§1. Faceți cunoștință cu electronul, protonul, neutronul
Atomii sunt cele mai mici particule de materie.
Dacă măriți un măr de mărime medie la dimensiunea Pământului, atomii vor deveni doar de dimensiunea unui măr. În ciuda dimensiunilor atât de mici, atomul este format din particule fizice și mai mici.
Ar trebui să fiți deja familiarizați cu structura atomului de la cursul de fizică din școală. Și totuși, să ne amintim că atomul conține un nucleu și electroni, care se rotesc în jurul nucleului atât de repede încât devin imposibil de distins - formează un „nor de electroni” sau învelișul de electroni a atomului.
Electronii de obicei notat după cum urmează: e − . Electronii e− foarte ușoare, aproape fără greutate, dar au negativ incarcare electrica. Este egal cu −1. Curentul electric pe care îl folosim cu toții este un flux de electroni care circulă în fire.
Nucleul atomic, în care este concentrată aproape toată masa sa, constă din particule de două tipuri - neutroni și protoni.
Neutroni notată după cum urmează: n 0
, A protoni Asa de: p +
.
În ceea ce privește masa, neutronii și protonii sunt aproape la fel - 1,675 10−24 g și 1,673 10−24 g.
Adevărat, este foarte incomod să numărăm masa unor astfel de particule mici în grame, deci este exprimată în unități de carbon, dintre care fiecare este egal cu 1,673 10 −24 g.
Pentru fiecare particulă pe care o obținem masa atomică relativă, egal cu câtul dintre masa unui atom (în grame) împărțit la masa unei unități de carbon. Masele atomice relative ale unui proton și ale unui neutron sunt egale cu 1, dar sarcina protonilor este pozitivă și egală cu +1, în timp ce neutronii nu au sarcină.
. Ghicitori despre atom
Un atom poate fi asamblat „în minte” din particule, ca o jucărie sau o mașină din părți ale unui set de construcție pentru copii. Este necesar doar să respectați două condiții importante.
- Prima condiție: fiecare tip de atom are propriul său set propriu"Detalii" - particule elementare. De exemplu, un atom de hidrogen va avea cu siguranță un nucleu cu o sarcină pozitivă de +1, ceea ce înseamnă că trebuie să aibă cu siguranță un proton (și nu mai mult).
Un atom de hidrogen poate conține și neutroni. Mai multe despre asta în paragraful următor.
Atomul de oxigen (numărul atomic din Tabelul periodic este 8) va avea un nucleu încărcat opt sarcini pozitive (+8), ceea ce înseamnă că există opt protoni. Deoarece masa unui atom de oxigen este de 16 unități relative, pentru a obține un nucleu de oxigen, adăugăm încă 8 neutroni. - A doua condiție este că fiecare atom ar trebui să fie neutru din punct de vedere electric. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă destui electroni pentru a echilibra sarcina nucleului. Cu alte cuvinte, numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoniîn miezul său, precum și numărul de serie al acestui element din Tabelul Periodic.
Un atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care își păstrează toate proprietățile chimice. Un atom este format dintr-un nucleu, care are o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ. Sarcina nucleului oricărui element chimic este egală cu produsul dintre Z și e, unde Z este numărul de serie al acestui element din sistemul periodic al elementelor chimice, e este valoarea sarcinii electrice elementare.
Electron este cea mai mică particulă a unei substanțe cu sarcină electrică negativă e=1,6·10 -19 coulombi, luată ca sarcină electrică elementară. Electronii, care se rotesc în jurul nucleului, sunt localizați în învelișurile de electroni K, L, M etc. K este învelișul cel mai apropiat de nucleu. Mărimea unui atom este determinată de mărimea învelișului său de electroni. Un atom poate pierde electroni și deveni un ion pozitiv sau poate câștiga electroni și deveni un ion negativ. Sarcina unui ion determină numărul de electroni pierduți sau câștigați. Procesul de transformare a unui atom neutru într-un ion încărcat se numește ionizare.
