèíàìè èëè àëêàíàìè. Îíè îáðàçóþò ðÿä ñîåäèíåíèé, îòëè÷àþùèõñÿ ãðóïïàìè CH2. Èñõîäíûé óãëåâîäîðîä ðÿäà ìåòàí ÑÍ4 , äàëåå ñëåäóþò ýòàí Ñ2Í6 , ïðîïàí Ñ3Í8 , áóòàí Ñ4Í10 è ò.ä. Îáùàÿ ôîðìóëà ïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ: ÑnÍ2n+2 . Íåïðåäåëüíûå óãëåâîäîðîäû Íåïðåäåëüíûìè íàçûâàþòñÿ óãëåâîäîðîäû, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ èìåþòñÿ àòîìû óãëåðîäà, ñâÿçàííûå ìåæäó ñîáîé äâîéíûìè èëè òðîéíûìè ñâÿçÿìè. Èõ òàêæå íàçûâàþò íåíàñûùåííûìè. Ïåðâûìè ïðåäñòàâèòåëÿìè ðÿäà íåíàñûùåííûõ óãëåâîäîðîäîâ ÿâëÿþòñÿ: Ýòèëåí (ñ äâîéíîé ñâÿçüþ) Àöèòèëåí (ñ òðîéíîé ñâÿçüþ) H H C H H C C C H H Îáùàÿ ôîðìóëà íåïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ: ÑnÍ2n. Óãëåâîäîðîäû, ñîäåðæàùèå â óãëåðîäíîé öåïè äâå äâîéíûå ñâÿçè, íàçûâàþòñÿ äèåíîâûìè. Èõ îáùàÿ ôîðìóëà: ÑnÍ2n2 . Àðîìàòè÷åñêèå óãëåâîäîðîäû Àðîìàòè÷åñêèìè íàçûâàþòñÿ óãëåâîäîðîäû, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæàòñÿ îäíî èëè íåñêîëüêî áåíçîëüíûõ ÿäåð. Ïðîñòåéøèé ïðåäñòàâèòåëü ýòîãî ðÿäà áåíçîë Ñ6Í6 : CH HC CH HC CH CH Îáùàÿ ôîðìóëà ðÿäà áåíçîëà: ÑnÍ2n6 ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 69 Îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ Êèñëîðîäîñîäåðæàùèå ñîåäèíåíèÿ Ñïèðòû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæèòñÿ îäíà èëè íåñêîëüêî ãèäðîêñèëüíûõ ãðóïï, ñîåäèíåííûõ ñ óãëåâîäîðîäíûì ðàäèêàëîì R. Ôîðìóëà ðÿäà îäíîàòîìíûõ ñïèðòîâ: ÑnÍ2n+1OH (èëè ROH). Ïðèìåðû ÑÍ3ÎÍ ìåòèëîâûé ñïèðò, Ñ2Í5ÎÍ ýòèëîâûé ñïèðò. Ôîðìóëà äâóõàòîìíûõ ñïèðòîâ (ãëèêîëåé) ÑnÍ2n(ÎÍ)2. Ïðèìåð ýòèëåíãëèêîëü ÑÍ2ÎÍÑÍ2ÎÍ. Ïðåäñòàâèòåëü òðåõàòîìíûõ ñïèðòîâ ãëèöåðèí: ÑÍ2ÎÍÑÍÎÍÑÍ2ÎÍ. Ôåíîëû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ãèäðîêñèëüíûå ãðóïïû ñâÿçàíû ñ áåíçîëüíûì êîëüöîì. Ïðèìåð ïðîñòåéøåãî ôåíîëà êàðáîëîâàÿ êèñëîòà Ñ6Í5ÎÍ. Àëüäåãèäû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæèòñÿ ôóíêöèîíàëüíàÿ àëüäåãèäíàÿ ãðóïïà: O C H Êåòîíû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæèòñÿ ôóíêöèîíàëüíàÿ êàðáîíèëüíàÿ ãðóïïà, ñâÿçàííàÿ ñ äâóìÿ óãëåâîäîðîäíûìè ðàäèêàëàìè: C O Êàðáîíîâûå êèñëîòû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæèòñÿ ôóíêöèîíàëüíàÿ êàðáîíèëüíàÿ ãðóïïà: O C OH Ïðè âçàèìîäåéñòâèè êàðáîíîâûõ êèñëîò ñî ñïèðòàìè îáðàçóþòñÿ ñëîæíûå ýôèðû. Æèðû ýòî ñëîæíûå ýôèðû ãëèöåðèíà è âûñøèõ îäíîîñíîâíûõ æèðíûõ êèñëîò. Ìûëà ýòî ñîëè âûñøèõ êàðáîíîâûõ (æèðíûõ) êèñëîò. Óãëåâîäû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, îáùàÿ ôîðìóëà êîòîðûõ: Ñn (Í2Î)m. Ïðèìåð: Ñ6Í12Î6 ãëþêîçà. 70 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ Àçîòîñîäåðæàùèå ñîåäèíåíèÿ Íèòðîñîåäèíåíèÿ ýòî îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæèòñÿ íèòðîãðóïïà NO2 ïðè àòîìå óãëåðîäà. Îáùàÿ ôîðìóëà ýòèõ ñîåäèíåíèé RNO2 . Àìèíû ýòî ïðîèçâîäíûå àììèàêà, â êîòîðûõ îäèí, äâà èëè âñå òðè àòîìà âîäîðîäà çàìåùåíû îðãàíè÷åñêèìè ðàäèêàëàìè: H N H R H N H R H N N R R R R H Òðåòè÷íûé Ïåðâè÷íûé Âòîðè÷íûé àìèí àìèí àìèí Àìèíîêèñëîòû ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â ìîëåêóëàõ êîòîðûõ ñîäåðæàòñÿ îäíîâðåìåííî àìèíîãðóïïà NH2 è êàðáîêñèëüíàÿ ãðóïïà COOH. Ïî ðàñïîëîæåíèþ àìèíîãðóïïû ðàçëè÷àþò α−àìèíîêèñëîòû (àìèíîãðóïïà ó ïåðâîãî àòîìà óãëåðîäà), βàìèíîêèñëîòû (àìèíîãðóïïà ó âòîðîãî àòîìà óãëåðîäà) è ò.ä., íàïðèìåð: γ γ β α α β Àììèàê H! H H NH O H H! H H O H NH α-àìèíîìàñëÿíàÿ êèñëîòà β-àìèíîìàñëÿíàÿ êèñëîòà Íàèáîëåå âàæíîå çíà÷åíèå èìåþò α-àìèíîêàðáîíîâûå êèñëîòû. Èç íèõ ïîñòðîåíû áåëêè. Áåëêè ýòî ïðèðîäíûå ñîåäèíåíèÿ, ïîñòðîåííûå èç àìèíîêèñëîò.  áåëêàõ àìèíîêèñëîòû ñîåäèíåíû ìåæäó ñîáîé ïåïòèäíûìè ñâÿçÿìè (NHCO) â öåïè. Îáðàçîâàíèå ïåïòèäíûõ ñâÿçåé ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ êàðáîêñèëà îäíîé àìèíîêèñëîòû ñ àìèíîãðóïïîé äðóãîé. Äëèíà öåïè ìîæåò áûòü ñêîëü óãîäíî áîëüøîé. çäåñü: R1 , R2 è ò.ä áîêîâûå ðàäèêàëû àìèíîêèñëîò. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 71 Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå êîíñòàíòû Âåëè÷èíà Îáîçí. Çíà÷åíèå Åäèíèöà Ñêîðîñòü ñâåòà Ñ êì/ñ 299792,458 Ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåµ0 Ãí/ì 4π10 --7 ìîñòü âàêóóìà Ïîñòîÿííàÿ Ðèäáåðãà R∞ 1,0973731534(13) 110 -7 /ì Ïîñòîÿííàÿ òîíêîé 1/α 137,0359895(61) ñòðóêòóðû Ýëåìåíòàðíûé çàðÿä å 1,60217733(49) 110 --19 Êë Êâàíò äåéñòâèÿ h 6,6260755(40) 110 --34 Äæñ (ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà) Ïîñòîÿííàÿ (÷èñëî) NA 6,0221367(36) 110 +23/ìîëü Àâîãàäðî Àòîìíàÿ åäèíèöà à.å.ì. 1,6605525(17) 110 --27 êã ìàññû Ìàññà ïîêîÿ ýëåêòðîíà me 9,1093897(54) 110 --31 êã Ìàññà ïîêîÿ ïðîòîíà mp 1,6726231(10) 110 --27 êã Ìàññà ïîêîÿ íåéòðîíà mn 1,6749286(10) 110 --27 êã Áîðîâñêèé ðàäèóñ à0 5,29177249(24) 110 --11 ì Êëàññè÷åñêèé ðàäèóñ re 2,81794092(38) 110 --15 ì ýëåêòðîíà Óíèâåðñàëüíàÿ R 8,314510(70) Äæ/(ìîëüK) ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ Ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà k 1,380658(12) 110 --23 Äæ/K Ãðàâèòàöèîííàÿ G 6,6725910 --11 Íì2/êã2 ïîñòîÿííàÿ Íîðìàëüíîå óñêîðåíèå g 9,80665 ì/c2 ÎòíîøåíèåÄæîçåôñîíà 2e/h 4,8359767(14) 110 +14 Ãö/ ×èñëî Ôàðàäåÿ F 9,6485309(29) 10 +4 Êë/ìîëü Êîìïòîíîâñêàÿ äëèíà: âîëíû ýëåêòðîíà λ0e 2,4263088(40) 110 --12 ì âîëíû ïðîòîíà λ0p 1,3214099(23) 110 --15 ì âîëíû íåéòðîíà λ0n 1,3195909(22) 110 --15 ì Ìîëÿðíûé îáúåì Vm 22,41410(19) 10 --3 ì2/ìîëü èäåàëüíîãî ãàçà ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ 72 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Äâèæåíèå òåë Ïðÿìîëèíåéíîå äâèæåíèå ðàâíîïåðåìåííîå ðàâíîìåðíîå V V à=tgα L0 0 J vt = v0 α L S S 0 Ò s = v0t J vt = v0 + at s = v0t + Ò at 2 2 v - ñêîðîñòü, t - âðåìÿ, à - óñêîðåíèå, s - ïðîéäåííûé ïóòü. Óñêîðåíèå à(ì/ñåê2) Ïîåçä ìåòðî 1 Ãîíî÷íûé àâòîìîáèëü 4,5 Ïàññàæèðñêèé ïîåçä 0,35 Òðàìâàé 0,6 Çàïóñê ðàêåòû 30 - 90 Ñíàðÿä â ñòâîëå 100000 à(ì/ñåê2) Çàìåäëåíèå Òîðìîæåíèå àâòî4-6 ìîáèëÿ Ïîñàäêà ðåàêòèâ5-8 íîãî ñàìîëåòà Íàïîëíåíèå êóïî~ 60 ëà ïàðàøþòà Âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå H V 9 w = 2π n = 2π T w óãëîâàÿ ñêîðîñòü, v ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü, à öåíòðîñòðåìèòåëüíîå óñêîðåíèå, n ÷àñòîòà âðàùåíèÿ (êîëè÷åñòâî îáîðîòîâ â åäèíèöó âðåìåíè), Ò - ïåðèîä âðàùåíèÿ, r - ðàäèóñ âðàùåíèÿ. v = wr a = v2 = w2r r ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 73 Ïðèòÿæåíèå òåë è çàêîíû Íüþòîíà Äâå ìàòåðèàëüíûå òî÷êè, èìåþùèå ìàññû m1 è m2, ïðèòÿãèâàþòñÿ äðóã ê äðóãó ñ ñèëîé: mm F =G 122 (R ðàññòîÿíèå ìåæäó òî÷êàìè, R G ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ.) Âåñ (ñèëà òÿæåñòè) ïîêîÿùåãîñÿ òåëà ñ ìàññîé m: P = mg (g óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ) Ïðèòÿæåíèå òåë îñóùåñòâëÿåòñÿ C ïîñðåäñòâîì ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. C Ãðàôèê èçìåíåíèÿ óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ g îò ðàññòîÿíèÿ (RÇ ðàäèóñ Çåìëè) õàðàêòåðèçóåò 4 èçìåíåíèå íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ òÿãî4ç 4ç òåíèÿ. Äëÿ òåëà, áðîøåííîãî âåðòèêàëüíî ââåðõ 1 ñ íà÷àëüíîé ñêîðîñòüþ ν0, ìàêñèìàëüíàÿ H = v0 t − g 0 t 2 2 âûñîòà ïîäúåìà òåëà íàä ïîâåðõíîñòüþ: Ïåðâûé çàêîí Íüþòîíà Âñÿêîå òåëî ïðîäîëæàåò óäåðæèâàòüñÿ â ñâîåì ñîñòîÿíèè ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî è ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ, ïîêà è ïîñêîëüêó îíè íå ïîíóæäàþòñÿ ïðèëîæåííûìè ñèëàìè èçìåíèòü ýòî ñîñòîÿíèå. Âòîðîé çàêîí Íüþòîíà Èçìåíåíèå êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ïðèëîæåííîé äâèæóùåé ñèëå è ïðîèñõîäèò ïî íàïðàâëåíèþ òîé ïðÿìîé, ïî êîòîðîé ýòà ñèëà äåéñòâóåò: H H F = m⋅a Òðåòèé çàêîí Íüþòîíà Äåéñòâèþ âñåãäà åñòü ðàâíîå è ïðîòèâîïîëîæíîå ïðîòèâîäåéñòâèå, èíà÷å - âçàèìîäåéñòâèå äâóõ òåë äðóã íà äðóãà ðàâíû ìåæäó ñîáîé è íàïðàâëåíû â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû. H H F12 = − F21 H H m1 ⋅ a1 = −m2 ⋅ a2 Âñå çàêîíû ïðèâåäåíû â èñõîäíîé ôîðìóëèðîâêå È. Íüþòîíà 74 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Òðåíèå Ñèëà òðåíèÿ ñêîëüæåíèÿ Fò çàâèñèò îò ïðèðîäû è êà÷åñòâà òðóùèõñÿ ïîâåðõíîñòåé (ó÷èòûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì f ) è ñèëû íîðìàëüíîãî äàâëåíèÿ Fí. Ñèëà òðåíèÿ êà÷åíèÿ ìåíüøå ñèëû òðåíèÿ ñêîëüæåíèÿ. FÒ = fFÍ FÒ = k Fí R Íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ Fòð Fòð .í 4 .í Êîýôôèöèåíòû òðåíèÿ ñêîëüæåíèÿ äëÿ íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ Ñîïðèêàñàþùèåñÿ ïîâåðõíîñòè f Áðîíçà ïî áðîíçå Áðîíçà ïî ñòàëè Äåðåâî ñóõîå ïî äåðåâó Äåðåâÿííûå ïîëîçüÿ ïî ñíåãó è ëüäó Êîæàíûé ðåìåíü âëàæíûé ïî ìåòàëëó Êîæàíûé ðåìåíü ñóõîé ïî ìåòàëëó Ëåä ïî ëüäó Ìåäü ïî ÷óãóíó Ïîäøèïíèê ñêîëüæåíèÿ ïðè ñìàçêå Ðåçèíà ( øèíû ) ïî òâåðäîìó ãðóíòó Ñòàëü ( èëè ÷óãóí ) ïî ôåðîäî èëè ðåéáåñòó Ñòàëü ïî ëüäó ( êîíüêè ) Ñòàëü ïî ñòàëè Ôòîðîïëàñò ïî íåðæàâåþùåé ñòàëè Ôòîðîïëàñò ïî ôòîðîïëàñòó ×óãóí ïî áðîíçå ×óãóí ïî ÷óãóíó 0,2 0,18 0,25 - 0,5 0,035 0,36 0,56 0,028 0,27 0,02 - 0,08 0,4 - 0,6 0,22 - 0,45 0,02 - 0,03 0,18 0,064-0,080 0,052-0,086 0,21 0,16 ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 75 Ïëîòíîñòü âåùåñòâà Ïëîòíîñòü âåùåñòâà ýòî ìàññà m, çàêëþ÷åííàÿ â îáúåìå V. Óäåëüíûé âåñ d - âåñ åäèíèöû îáúåìà. ρ= m V d= P V Ïëîòíîñòü òâåðäûõ âåùåñòâ ïðè òåìïåðàòóðå 20°Ñ Âåùåñòâî Îñìèé Ïëàòèíà Çîëîòî Ñâèíåö Ñåðåáðî Ìåäü Íèêåëü Áðîíçà Æåëåçî ã/ñì3 22,6 21,5 19,3 11,3 10,5 9 8,9 8,8 7,9 Âåùåñòâî ã/ñì3 Âåùåñòâî ã/ñì3 Îëîâî 1,8 -2,6 7,3 Ãëèíà Õðîì,öèíê 1,7 7,1 Ìàãíèé Òèòàí 1,6 4,5 Ñàõàð Äîëîìèò 1,2 - 2,1 2,8 - 2,9 Ïåñîê Àëþìèíèé 1 2,7 Íàòðèé Äþðàëþì. 