Nucleul atomic(partea centrală a atomului) constă din particule nucleare elementare - protoni și neutroni. Raza nucleului este de aproximativ o sută de mii de ori mai mică decât raza atomului. Densitatea nucleului atomic este extrem de mare. Protoni- acestea sunt particule elementare stabile cu o singură sarcină electrică pozitivă și o masă de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron. Un proton este nucleul unui atom al celui mai ușor element, hidrogenul. Numărul de protoni din nucleu este Z. Neutroni este o particulă elementară neutră (fără sarcină electrică) cu o masă foarte apropiată de masa unui proton. Deoarece masa nucleului constă din masa protonilor și neutronilor, numărul de neutroni din nucleul unui atom este egal cu A - Z, unde A este numărul de masă al unui izotop dat (vezi). Protonul și neutronul care formează nucleul se numesc nucleoni. În nucleu, nucleonii sunt legați de forțe nucleare speciale.
Nucleul atomic conține o rezervă uriașă de energie, care este eliberată în timpul reacțiilor nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când nucleele atomice interacționează cu particulele elementare sau cu nucleele altor elemente. Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se formează noi nuclei. De exemplu, un neutron se poate transforma într-un proton. În acest caz, o particulă beta, adică un electron, este ejectată din nucleu.
Tranziția unui proton la un neutron din nucleu poate fi efectuată în două moduri: fie o particulă cu o masă egală cu masa electronului, dar cu o sarcină pozitivă, numită pozitron (desintegrare a pozitronilor), este emisă din nucleul sau nucleul captează unul dintre electronii din capacul K cel mai apropiat de acesta (K -capture).
Uneori, nucleul rezultat are un exces de energie (este într-o stare excitată) și, la revenirea la starea normală, eliberează excesul de energie sub formă de radiație electromagnetică cu o lungime de undă foarte scurtă - . Energia eliberată în timpul reacțiilor nucleare este utilizată practic în diverse industrii.
Un atom (greacă atomos - indivizibil) este cea mai mică particulă a unui element chimic care are proprietățile sale chimice. Fiecare element este alcătuit dintr-un anumit tip de atom. Atomul este format dintr-un nucleu, care poartă o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ (vezi), formând învelișurile sale de electroni. Mărimea sarcinii electrice a nucleului este egală cu Z-e, unde e este sarcina electrică elementară egală ca mărime cu sarcina electronului (4,8·10 -10 unități electrice), iar Z este numărul atomic al acestui element în tabelul periodic al elementelor chimice (vezi .). Deoarece un atom neionizat este neutru, numărul de electroni incluși în el este, de asemenea, egal cu Z. Compoziția nucleului (vezi Nucleul atomic) include nucleoni, particule elementare cu o masă de aproximativ 1840 de ori mai mare decât masa electronului. (egal cu 9,1 10 - 28 g), protoni (vezi), încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină (vezi). Numărul de nucleoni din nucleu se numește număr de masă și este desemnat cu litera A. Numărul de protoni din nucleu, egal cu Z, determină numărul de electroni care intră în atom, structura învelișurilor de electroni și substanța chimică. proprietățile atomului. Numărul de neutroni din nucleu este A-Z. Izotopii sunt varietăți ale aceluiași element, ale căror atomi diferă între ei ca număr de masă A, dar au același Z. Astfel, în nucleele atomilor diferiților izotopi ai aceluiași element există numere diferite de neutroni cu același numărul de protoni. Când se notează izotopii, numărul de masă A este scris deasupra simbolului elementului, iar numărul atomic dedesubt; de exemplu, izotopii oxigenului sunt desemnați: 
Dimensiunile unui atom sunt determinate de dimensiunile învelișurilor de electroni și sunt pentru tot Z o valoare de ordinul a 10 -8 cm.Deoarece masa tuturor electronilor unui atom este de câteva mii de ori mai mică decât masa nucleului , masa atomului este proporțională cu numărul de masă. Masa relativă a unui atom al unui izotop dat este determinată în raport cu masa unui atom al izotopului de carbon C12, luată ca 12 unități, și se numește masa izotopului. Se dovedește a fi aproape de numărul de masă al izotopului corespunzător. Greutatea relativă a unui atom al unui element chimic este valoarea medie (ținând cont de abundența relativă a izotopilor unui element dat) a greutății izotopice și se numește greutate atomică (masă).