2,6 - 2,9 Âîñê 0,95 Ãðàôèò 0,9 2,3 - 2,7 Êàó÷óê Ôàðôîð 0,88-0,92 2,3 - 2,5 Ëåä Àñáåñò 0,5 2,1 - 2,8 Ëèòèé Ïëîòíîñòü æèäêèõ âåùåñòâ ïðè òåìïåðàòóðå 20°Ñ ã/ñì3 Âåùåñòâî 1,03 Ìîëîêî ñðåäí. æèðí. 1,01 - 1,03 Ìîðñêàÿ âîäà 0,76 - 0,85 Íåôòü 13,6 Ðòóòü 1,83 Ñåðíàÿ êèñëîòà 1,19 Ñîëÿíàÿ êèñëîòà 38% 1,489 Õëîðîôîðì 1,049 Óêñóñíàÿ êèñëîòà 0,79 Ýòèëîâûé ñïèðò Âåùåñòâî ã/ñì3 Àçîòíàÿ êèñëîòà 1,51 Àöåòîí 0,791 Áåíçèí 0,68 - 0,72 Áðîì 3,12 Âîäà 0,99823 Ãëèöåðèí 1,26 Ìàñëî âàçåëèíîâ. 0,8 Ìàñëî ìàøèííîå 0,9 Ìåòèëîâûé ñïèðò 0,792 Ïëîòíîñòü ãàçîâ ïðè 0°Ñ è íîðìàëüíîì äàâëåíèè Âåùåñòâî Àçîò Àììèàê Àðãîí Àöèòèëåí êã/ì3 1,251 0,771 1,783 1,173 Âåùåñòâî Âîäîðîä Âîçäóõ Ãåëèé Êèñëîðîä êã/ì3 0,08988 1,293 0,1785 1,429 Âåùåñòâî Êðèïòîí Íåîí Îçîí Õëîð êã/ì3 3,74 0,9 2,139 3,22 76 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ðàáîòà, ìîùíîñòü, ýíåðãèÿ F A α S Ðàáîòà ñèëû ýòî ìåðà ïåðåäà÷è äâèæåíèÿ îò îäíîãî òåëà ê äðóãîìó, ðàâíàÿ ïðîèçâåäåíèþ ñèëû íà ïåðåìåùåíèå: H H A = F ⋅ s = Fs cos α Ðàáîòà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ïðè ïîâîðîòå íà óãîë α ñ ìîìåíòîì ñèëû Ì: Aâ = M α Ìîùíîñòüþ N íàçûâàåòñÿ âåëè÷èíà, ðàâíàÿ ðàáîòå À, ñîâåðøàåìîé â åäèíèöó âðåìåíè t: H H A N = F ⋅v = t Ìîùíîñòü âðàùàþùåãîñÿ òåëà ñ óãëîâîé ñêîðîñòüþ ω: N â = M ⋅ω Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ýíåðãèÿ äâèæåíèÿ òåëà, ðàâíàÿ ðàáîòå, êîòîðóþ äîëæíû ñîâåðøèòü ñèëû ïðè òîðìîæåíèè òåëà. Ïðè ìàëûõ ñêîðîñòÿõ ν: Ek = 1 m0 v 2 2 ( ) Ïðè áîëüøèõ ñêîðîñòÿõ, áëèçêèõ ê ñêîðîñòè ñâåòà ñ: E k = m0 c 2 1 / 1 − v 2 / c 2 − 1 ( m0 - ìàññà ïîêîÿ òåëà ) 1 Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ âðàùàþùåãîñÿ òåëà: E k = Iω 2 (I - ìîìåíò èíåðöèè, ω óãëîâàÿ ñêîðîñòü) 2 Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà â ïîëå òÿãîòåíèÿ Çåìëè: (R ðàññòîÿíèå îò òåëà äî öåíòðà ÇåìM ⋅m ëè, Ì ìàññà Çåìëè, m ìàññà òåëà, ÅÏ = − G R G ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ) Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà íà âûñîòå h: ÅÏ = mgh Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè  èíåðöèàëüíîé ñèñòåìå îòñ÷åòà ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ çàìêíóòîé ñèñòåìû, â êîòîðîé íåò äèññèïàòèâíûõ ñèë, îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 77 Ñòàòèêà Öåíòð òÿæåñòè òâåðäîãî òåëà èëè ñèñòåìû òåë ýòî òî÷êà ïðèëîæåíèÿ ðàâíîäåéñòâóþùåé âñåõ ñèë òÿæåñòè, äåéñòâóþùèõ íà îòäåëüíûå òî÷êè òåëà èëè ñèñòåìû òåë. H 1 H rc = ∑ mi ri m Ñóììà ìîìåíòîâ ñèë òÿæåñòè âñåõ ÷àñòèö òåëà îòíîñèòåëüíî öåíòðà òÿæåñòè òåëà ðàâíà íóëþ. Óñëîâèå ðàâíîâåñèÿ òåëà íà íàêëîííîé ïëîñêîñòè: Óñëîâèå ðàâíîâåñèÿ: Fòð = F Fòð F α Fí α F Òð = F F Òð = P ⋅ sin α tg α ≤ f Ï fï êîýôôèöèåíò òðåíèÿ ïîêîÿ. P=mg Ðû÷àã b a Fa •a = Fb •b Fb Ðû÷àã íàõîäèòñÿ â ðàâíîâåñèè, åñëè ñóììà ìîìåíòîâ äåéñòâóþùèõ íà íåãî ñèë ðàâíà íóëþ. Fa Ïîëîæåíèå öåíòðà òÿæåñòè Òåëî  öåíòðå Øàð Ïîëóøàðèå Íà îñè ñèììåòðèè, ñìåùåí îò îñíîâàíèÿ íà 3/8 R Íà îñè ñèììåòðèè, ñìåùåí îò îñíîâàíèÿ íà 1/4 Êîíóñ Í (âûñîòû) Öèëèíäð Íà ñåðåäèíå îñè öèëèíäðà. 78 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Óïðóãîñòü òåë Çàêîí Ãóêà: íàïðÿæåíèå σ ïðîïîðöèîíàëüíî äåôîðìàöèè ε. Ïðè óïðóãîé äåôîðìàöèè â òåëå âîçíèêàþò ñèëû σ = E ε óïðóãîñòè, êîòîðûå ïðåïÿòñòâóþò èçìåíåíèþ åãî ôîðìû. Îòíîøåíèå ñèëû óïðóãîñòè F ê ïëîùàäè (σ = F ) S, íà êîòîðîé ðàñïðåäåëåíà ñèëà, íàçûâàþò S íàïðÿæåíèåì σ, ε îòíîñèòåëüíàÿ ïðîäîëüíàÿ ∆l äåôîðìàöèÿ. Å ìîäóëü Þíãà (íàïðÿæåíèå, (ε = ) l óâåëè÷èâàþùåå äëèíó l îáðàçöà â äâà ðàçà). Ìàòåðèàë Å (ÃÏà) Ñòàëü ëåãèðîâàííàÿ 206 150 ×óãóí êîâêèé Ìåäü êàòàííàÿ 108 Ñòåêëî 49 - 78 Å (ÃÏà) Ìàòåðèàë 5,25 Ïëåêñèãëàñ Öåëëóëîèä 1,8 0,008 Êàó÷óê Ðåçèíà âóëêàíèçèð. 0,001-0,005 Ñæèìàåìîñòü âåùåñòâà β ýòî îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå îáúåìà òåëà ïðè èçìå- ∆V = −V β ∆P íåíèè äàâëåíèÿ íà íåãî ∆P íà åäèíèöó. Æèäêîñòè è ãàçû â ïîëå òÿæåñòè Äàâëåíèå Ð ñòîëáà æèäêîñòè èëè ãàçà â îäíîðîäíîì ïîëå òÿæåñòè ïðîïîðöèîíàëüíî ρ ïëîòíîñòè è h âûñîòå ñòîëáà æèäêîñòè):  ñîîáùàþùèõñÿ ñîñóäàõ, íåçàâèñèìî îò èõ ôîðìû, îòíîøåíèå âûñîò ñòîëáîâ æèäêîñòåé h îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî îòíîøåíèþ ïëîòíîñòåé æèäêîñòåé ρ. P=ρ g h h1 h2 = ρ2 ρ1 Çàêîí Àðõèìåäà Òåëî, ïîãðóæåííîå â æèäêîñòü èëè ãàç, èñïûòûâàåò äåéñòâèå âûòàëêèâàþùåé ñèëû, ðàâíîå âåñó âûòåñíåííîé èì æèäêîñòè èëè ãàçà. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 79 Äâèæåíèå æèäêîñòåé è ãàçîâ Óðàâíåíèå Áåðíóëëè äëÿ èäåàëüíîé æèäêîñòè Ïðè ñòàöèîíàðíîì äâèæåíèè èäåàëüíîé æèäêîñòè â ëþáîì ñå÷åíèè âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå (P äàâëåíèå, ρ ïëîòíîñòü, h âûñîòà, ν ñêîðîñòü â äàííîì ñå÷åíèè). 1 P + ρ gh + ρ v 2 = const 2 Ôîðìóëà Ñòîêñà äëÿ äâèæåíèÿ øàðà â âÿçêîé ñðåäå Ñîïðîòèâëåíèå ñðåäû F ïðîïîðöèîíàëüíî ðàäèóñó øàðà R è åãî ñêîðîñòè ν (η - âÿçêîñòü æèäêîñòè). F = 6πη Rv Òåïëîòà Êîëè÷åñòâî òåïëîòû ∆Q, ïîëó÷åííîå òåëîì ìàññû m ïðè óâåëè÷åíèè åãî òåìïåðàòóðû íà ∆t (ñ óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü): ∆Q = cm∆t Ïåðâûé çàêîí òåðìîäèíàìèêè Cóììà êîëè÷åñòâà òåïëîòû, ïîëó÷àåìîãî ñècòåìîé ïðè íàãðåâàíèè è ðàáîòà, êîòîðàÿ ñîâåðøàåòñÿ íàä íåé âíåøíèìè ñèëàìè, ðàâíà èçìåíåíèþ âíóòðåííåé ýíåðãèè. ∆Q + ∆A = ∆U Âòîðîé çàêîí òåðìîäèíàìèêè Òåïëîòà íå ìîæåò ñàìîïðîèçâîëüíî ïåðåéòè îò áîëåå õîëîäíîãî òåëà ê áîëåå ãîðÿ÷åìó áåç êàêèõ-ëèáî äðóãèõ èçìåíåíèé â ñèñòåìå. Òðåòèé çàêîí òåðìîäèíàìèêè Òåïëîåìêîñòü ëþáîãî òåëà ïðè ïðèáëèæåíèè ê àáñîëþòíîìó íóëþ ñòðåìèòñÿ ê íóëþ. Ôàçîâûå ïðåâðàùåíèÿ Òåïëîòà ôàçîâîãî ïåðåõîäà ïðè ïëàâëåíèè: (λ óäåëüíàÿ òåïëîòà ïëàâëåíèÿ, m ìàññà) Qïë = λ m Òåïëîòà ôàçîâîãî ïåðåõîäà ïðè ïàðîîáðàçîâàíèè (r óäåëüíàÿ òåïëîòà ïàðîîáðàçîâàíèÿ): QÏ = rm 80 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Òåïëîâîå äâèæåíèå ìîëåêóë Òåïëîâîå ðàñøèðåíèå æèäêèõ è òâåðäûõ òåë Äëèíà òåëà ïðè òåìïåðàòóðå t°C: lt = l0 (1 + α t ) α êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî (α ðàñøèðåíèÿ) Îáúåì òåëà ïðè òåìïåðàòóðå t°C: Vt = V0 (1 + β t ) β êîýôôèöèåíò îáúåìíîãî (β ðàñøèðåíèÿ) ρ0 Ïëîòíîñòü òåëà ïðè òåìïåðàòóðå t°C: ρ t= 1+ β t l0, ν0, ρ0 - ïàðàìåòðû òåëà ïðè 00 Ñ Òåïëîïðîâîäíîñòü ýòî ïðîöåññ ïåðåäà÷è òåïëîòû âñëåäñòâèå òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóë. Êîëè÷åñòâî òåïëîòû Q, ïðîõîäÿùåå çà âðåìÿ ∆T t ÷åðåç ñëîé âåùåñòâà òîëùèíîé ∆l, ïëîùà- Q = λ St ∆l äüþ S: (λ êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè, ∆T/∆l ãðàäèåíò òåìïåðàòóðû) Äèôôóçèÿ ýòî ïðîöåññ âûðàâíèâàíèÿ ïëîòíîñòåé, îáóñëîâëåííûé ïåðåíîñîì âåùåñòâà ïîñðåäñòâîì ìîëåêóëÿðíîãî äâèæåíèÿ. ∆ρ Ìàññà âåùåñòâà Ì, ïåðåíîñèìàÿ ÷åðåç ñëîé M =D St âåùåñòâà òîëùèíîé ∆l, ïëîùàäüþ S çà âðåìÿ t: ∆l (∆ρ/∆l - ãðàäèåíòíò ïëîòíîñòè, D êîýôôèöèåíò äèôôóçèè) Âíóòðåííåå òðåíèå (âÿçêîçòü) ýòî ïåðåíîñ èìïóëüñà óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóëàìè, ïåðåõîäÿùèìè ïðè îòíîñèòåëüíîì äâèæåíèè ñëîåâ æèäêîñòè èç îäíîãî ñëîÿ â äðóãîé. Ñèëà âíóòðåííåãî òðåíèÿ íà ïëîùàäè S: ∆v ∆l ðàññòîÿíèå ìåæäó ñëîÿìè, ∆ν ∆l ãðàäèåíò FÒ = η ∆ν/∆ (∆ S ∆l ñêîðîñòè â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì îòíîñèòåëüíîé ñêîðîñòè ñëåâ, η êîýôôèöèåíò âÿçêîñòè) Ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå æèäêîñòåé Íà ìîëåêóëû æèäêîñòè, íàõîäÿùèåñÿ íà ïîâåðõíîñòè , ñî ñòîðîíû äðóãèõ ìîëåêóë äåéñòâóþò ñèëû, íàïðàâëåííûå âíóòðü æèäêîñòè. F =α l Ñèëà ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ F: (l äëèíà êðàÿ èëè ïåðèìåòð ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ æèäêîñòè, α êîýôôèöèåíò ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ) ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 81 Ãàçîâûå çàêîíû Óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà Êëàïåéðîíà-Ìåíäåëååâà (ð,V äàâëåíèå è îáúåì ãàçà ìàññû m, m µ ìîëÿðíàÿ ìàññà, R óíèâåðñàëüíàÿ pV = RT µ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ) Çàêîí èçîáàðû Ãåé-Ëþññàêà 2 1 Vt = V0 1 + t 273 8J 8 6 J t= 0 °C P = const, m = const Çàêîí èçîõîðû Øàðëÿ P 1 Pt = P0 1 + t 273 Pt P0 T t t=0°C V = const, m = const Çàêîí èçîòåðìû Áîéëÿ-Ìàðèîòòà P P1V1 = P2V2 V1 T = const, m = const V2 V P1 P2 82 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü Ñp, òåïëîòà ïëàâëåíèÿ λ è ïàðîîáðàçîâàíèÿ r, òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ tïë è êèïåíèÿ têèï Ñp ïðè 20°Ñ λ r t ,°Ñ t °Ñ êÄæ/(êãÊ) ïë êÄæ/êã êÄæ/êã êèï 9220 2300 322-394 0,88 658,3 Àëþìèíèé 524 56,2 96 2,18 -94,3 Àöåòîí 396 80,2 127 1,705 5,5 Áåíçîë 855 1560 50 0,13 271 Âèñìóò 825 290 176 2,4 Ãëèöåðèí 2700 478 0,31 958 Ãåðìàíèé 6300 293 3050 0,45 1530 Æåëåçî 2800 1575 66,6 0,13 1064,4 Çîëîòî 2080 760 60,8 0,763 64 Êàëèé 0,38 900 Ëàòóíü 2260 100 334 4,19 0 Ëåä (âîäà) 20500 1317 628 4,4 186 Ëèòèé 5450 1103 373 1,3 651 Ìàãíèé 5410 2360 214 0,39 1083 Ìåäü 4220 113 883 1,3 98 Íàòðèé 218 316 151 1,3 80,3 Íàôòàëèí 7210 3000 243-306 0,46 1452 Íèêåëü 3020 2270 59 0,23 231,9 Îëîâî 285 356,7 11,73 0,138 -38,9 Ðòóòü 880 1750 22,5 0,13 327,3 Ñâèíåö 2350 2184 88 0,235 961,9 Ñåðåáðî 846 78,3 105 2,43 -114 Ñïèðò ýò. 205 0,46 1350 Ñòàëü 96-138 0,5 1150 ×óãóí Óäåëüíàÿ òåïëîòà ñãîðàíèÿ òîïëèâà (ñ ó÷åòîì ïîòåðè íà èñïàðåíèå âîäû) Âåùåñòâî Òîïëèâî ÌÄæ/êã Òîïëèâî Àíòðàöèò 19-27 Áóð. óãîëü 10-17 Äðîâà 10 Òîðô 8,4-11 ÌÄæ/êã Áåíçèí À-92 44,1 Êåðîñèí 43 Ìàçóò 39-41 Ñïèðò ýòèë. 27,2 Òîïëèâî Àöèòèëåí Âîäîðîä Êîêñ. ãàç Ïðèð.ãàç ÌÄæ/êã 48,2 120 16-19 36 ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 83 Òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ íåêîòîðûõ âåùåñòâ Âîëüôðàì 3410 Æ åëåçî 1530 Àëþìèíèé 658,3 231,9 Îëîâî Íàòðèé 97,8 Íèòðîáåíçîë 5,7 Ðòóòü -38,9 Ýòàíîë -112 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Òïë, °Ñ Òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ è êèïåíèÿ íåêîòîðûõ ãàçîâ -268,2 -272,2 -192 -213 Òêèï, °Ñ Òïë, °Ñ -252,7 -259,4 -33,35 -77,7 -195,8 -210 -300 -200 -100 5 Ãåëèé 4 Âîçäóõ 3 Âîäîðîä 2 Àììèàê 1 Àçîò 0 84 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Êîýôôèöèåíòû òåïëîïðîâîäíîñòè ìàòåðèàëîâ ïðè Ðàòì Âåùåñòâî °C λ, Âò/(ìÊ) Ãàçû 0,0239 Êèñëîðîä 0 Àçîò -3 0,0237 Âîçäóõ 4 0,0226 Æèäêîñòè Ðòóòü 0 7,82 Âîäà 20 0,599 0,158 Áåíçîë 22,5 Âåùåñòâî °C λ, Âò/(ìÊ) Ìèíåðàëû è ìàòåðèàëû 0,4-1 Ñòåêëî 18 0,16-0,25 Äðåâåñèíà 18 0,12 Àñáåñò 18 Ìåòàëëû 429 Ñåðåáðî 0 403 Ìåäü 0 86,5 Æåëåçî 0 Ìåõàíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ è âîëíû Ãàðìîíè÷åñêîå êîëåáàíèå òàêîå ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå âåëè÷èíû, êîòîðîå îïèñûâàåòñÿ ñèíóñîèäàëüíûì çàêîíîì: u = A sin (ωt + ϕ ) Àìïëèòóäà A ýòî íàèáîëüøåå ïî ìîäóëþ çíà÷åíèå èçìåíÿþùåéñÿ âåëè÷èíû, ω êðóãîâàÿ ÷àñòîòà, φ íà÷àëüíàÿ ôàçà, ω t+φ ôàçà êîëåáàíèÿ. Ñâÿçü êðóãîâîé ÷àñòîòû ω è ïåðèîäà Ò êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé ïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé ν îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì: ω= 2π = 2πν Ò Çàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ îáóñëîâëåíû îäíîâðåìåííûì äåéñòâèåì êâàçèóïðóãîé ñèëû è ñèëû òðåíèÿ (δ êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ). u = Ae −δ t sin (ω t + ϕ ) Ïëîñêèå ãàðìîíè÷åñêèå âîëíû ïðîöåññ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñèíóñîèäàëüíûõ âîçìóùåíèé â ñðåäå ïî çàêîíó: (À àìïëèòóäà, ω êðóãîâàÿ ÷àñòîòà, λ äëèíà âîëíû, r ðàññòîÿíèå äî èñòî÷íèêà âîëíû). 2π u = A sin ωt − λ r ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 85 Ìàÿòíèêè Ïåðèîä êîëåáàíèé ìàòåìàòè÷åñêîãî ìàÿòíèêà: (l äëèíà ìàÿòíèêà, g óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ) Ïåðèîä êîëåáàíèÿ ãðóçà íà ïðóæèíå: (m ìàññà ãðóçà, k æåñòêîñòü ïðóæèíû) Ïåðèîä êîëåáàíèé êðóòèëüíîãî ìàÿòíèêà: (I ìîìåíò èíåðöèè òåëà, D êðóòèëüíàÿ æåñòêîñòü) Ïåðèîä êîëåáàíèé ôèçè÷åñêîãî ìàÿòíèêà: (I ìîìåíò èíåðöèè òåëà, à ðàññòîÿíèå îò öåíòðà òÿæåñòè òåëà äî îñè êîëåáàíèé, m ìàññà òåëà) T = 2π l g T = 2π m k T = 2π I D T = 2π I mga Çâóê Çâóê ýòî óïðóãèå âîëíû â ãàçàõ, æèäêîñòÿõ è òâåðäûõ òåëàõ, âîñïðèíèìàåìûå îðãàíàìè ñëóõà. Àìïëèòóäà çâóêîâîãî äàâëåíèÿ ∆P ñâÿçàíà ñ àìïëèòóäîé êîëåáàòåëüíîé ñêîðîñòè u ñîîòíîøåíèåì: ∆P = ρ v u (ρ ïëîòíîñòü ñðåäû, ν ñêîðîñòü âîëíû) Øêàëà çâóêîâûõ âîëí ×àñòîòà (Ãö) 0,5 20 210+4 - 10+10 20-210+4 Èñòî÷íèêè (ïðèìåðû) Êîëåáàíèÿ âîäû â âîäîåÈíôðàçâóê ìàõ, áèåíèå ñåðäöà. Ñëûøèìûå çâóêè Ãîëîñà, ìóçûêàëüíûå èíñòðóìåíòû, ñâèñòêè è ò.ä. Ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå, ìàãíèÓëüòðàçâóê òîñòðèêöèîííûå èçëó÷àòåëè, ëåòó÷èå ìûøè, ñâåð÷êè Íàèìåíîâàíèå 86 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä Ñèëîâûå ëèíèè ïîëÿ òî÷å÷íîãî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà Íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ òî÷å÷íîãî çàðÿäà íà ðàññòîÿíèè r: ET = Çàêîí Êóëîíà äëÿ ñèëû F âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ çàðÿäîâ: Ñèëîâûå ëèíèè ïîëÿ ðàçíîèìåííûõ òî÷å÷íûõ çàðÿäîâ F = .-+ .