Atomul este un sistem microscopic, iar structura și proprietățile sale pot fi explicate doar folosind teoria cuantică, creată în principal în anii 20 ai secolului XX și menită să descrie fenomene la scară atomică. Experimentele au arătat că microparticulele - electroni, protoni, atomi etc. - pe lângă cele corpusculare, au proprietăți de undă, manifestate prin difracție și interferență. În teoria cuantică, pentru a descrie starea micro-obiectelor, se folosește un anumit câmp de undă, caracterizat printr-o funcție de undă (funcția Ψ). Această funcție determină probabilitățile stărilor posibile ale unui microobiect, adică caracterizează posibilitățile potențiale de manifestare a anumitor proprietăți ale acestuia. Legea de variație a funcției Ψ în spațiu și timp (ecuația lui Schrodinger), care permite găsirea acestei funcții, joacă același rol în teoria cuantică ca legile mișcării lui Newton în mecanica clasică. Rezolvarea ecuației Schrödinger în multe cazuri duce la stări posibile discrete ale sistemului. Deci, de exemplu, în cazul unui atom, se obține o serie de funcții de undă pentru electroni corespunzătoare unor valori diferite (cuantificate) de energie. Sistemul de niveluri de energie atomică, calculat prin metodele teoriei cuantice, a primit o confirmare strălucitoare în spectroscopie. Tranziția unui atom de la starea fundamentală corespunzătoare celui mai scăzut nivel de energie E 0 la oricare dintre stările excitate E i are loc la absorbția unei anumite porțiuni de energie E i - E 0 . Un atom excitat ajunge la o stare mai puțin excitată sau fundamentală, de obicei prin emiterea unui foton. În acest caz, energia fotonului hv este egală cu diferența de energii ale atomului în două stări: hv = E i - E k unde h este constanta lui Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v este frecvența de lumina.
Pe lângă spectrele atomice, teoria cuantică a făcut posibilă explicarea altor proprietăți ale atomilor. În special, au fost explicate valența, natura legăturilor chimice și structura moleculelor și a fost creată teoria tabelului periodic al elementelor.
Introducere
Teoria actuală a structurii atomice nu răspunde la multe întrebări care apar în timpul diferitelor lucrări practice și experimentale. În special, esența fizică a rezistenței electrice nu a fost încă determinată. Căutarea supraconductivității la temperatură înaltă poate avea succes doar dacă cunoașteți esența rezistenței electrice. Cunoscând structura unui atom, puteți înțelege esența rezistenței electrice. Să luăm în considerare structura atomului, ținând cont de proprietățile cunoscute ale sarcinilor și câmpurilor magnetice. Modelul planetar al atomului propus de Rutherford este cel mai apropiat de realitate și corespunde datelor experimentale. Cu toate acestea, acest model corespunde doar atomului de hidrogen.
CAPITOLUL ÎNTÂI
PROTON SI ELECTRON
1. HIDROGEN
Hidrogenul este cel mai mic dintre atomi, astfel încât atomul său trebuie să conțină o bază stabilă atât a atomului de hidrogen, cât și a atomilor rămași. Un atom de hidrogen are un proton și un electron, electronul rotindu-se în jurul protonului. Se crede că sarcinile unui electron și ale unui proton sunt sarcini unitare, adică minime. Ideea unui electron ca un inel vortex cu o rază variabilă a fost introdusă de V.F. Mitkevich (L. 1). Lucrările ulterioare ale lui Wu și alți fizicieni au arătat că electronul se comportă ca un inel vortex rotativ, al cărui spin este direcționat de-a lungul axei mișcării sale, adică faptul că electronul este un inel vortex a fost confirmat experimental. În repaus, un electron care se rotește în jurul axei sale nu creează câmpuri magnetice. Numai când se mișcă un electron formează linii magnetice de forță.
Dacă sarcina unui proton este distribuită pe suprafață, atunci, rotindu-se împreună cu protonul, acesta se va roti numai în jurul propriei axe. În acest caz, ca un electron, sarcina unui proton nu va forma un câmp magnetic.
S-a stabilit experimental că protonul are un câmp magnetic. Pentru ca un proton să aibă un câmp magnetic, sarcina lui trebuie să fie sub forma unui punct pe suprafața sa. În acest caz, atunci când protonul se rotește, sarcina sa se va mișca într-un cerc, adică va avea o viteză liniară, care este necesară pentru a obține câmpul magnetic al protonului.
Pe lângă electron, există și un pozitron, care diferă de electron doar prin faptul că sarcina lui este pozitivă, adică sarcina pozitronului este egală cu sarcina protonului atât ca semn, cât și ca mărime. Cu alte cuvinte, sarcina pozitivă a unui proton este un pozitron, dar pozitronul este antiparticula electronului și, prin urmare, este un inel vortex care nu se poate răspândi pe întreaga suprafață a protonului. Astfel, sarcina unui proton este un pozitron.
Când un electron cu sarcină negativă se mișcă, pozitronul protonului, sub influența forțelor Coulomb, trebuie să se afle pe suprafața protonului la o distanță minimă de electron (Fig. 1). Astfel, se formează o pereche de sarcini opuse, interconectate prin forța maximă Coulomb. Tocmai pentru că sarcina unui proton este un pozitron, sarcina lui este egală cu electronul în valoare absolută. Când întreaga sarcină a unui proton interacționează cu sarcina unui electron, atunci nu există nicio sarcină „în plus” a protonului care ar crea forțe electrice de respingere între protoni.
Când un electron se mișcă în jurul unui proton în direcția prezentată în Fig. 1, sarcina pozitivă se mișcă sincron cu ea datorită forței Coulomb. Sarcinile în mișcare formează câmpuri magnetice în jurul lor (Fig. 1). În acest caz, în jurul electronului se formează un câmp magnetic în sens invers acelor de ceasornic, iar în jurul pozitronului se formează un câmp magnetic în sens invers acelor de ceasornic. Ca rezultat, între sarcini se formează un câmp total din două sarcini, ceea ce împiedică electronul să „cădeze” pe proton.
În toate figurile, protonii și neutronii sunt reprezentați ca sfere pentru a simplifica ilustrația. În realitate, ele ar trebui să fie sub formă de formațiuni de vortex toroidal ale eterului (L. 3).
Astfel, atomul de hidrogen arată ca Fig. 2 A). Forma câmpului magnetic al unui atom corespunde unui magnet în formă de torus cu magnetizare de-a lungul axei de rotație a sarcinilor (Fig. 2). b).
În 1820, Ampere a descoperit interacțiunea curenților - atracția conductoarelor paralele cu un curent care curge în aceeași direcție. Mai târziu, s-a determinat experimental că sarcinile electrice cu același nume, care se mișcă în aceeași direcție, sunt atrase unele de altele (L. 2).
Efectul de prindere indică, de asemenea, că încărcăturile ar trebui să se apropie una de alta, adică să se atragă reciproc. Efectul de strângere este efectul de auto-contracție a unei descărcări, proprietatea unui canal de curent electric într-un mediu conductor compresibil de a-și reduce secțiunea transversală sub influența propriului câmp magnetic generat de curentul însuși (L. 4).
Deoarece curentul electric este orice mișcare ordonată a sarcinilor electrice în spațiu, traiectorii electronilor și pozitronilor și protonilor sunt canale de curent care se pot apropia unul de celălalt sub influența unui câmp magnetic generat de sarcinile în sine.
În consecință, atunci când doi atomi de hidrogen se combină într-o moleculă, sarcinile cu același nume se vor combina în perechi și vor continua să se rotească în aceeași direcție, dar între protoni, ceea ce va duce la unificarea câmpurilor lor.
Apropierea electronilor și protonilor are loc până în momentul în care forța de repulsie a sarcinilor similare devine egală cu forța de tragere a sarcinilor împreună din câmpul magnetic dublu.
În fig. 3 a), b),Și V) arată interacțiunea sarcinilor de electroni și protoni ale atomilor de hidrogen atunci când se combină pentru a forma o moleculă de hidrogen.
În fig. Figura 4 prezintă o moleculă de hidrogen cu linii de câmp magnetic formate de generatoare de câmp a doi atomi de hidrogen. Adică, o moleculă de hidrogen are un generator de câmp dublu și un flux magnetic total care este de 2 ori mai mare.
Ne-am uitat la modul în care hidrogenul se combină într-o moleculă, dar molecula de hidrogen nu reacționează cu alte elemente chiar și atunci când este amestecată cu oxigen.
Acum să ne uităm la modul în care o moleculă de hidrogen este împărțită în atomi (Fig. 5). Când o moleculă de hidrogen interacționează cu o undă electromagnetică, electronul dobândește energie suplimentară, iar acest lucru pune electronii pe traiectorii orbitale (Fig. 5). G).