+- Q 4π ε ε 0 r 2 Q1Q2 4π ε ε 0 r 2 Q1 è Q2 çàðÿäû, íàõîäÿùèåñÿ íà ðàññòîÿíèè r, ε îòíîñèòåëüíàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü, ε0 ýëåêòðè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ. Íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ðàâíîìåðíî çàðÿæåííîãî øàðà (r ðàññòîÿíèå îò öåíòðà øàðà): ÅØ = Q 4π εε 0r 2 Íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ çàðÿæåííîãî äëèííîãî öèëèíäðà íà ðàññòîÿíèè r îò îñè öèëèíäðà ( τ ëèíåéíàÿ ïëîòíîñòü çàðÿäà): ÅÖ = τ 2π ε ε 0 r Ðàáîòà â ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå c ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ U ïðè ïåðåìåùåíèè çàðÿäà Q: A = QU ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 87 Êîíäåíñàòîðû Ýëåêòðîåìêîñòü êîíäåíñàòîðîâ Åìêîñòü êîíäåíñàòîðà îòíîøåíèå çàðÿäà íà îäíîé èç îáêëàäîê ê ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó íèìè: Åìêîñòü ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà ñ ïëîùàäüþ îáêëàäîê S è ðàññòîÿíèåì ìåæäó íèìè d: Åìêîñòü öèëèíäðè÷åñêîãî êîíäåíñàòîðà è êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ (l äëèíà êîíäåíñàòîðà, b è à ðàäèóñû âíåøíåãî è âíóòðåííåãî öèëèíäðîâ): C= C= C= Q U εε 0S d 2π ε ε 0l ln (b / a ) Ñîåäèíåíèå êîíäåíñàòîðîâ Åìêîñòü n ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ êîíäåíñàòîðîâ: CÏÀÐ = C1 + C2 +...+ Cn Åìêîñòü n ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ êîíäåíñàòîðîâ îïðåäåëÿåòñÿ èç âûðàæåíèÿ: 1 CÏÎÑ = 1 1 1 + + ...+ C1 C2 Cn Ýëåêòðîèçîëèðóþùèå ìàòåðèàëû Ìàòåðèàë Âîñê ï÷åëèíûé Êàíèôîëü Ìðàìîð Ïàðàôèí Ïîëèñòèðîë Ðåçèíà ε 2,8-2,9 ρ, Îìñì Ìàòåðèàë 210+10 210+15 3,5 510+16 8-10 110+10 2,2-2,3 310+18 2,2-2,8 510+15 510+17 2,6-3 410+13 ε ρ, Îìñì Ñëþäà 4-5,5 Còåêëî 4-10 Ôàðôîð Øåëëàê Øèôåð ßíòàðü 6,5 3,5 6-7 2,7-2,9 110+13 110+14 110+11 110+14 310+14 110+16 110+8 110+18 ρ óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå, ε äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü. 88 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Ýëåêòðè÷åñêèé òîê Ïîñòîÿííûé òîê Ðàáîòà À òîêà ñèëû I ñ íàïðÿæåíèåì íà ó÷àñòêå öåïè U çà âðåìÿ t: Ðàáîòà òîêà, ñâÿçàííàÿ ñ èçìåíåíèåì âíóòðåííåé ýíåðãèè ïðîâîäíèêà (âûäåëåíèåì òåïëà) ïðè îòñóòñòâèè ý.ä.ñ.: A = IUt A= Ðàáîòà òîêà, ñâÿçàííàÿ ñ èçìåíåíèåì âíóòðåííåé ýíåðãèè ïðîâîäíèêà (íåçàâèñèìî îò íàëè÷èÿ èëè îòñóòñòâèÿ ý.ä.ñ.): U2 t r A = I 2 rt Ïåðåìåííûé òîê U I,U Äëÿ ïåðåìåííîãî ñèíóñîèäàëüíîãî òîêà äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ ñèëû òîêà I è íàïðÿæåíèÿ U: I t I= Ìîùíîñòü, âûäåëÿåìàÿ â öåïè òîêîì ñ ðàçíîñòüþ ôàç ϕ ìåæäó òîêîì I è íàïðÿæåíèåì U: Èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà c ÷àñòîòîé f è èíäóêòèâíîñòüþ L: Åìêîñòíîå ñîïðîòèâëåíèå â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà ñ ÷àñòîòîé f è åìêîñòüþ Ñ: Ñîïðîòèâëåíèå êîíòóðà, ñîñòîÿùåãî èç ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ r, èíäóêòèâíîñòè L, åìêîñòè Ñ: I0 U U= 0 2 2 P = UI cos ϕ rL = 2π f L rC = 1 2π f C Z = r 2 + (rL − rC ) Ôîðìóëà Òîìïñîíà äëÿ ïåðèîäà T ñâîáîäíûõ êîëåáàíèé çàìêíóòîãî êîíòóðà, ñîñòîÿùåãî èç èíäóêòèâíîñòè L è åìêîñòè Ñ: 2 T = 2π LC ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 89 Ýëåêòðè÷åñêèé òîê Çàêîí Îìà ñîîòíîøåíèå ìåæäó ñèëîé òîêà I, íàïðÿæåíèåì U íà êîíöàõ öåïè è ñîïðîòèâëåíèåì r: Cîïðîòèâëåíèå ïðîâîäíèêà äëèíû l, c ïîïåðå÷íûì ñå÷åíèåì S, óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì ρ: I= U r r=ρ l S Óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäíèêîâ (ρ, ìêÎìì) ρ ρ Âåùåñòâî Âåùåñòâî Âåùåñòâî Àëþìèíèé 0,028 Âîëüôðàì 0,055 Æåëåçî 0,1 Çîëîòî 0,024 Ìåäü Îëîâî Ðòóòü Ñâèíåö 0,017 0,12 0,98 0,22 Ñåðåáðî Ñòàëü Öèíê ×óãóí ρ 0,016 0,1 0,14 0,059 0,5 0,8 Ñîåäèíåíèå ñîïðîòèâëåíèé Cîïðîòèâëåíèå ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ n ñîïðîòèâëåíèé: Ïðè ïàðàëëåëüíîì ñîåäèíåíèè n ñîïðîòèâëåíèé ñîïðîòèâëåíèå öåïè îïðåäåëÿåòñÿ èç ñîîòíîøåíèÿ: rÏÎÑ = r1 + r2 + ... + rn 1 rÏÀÐ = 1 1 1 + + ... + r1 r2 rn Ýëåêòðîëèòû è çàðÿä àêêóìóëÿòîðà Ïðè íàïðÿæåíèè U íà êëåììàõ èñòî÷íèêà, ý.ä.ñ. ε è ñîïðîòèâëåíèè àêêóìóëÿòîðà r, çàðÿäíûé òîê: Ïåðâûé çàêîí Ôàðàäåÿ îïðåäåëÿåò ìàññó âåùåñòâà, âûäåëèâøåãîñÿ íà ýëåêòðîäå ïðè ýëåêòðîëèçå (Q êîëè÷åñòâî ýëåêòðè÷åñòâà, ïðîøåäøåå ÷åðåç ýëåêòðîëèò, k ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò) Âòîðîé çàêîí Ôàðàäåÿ îïðåäåëÿåò ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò (F ïîñòîÿííàÿ Ôàðàäåÿ, µ ìîëÿðíàÿ ìàññà, n âàëåíòíîñòü) IÇ = U −å r m = kQ k= 1 µ ⋅ F n 90 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Øêàëà ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí Íàèìåíîâàíèå Íèçêî÷àñòîòíûå ýëåêòðè÷åñêèå êîëåáàíèÿ Ðàäèîâîëíû: ìèðèàìåòðîâûå êèëîìåòðîâûå (íèçêèå ÷àñòîòû) ãåêòîìåòðîâûå (ñðåäíèå ÷àñòîòû) äåêàìåòðîâûå (âûñîêèå ÷àñòîòû) ìåòðîâûå Äëèíà ×àñòîòà Ãåíåðàòîðû òîêà, çâóêîâûå ãåíåðàòîðû 100 êì - 3 êÃö - Ãåíåðàòîðû ýëåê1 ìì 3 ÒÃö òðè÷åñêèõ êîëå100-10 êì 3-30 êÃö áàíèé. Èñïîëüçóþòñÿ â 10-1 êì 30-300 êÃö òåëåãðàôèè, ðàäèîâåùàíèè, 1 êì-100 ì 300 êÃö- ðàäèîëîêàöèè, -3 ÌÃö òåëåâèäåíèè. 