Astăzi, sunt cunoscuți supraconductori care au rezistență electrică zero. Acești conductori sunt formați din atomi și pot fi supraconductori numai dacă atomii lor sunt supraconductori, adică la fel și protonul. Levitația unui supraconductor peste un magnet permanent este cunoscută de mult timp, cauzată de inducerea unui curent în acesta de către un magnet permanent, al cărui câmp magnetic este îndreptat către câmpul magnetului permanent. Când câmpul extern este îndepărtat din supraconductor, curentul din acesta dispare. Interacțiunea protonilor cu o undă electromagnetică duce la inducerea de curenți turbionari pe suprafețele lor. Deoarece protonii sunt localizați unul lângă altul, curenții turbionari direcționează câmpurile magnetice unul către celălalt, ceea ce mărește curenții și câmpurile lor până când molecula de hidrogen este divizată în atomi (Fig. 5). G).
Eliberarea electronilor în traiectorii orbitale și apariția curenților care sparg molecula au loc simultan. Când atomii de hidrogen zboară unul de celălalt, curenții turbionari dispar, iar electronii rămân pe traiectorii orbitale.
Astfel, pe baza efectelor fizice cunoscute, am obținut un model al atomului de hidrogen. în care:
1. Sarcinile pozitive și negative dintr-un atom servesc la producerea liniilor de câmp magnetic, care, după cum se știe din fizica clasică, se formează numai atunci când sarcinile se mișcă. Liniile de câmp magnetic determină toate legăturile intraatomice, interatomice și moleculare.
2. Întreaga sarcină pozitivă a protonului - pozitronul - interacționează cu sarcina electronului, creează forța de atracție Coulomb maximă pentru electron, iar egalitatea sarcinilor în valoare absolută exclude protonul să aibă forțe de respingere pentru vecinătate. protoni.
3. În practică, atomul de hidrogen este un generator magnetic proton-electron (PEMG), care funcționează numai atunci când protonul și electronul sunt împreună, adică perechea proton-electron trebuie să fie întotdeauna împreună.
4. Când se formează o moleculă de hidrogen, electronii se perechează și se rotesc împreună între atomi, creând un câmp magnetic comun care îi menține pereche. Pozitronii de protoni se perechează și ei sub influența câmpurilor lor magnetice și adună împreună protoni, formând o moleculă de hidrogen sau orice altă moleculă. Sarcinile pozitive pereche sunt principala forță determinantă în legătura moleculară, deoarece pozitronii sunt direct asociați cu protoni și sunt inseparabili de protoni.
5. Legăturile moleculare ale tuturor elementelor apar într-un mod similar. Conexiunea atomilor în moleculele altor elemente este asigurată de protonii de valență cu electronii lor, adică electronii de valență sunt implicați atât în legarea atomilor în molecule, cât și în ruperea legăturilor moleculare. Astfel, fiecare conexiune a atomilor într-o moleculă este asigurată de o pereche de valență proton-electron (VPEP) de la fiecare atom per legătură moleculară. VPES consta întotdeauna dintr-un proton și un electron.
6. Atunci când o legătură moleculară este ruptă, electronul joacă rolul principal, deoarece, intrând într-o traiectorie orbitală în jurul protonului său, scoate pozitronul protonului din perechea situată între protoni până la „ecuatorul” protonului, asigurând astfel ruperea legăturii moleculare.
7. Când se formează o moleculă de hidrogen și molecule ale altor elemente, se formează un PEMG dublu.
- Traducere
În centrul fiecărui atom se află nucleul, o mică colecție de particule numite protoni și neutroni. În acest articol vom studia natura protonilor și neutronilor, care constau din particule și mai mici - quarci, gluoni și antiquarci. (Gluonii, ca și fotonii, sunt propriile lor antiparticule.) Quarcii și gluonii, din câte știm, pot fi cu adevărat elementari (indivizibili și nu constați din nimic mai mic ca dimensiune). Dar la ei mai târziu.
În mod surprinzător, protonii și neutronii au aproape aceeași masă - cu exactitate într-un procent:
- 0,93827 GeV/c 2 pentru proton,
- 0,93957 GeV/c 2 pentru un neutron.
Pentru că sunt atât de asemănătoare și pentru că aceste particule alcătuiesc nucleele, protonii și neutronii sunt adesea numiți nucleoni.
Protonii au fost identificați și descriși în jurul anului 1920 (deși au fost descoperiți mai devreme; nucleul unui atom de hidrogen este doar un singur proton), iar neutronii au fost descoperiți în jurul anului 1933. S-a realizat aproape imediat că protonii și neutronii sunt atât de asemănători între ei. Dar faptul că au o dimensiune măsurabilă comparabilă cu dimensiunea unui nucleu (de aproximativ 100.000 de ori mai mică ca rază decât un atom) nu a fost cunoscut până în 1954. Că acestea constau din quarci, antiquarci și gluoni a fost înțeles treptat de la mijlocul anilor 1960 până la mijlocul anilor 1970. Până la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, înțelegerea noastră despre protoni, neutroni și din ce sunt alcătuiți s-a stabilit în mare măsură și a rămas neschimbată de atunci.