100-10 ì 3-30 ÌÃö >100 êì 10-1 ì 0-3 êÃö Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ñâîéñòâ âåùåñòâ.  ðàäèîëîêàöèè, ðàäèîñïåêòðîñêî30-300 ÃÃö ïèè, ðàäèîàñòðîíîìèè. 300 ÃÃö-3 ÒÃö 150 ÃÃö- Èíôðàêðàñíàÿ -400 ÒÃö ñïåêòðîñêîïèÿ. 400 ÒÃö- Ïðè èçìåíåíèè 800 ÒÃö ñîñòîÿíèé ýëåêò800 ÒÃö- ðîíîâ íà âíåø-100 ÏÃö íèõ îáîëî÷êàõ, 30 ÏÃö- íà âíóòðåí. îáî-300 ÝÃö ëî÷êàõ àòîìîâ. >300 ÝÃö Ïðè âîçáóæäåíèè ÿäåð. ñàíòèìåòðîâûå 30 ÌÃö 300 ÌÃö 1 ì-10 ñì 300 ÌÃö-3 ÃÃö 10-1 ñì 3-30 ÃÃö ìèëëèìåòðîâûå 1 ñì-1 ìì äåöèìåòðîâûå äåöèìèëëèìåòðîâûå 1-0,1 ìì Èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå Âèäèìîå èçëó÷åíèå (ñâåò) Óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå Ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå Ãàììà-èçëó÷åíèå Èñòî÷íèêè 2 ìì 760 íì 760íì 380 íì 380-3 íì 10 íì 1 ïì <10 ïì ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 91 Îïòèêà Èñïóñêàåìûé òî÷å÷íûì èñòî÷íèêîì ñâåòîâîé ïîòîê Ô(ãäå I ñèëà ñâåòà) Ô = "F I Îñâåùåííîñòü îòíîøåíèå ñâåòîâîãî ïîòîêà Ô, ïàäàþùåãî íà ïîâåðõíîñòü, ê ïëîùàäè ýòîé ïîâåðõíîñòè S = θ0 > θ1 Ô S Ïðè ïàäåíèè ëó÷à íà ãðàíèöó ðàçäåëà äâóõ ñðåä óãîë ïàäåíèÿ ðàâåí óãëó îòðàæåíèÿ, à óãîë ïðåëîìëåíèÿ θ1ñâÿçàí ñ óãëîì ïàäåíèÿ θ0 ñîîòíîøåíèåì: ? θ0 E= n= @ sinθ 0 sinθ 1 = c V Âåëè÷èíó n íàçûâàþò ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ äëÿ äàííîé äëèíû âîëíû (ñ è V ñêîðîñòè ñâåòà â ñîîòâåòñòâóþùèõ ñðåäàõ). Ëèíçû = B I B B = I B f ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå, r 1 è r 2 ðàäèóñû êðèâèçíû ïîâåðõíîñòåé ëèíçû. Ôîðìóëà òîíêîé ëèíçû − 1 1 1 1 1 + = (n − 1) − = ; a1 a2 r1 r2 f − f1 = f 2 = f Åñëè f âûðàæåíî â ìåòðàõ, ýòî ôîðìóëà äëÿ îïòè÷åñêîé ñèëû d=1/f, âûðàæåííîé â äèîïòðèÿõ. 92 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Îñâåùåííîñòü íà ïðèìåðàõ Îñâåùåíèå Ñîëíå÷íûìè ëó÷àìè â ïîëäåíü  ôîòîñòóäèè ïðè ñúåìêå Íà îòêðûòîì ìåñòå â ïàñìóðíûé äåíü  ñâåòëîé êîìíàòå âáëèçè îêíà Íåîáõîäèìîå äëÿ ÷òåíèÿ Íà ýêðàíå êèíîòåàòðà Îò ïîëíîé ëóíû Îò íî÷íîãî íåáà â áåçëóííóþ íî÷ü Îñâåùåííîñòü Å, ëê 100 000 10 000 1000 100 30-50 20-80 0,2 0,0003 Äëèíà âîëí âèäèìîé ÷àñòè ñïåêòðà Öâåò Ôèîëåòîâûé Ñèíèé Ãîëóáîé Çåëåíûé Ãðàíèöû, íì 380-450 450-480 480-510 510-550 Öâåò Æåëòî-çåë. Æåëòûé Îðàíæåâûé Êðàñíûé Ãðàíèöû, íì 550-575 575-585 585-620 620-760 Ïîêàçàòåëè ïðåëîìëåíèÿ îòíîñèòåëüíî âîçäóõà Òâåðäûå òåëà Àëìàç Òîïàç Ñëþäà Ñàõàð Ëåä n 2,417 1,63 1,56-1,60 1,56 1,31 Æèäêèå òåëà Ìàñëî êîðè÷íîå Àíèëèí Ìàñëî ãâîçäè÷íîå Ãëèöåðèí Âîäà n 1,601 1,586 1,532 1,47 1,333 Êâàíòîâûå ñâîéñòâà ñâåòà Ýíåðãèÿ ôîòîíà ε çàâèñèò îò ÷àñòîòû èçëó÷åíèÿ ν (h ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà) ε = hν Îñíîâíîå óðàâíåíèå ôîòîýôôåêòà: Íàèáîëüøàÿ ñêîðîñòü Vm, âûëåòåâøèõ ïðè ôîòîýôôåêòå ýëåêòðîíîâ, íå çàâèñèò îò ñèëû ñâåòà, à îïðåäåëÿåòñÿ ÷àñòîòîé ïàäàþùåãî ñâåòà ν (À ðàáîòà âûõîäà, me ìàññà ýëåêòðîíà) hν = A + mevm2 2 ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 93 Àòîìû, ÿäðà, ðàäèîàêòèâíîñòü Ñîãëàñíî ïîëóêëàññè÷åñêîé ìîäåëè Áîðà-Çîììåðôåëüäà ýëåêòðîíû â àòîìå äâèæóòñÿ âîêðóã ÿäðà ïî êðóãîâûì è ýëëèïòè÷åñêèì îðáèòàì. Ðàäèóñû ñòàöèîíàðíûõ êðóãîâûõ hn îðáèò îïðåäåëÿþòñÿ èç ñîîòíîøåíèÿ: me vn rn = 2π (h ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, n = 1,2,3,...) Ñîñòîÿíèå ýëåêòðîíà â àòîìå îïðåäåëÿÿåòñÿ 4-ìÿ êâàíòîâûìè ÷èñëàìè: ãëàâíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì n, îðáèòàëüíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì l (îò 0 äî n-1), ìàãíèòíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì m (îò - l äî l), ñïèíîì s = 1/2. Àòîìíîå ÿäðî ëþáîãî ýëåìåíòà ñîñòîèò èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ (íóêëîíîâ). Êîëè÷åñòâî íóêëîíîâ íàçûâàþò ìàññîâûì ÷èñëîì À. ×èñëî íåéòðîíîâ â ÿäðå ðàâíî N=A-Z, ãäå Z àòîìíûé íîìåð ÿäðà èëè ïîðÿäêîâûé íîìåð â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå ýëåìåíòîâ Ìåíäåëååâà. ßäðà, èìåþùèå îäèíàêîâûé çàðÿä Ze (îäèíàêîâîå êîëè÷åñòâî ïðîòîíîâ), íî ðàçíîå êîëè÷åñòâî íåéòðîíîâ, íàçûâàþò èçîòîïàìè. ßäðà, ó êîòîðûõ ÷èñëî íåéòðîíîâ èëè ïðîòîíîâ ðàâíî 2,8,20,28,50,82 è 120, íàçûâàþò ìàãè÷åñêèìè ÿäðàìè. Ó íèõ íàèáîëüøàÿ ñòàáèëüíîñòü. Íåêîòîðûå èç òÿæåëûõ ÿäåð ñàìîïðîèçâîëüíî ðàñïàäàþòñÿ ñ îáðàçîâàíèåì íîâûõ ÿäåð è èçëó÷åíèåì áîëüøîé ýíåðãèè. Ýòî ÿâëåíèå íàçûâàþò ðàäèîàêòèâíîñòüþ. Èçìåíåíèå ÷èñëà ðàäèîàêòèâíûõ t ÿäåð çà âðåìÿ t (N0 - íà÷àëüíîå ÷èñëî − −λ t T ÿäåð, Ò - ïåðèîä ïîëóðàñïàäà, çà êî- N = N 0 e = N0 2 òîðûé ðàñïàäàåòñÿ ïîëîâèíà ÿäåð). Àêòèâíîñòü íóêëèäà îòíîøåíèå ∆N êîëè÷åñòâà ðàñïàâøèõñÿ àòîìîâ ê à= ∆t ïðîìåæóòêó âðåìåíè ðàñïàäà. Ðàäèîàêòèâíîå èçëó÷åíèå âûçûâàåò èîíèçàöèþ âåùåñòâà, ïîãëîùàþùåãî ýíåðãèþ èçëó÷åíèÿ. Êåðìà îòíîøåíèå ñóììû ïåðâîíà÷àëüíûõ êèíåW òè÷åñêèõ ýíåðãèé âñåõ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, îáðàçóþùèõñÿ ïðè êîñâåííîé èîíèçàöèè, ê ìàññå K = m âåùåñòâà. 