Nucleonii sunt mult mai greu de descris decât atomii sau nucleii. Ca să nu spun că atomii sunt în principiu simpli, dar cel puțin se poate spune fără să se gândească că un atom de heliu este format din doi electroni pe orbită în jurul unui nucleu minuscul de heliu; iar nucleul de heliu este un grup destul de simplu de doi neutroni și doi protoni. Dar cu nucleoni totul nu este atât de simplu. Am scris deja în articolul „Ce este un proton și ce se află în el?” că un atom este ca un menuet elegant, iar un nucleon este ca o petrecere sălbatică.
Complexitatea protonului și neutronului pare a fi autentică și nu provine dintr-o cunoaștere incompletă a fizicii. Avem ecuații folosite pentru a descrie quarci, antiquarci și gluoni și interacțiunile nucleare puternice care au loc între ei. Aceste ecuații se numesc QCD, din cromodinamica cuantică. Precizia ecuațiilor poate fi testată într-o varietate de moduri, inclusiv măsurarea numărului de particule produse la Large Hadron Collider. Prin conectarea ecuațiilor QCD într-un computer și efectuând calcule privind proprietățile protonilor și neutronilor și ale altor particule similare (numite în mod colectiv „hadroni”), obținem predicții ale proprietăților acestor particule care aproximează îndeaproape observațiile făcute în lumea reală. Prin urmare, avem motive să credem că ecuațiile QCD nu mint și că cunoștințele noastre despre proton și neutron se bazează pe ecuațiile corecte. Dar doar a avea ecuațiile potrivite nu este suficient, deoarece:
- Ecuațiile simple pot avea soluții foarte complexe,
- Uneori este imposibil să descrii decizii complexe într-un mod simplu.
Din cauza complexității inerente a nucleonilor, tu, cititorul, va trebui să faci o alegere: cât de mult vrei să știi despre complexitatea descrisă? Indiferent cât de departe ai merge, cel mai probabil nu îți va aduce satisfacție: cu cât înveți mai mult, cu atât subiectul va deveni mai clar, dar răspunsul final va rămâne același - protonul și neutronul sunt foarte complexe. Vă pot oferi trei niveluri de înțelegere, cu detalii tot mai mari; te poți opri după orice nivel și trece la alte subiecte sau te poți scufunda până la ultimul. Fiecare nivel ridică întrebări la care pot răspunde parțial în următorul, dar răspunsurile noi ridică întrebări noi. Până la urmă - așa cum fac în discuțiile profesionale cu colegii și studenții avansați - nu vă pot referi decât la date obținute în experimente reale, la diverse argumente teoretice influente și simulări pe computer.
Primul nivel de înțelegere
Din ce sunt alcătuiți protonii și neutronii?Orez. 1: o versiune prea simplificată a protonilor, constând din doar doi cuarci up și un cuarc down, și neutroni, constând din doar doi cuarci down și un cuarc up
Pentru a simplifica lucrurile, multe cărți, articole și site-uri web indică faptul că protonii constau din trei quarci (doi quarci sus și unul down) și desenează ceva de genul Fig. 1. Neutronul este același, constând doar dintr-un quark up și doi down. Această imagine simplă ilustrează ceea ce credeau unii oameni de știință, mai ales în anii 1960. Dar curând a devenit clar că acest punct de vedere a fost simplificat prea mult până la punctul în care nu mai era corect.
Din surse mai sofisticate de informații, veți afla că protonii sunt formați din trei quarci (doi în sus și unul în jos) ținuți împreună de gluoni - și poate apărea o imagine similară cu Fig. 2, unde gluonii sunt atrași ca arcuri sau șiruri care țin quarci. Neutronii sunt la fel, doar cu un cuarc up și doi cuarci down.
Orez. 2: îmbunătățire fig. 1 datorită accentului pus pe rolul important al forței nucleare puternice, care deține quarcii în proton
Acesta nu este o modalitate atât de proastă de a descrie nucleonii, deoarece subliniază rolul important al forței nucleare puternice, care reține quarcii într-un proton în detrimentul gluonilor (la fel cum fotonul, particula care formează lumina, este asociat cu forța electromagnetică). Dar acest lucru este, de asemenea, confuz, deoarece nu explică cu adevărat ce sunt gluonii sau ce fac ei.