94 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Íåêîòîðûå ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû Íàèáîëåå çíà÷èìûé Èçîòîï ñ íàèáîëüøèì Ïîðÿä- Íàçâàíèå èçîòîï ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà êîâûé ýëåìåíòà Ïåðèîä íîìåð Ñèìâîë Ïåðèîä Ñèìâîë ïîëóðàñïàäà ïîëóðàñïàäà 4 6 27 38 48 61 82 84 88 90 92 93 94 95 97 98 Áåðèëèé Óãëåðîä Êîáàëüò Ñòðîíöèé Êàäìèé Ïðîìåòèé Ñâèíåö Ïîëîíèé Ðàäèé Òîðèé Óðàí 53 äíÿ C 5569 ëåò 60 Co 5,24 ëåò 90 Sr 27,7 ëåò 113 Cd 5,1 ëåò 147 Pm 2,7 ëåò 209 Pb 3,3 ÷àñà 210 Po 138,4 äíåé 226 Ra 1620 ëåò 232 Th 1,410+10ëåò 235 7,110+8 ëåò U 233 1,610+5 ëåò U 239 Íåïòóíèé 2,3 äíÿ Np Ïëóòîíèé 239 Pu 24360 ëåò Àìåðèöèé 241 Am 435 ëåò Áåðêëèé 249 Bk 314 äíåé Êàëèôîðíèé 252 Cf 2,63 ëåò 7 Be 14 2,510+6 ëåò 5569 ëåò C 60 5,24 ëåò Co 90 27,7 ëåò Sr 113 5,1 ëåò Cd 145 18 ëåò Pm 210 23,3 ëåò Pb 209 103 ëåò Po 226 1620 ëåò Ra +10 232 Th 1,410 ëåò 238 4,510+9 ëåò U 10 Be 14 237 244 243 247 251 2,1410+6 ëåò Pu 7,610+6 ëåò 7370 ëåò Am 1380 ëåò Bk 900 ëåò Cf Np Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå äîçû îáëó÷åíèÿ 1 ãðóïïà 2 ãðóïïà 3 ãðóïïà ìÄæ/ êãíåä ìÄæ/ êããîä ìÄæ/ êãíåä Îáëó÷åíèå ïðîôåññèîíàëüíîå ìÄæ/ êããîä ìÄæ/ êãíåä ìÄæ/ êããîä 1 50 3 150 6 300 0,1 5 0,3 15 0,6 30 0,01 0,5 0,1 5 0,2 10 Îáëó÷åíèå â ñìåæíûõ ïîìåùåíèÿõ Îáëó÷åíèå íàñåëåíèÿ I ãðóïïà - ãîíàäû, õðóñòàëèê è êðîâåòâîðíûå îðãàíû. II ãðóïïà - ìûøöû, æèð.òêàíü, ïå÷åíü, ïî÷êè, æåëåçû, æåëóäî÷íîêèøå÷íûé òðàêò, ëåãêèå. III ãðóïïà - êîæà, êîñòè. ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß www.home-studio.novouralsk.ru 95 Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû Íàèìåíîâàíèå Ñèìâîë Ìàññà (ÌýÂ) ôîòîí 0 Ëåïòîíû è àíòèëåïòîíû ýëåêòðîí, ïîçèòðîí e − , e + 0,511003 <310--5 ýëåêòðîí, íåéòðèíî ν e ,ν~e ìþîí µ − , µ + 105,6593 <0,51 ìþîííîå íåéòðèíî ν ,ν~ 1784 τ − ,τ + òàó-ëåïòîí ν τ ,ν~τ <250 òàó-íåéòðèíî Ìåçîíû π + ,π − 139,567 ïèîíû π0 134,963 êàîíû K + , K − 493,67 ~ 497,7 K 0, K 0 ñòàáèëåí -1,+1 0 -1,+1 0 -1,+1 0 ñòàáèëüíû ñòàáèëüíî 2,1971310--6 còàáèëüíî 3,410--13 ñòàáèëüíî? +1,-1 0 +1,-1 0 0 +1,-1 0 +1,-1 n , n~ 938,28 939,573 +1,-1 0 ñòàáèëåí 918 ~ Λ, Λ ~ Σ+ ,Σ+ 0 ~0 Σ ,Σ ~ Σ− , Σ− ~ Ξ0,Ξ0 − ~− Ξ ,Ξ ~ Ω−,Ω− ~ Λc,Λc ~ Σc, Σc 1115,6 1189,37 1192,48 1197,39 1314,9 1321,3 1672,2 2282 2450 0 +1,-1 0 -1,+1 0 -1,+1 -1,+1 -1,+1 0 2,6310--10 810--11 5,810--20 1,48410--10 2,910--10 1,6410--10 0,8210--10 210--13 ? F-ìåçîíû Áàðèîíû ïðîòîí íåéòðîí Ãèïåðîíû: ëàìäà-ãèïåðîí F +,F − îìåãà-ãèïåðîí «î÷àðîâàííûå» ãèïåðîíû 0 548,8 1869,4 1864,7 2021 η êñè-ãèïåðîíû Âðåìÿ æèçíè (ñ) 2,60310--8 0,83110--16 1,23710--8 0,8910--10 5,1810--8 2,510--17 810--13 410--13 <510--13 ýòà-ìåçîí D-ìåçîíû ñèãìà-ãèïåðîíû Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä (-1,0,+1) D+ , D− ~ D0 , D0 p, ~ p 96 www.home-studio.novouralsk.ru ÂÅÙÅÑÒÂÎ-ÝÍÅÐÃÈß Êâàðêè ñîñòàâíûå ýëåìåíòû ìåçîíîâ è áàðèîíîâ Êâàðê d (down) u (up) s (strange) c (charm) b (beauty) t (top) Ýëåêòðè÷. çàðÿä -1/3 2/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3 «Î÷àðîâà- «Êðàñîòà» b íèå» c Ñòðàííîñòü s 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 Áàðèîííûé çàðÿä ó âñåõ êâàðêîâ ðàâåí 1/3, ó ñîîòâåòñòâóþùèõ èì àíòèêâàðêîâ -1/3. Ó êàæäîãî êâàðêà 3 ñîñòîÿíèÿ: ñèíåå, êðàñíîå, æåëòîå (1,2,3). Ïðèìåðû: ñîñòàâíàÿ ôîðìóëà ïðîòîíà: p=(u1,u2,d3); ñîñòàâíàÿ ôîðìóëà íåéòðîíà: n=(d1,d2,u3). Âçàèìîäåéñòâèÿ Äåéñò- ×àñòèöû - ïåðåíîñ÷èêè Òèï Ðàäèóñ âçàèìîäåéñòâèÿ âçàèìî- äåéñòâèÿ âóþùèå Íàçâàíèå Ìàññà Ñïèí ÷àñòèöû äåéñòâèÿ Ñèëüíîå îò 110--13 Êâàðêè äî 110--14 ÝëåêòðîÇàðÿæåíìàãíèòíîå ∞ íûå ÷àñòèöû Ñëàáîå <110--14 Ëåïòîíû, êâàðêè Ãëþîíû 0 1 Ôîòîí 0 1 81 ãÝâ 96 ãÝâ 0 1 1 2 Âåêòîðíûå áîçîíû: W − ,W Z Ãðàâèòàöèîííîå ∞ Âñå ÷àñòèöû + 0 Ãðàâèòîí (ïîêà íå îáíàðóæåí) Ñõåìû ïðåâðàùåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö n → p +e− +ν~ µ + →e+ +ν +ν~ e− +e+ →2γ µ − →e− +ν~ +ν~ π + →µ + +ν π − →µ− +ν~