Există motive pentru a merge mai departe și a descrie lucrurile așa cum am făcut eu în: un proton este format din trei quarci (doi în sus și unul în jos), o grămadă de gluoni și un munte de perechi quark-antiquark (mai ales quarci sus și jos, dar sunt si cateva ciudate) . Toate zboară înainte și înapoi cu viteze foarte mari (apropiindu-se de viteza luminii); acest întreg set este ținut împreună de forța nucleară puternică. Am demonstrat acest lucru în Fig. 3. Neutronii sunt din nou la fel, dar cu unul sus și doi cuarci down; Cuarcul care și-a schimbat identitatea este indicat de o săgeată.
Orez. 3: reprezentare mai realistă, deși încă imperfectă, a protonilor și neutronilor
Acești quarci, anti-quarci și gluoni nu numai că se repetă înainte și înapoi, dar se ciocnesc unul cu celălalt și se transformă unul în celălalt prin procese precum anihilarea particulelor (în care un quarc și un antiquarc de același tip se transformă în doi gluoni, sau invers) sau absorbția și emisia unui gluon (în care un cuarc și un gluon se pot ciocni și să producă un cuarc și doi gluoni, sau invers).
Ce au în comun aceste trei descrieri:
- Doi cuarci up și un cuarc down (plus altceva) pentru un proton.
- Neutronul are un cuarc up și doi cuarci down (plus altceva).
- „Altul” al neutronilor coincide cu „altceva” al protonilor. Adică, nucleonii au același „altceva”.
- Mica diferență de masă dintre proton și neutron apare datorită diferenței dintre masele cuarcului down și al cuarcului up.
- pentru quarcii de top sarcina electrică este egală cu 2/3 e (unde e este sarcina unui proton, -e este sarcina unui electron),
- quarcii de fund au o sarcină de -1/3e,
- gluonii au o sarcină de 0,
- orice quarc și antiquarc-ul corespunzător au o sarcină totală de 0 (de exemplu, un quarc antidown are o sarcină de +1/3e, deci un quarc down și un quarc down vor avea o sarcină de –1/3 e +1/3 e = 0),
- sarcina electrică totală a protonului este 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- sarcina electrică totală a neutronului este 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- cât de mult „altceva” este în interiorul nucleonului,
- ce cauta acolo
- de unde provine masa și energia masei (E = mc 2, energia prezentă acolo chiar și atunci când particula este în repaus) a nucleonului.
Orez. 1 spune că quarcii sunt în esență o treime dintr-un nucleon, la fel ca un proton sau neutron este un sfert dintr-un nucleu de heliu sau 1/12 dintr-un nucleu de carbon. Dacă această imagine ar fi adevărată, quarkurile din nucleon s-ar mișca relativ lent (la viteze mult mai mici decât lumina) cu interacțiuni relativ slabe acționând între ei (deși cu o forță puternică care îi ține pe loc). Masa cuarcului, în sus și în jos, ar fi atunci de ordinul a 0,3 GeV/c 2 , aproximativ o treime din masa protonului. Dar această imagine simplă și ideile pe care le impune sunt pur și simplu greșite.
Orez. 3. oferă o idee complet diferită despre proton, ca un cazan de particule care se zboară în el la viteze apropiate de lumina. Aceste particule se ciocnesc unele de altele, iar în aceste ciocniri, unele dintre ele sunt anihilate, iar altele sunt create în locul lor. Gluonii nu au masă, masele quarcilor superiori sunt de ordinul a 0,004 GeV/c 2 , iar masele quarcilor inferiori sunt de ordinul a 0,008 GeV/c 2 - de sute de ori mai puțin decât un proton. De unde provine energia masei protonilor este o întrebare complexă: o parte din ea provine din energia masei quarcilor și antiquarcilor, o parte din energia de mișcare a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor și o parte (posibil pozitivă, poate negativă). ) din energia stocată în interacțiunea nucleară puternică, ținând împreună quarcii, antiquarcii și gluonii.
Într-un fel, Fig. 2 încercări de a rezolva diferența dintre Fig. 1 și fig. 3. Simplifică figura. 3, eliminând multe perechi quark-antiquark, care, în principiu, pot fi numite efemere, deoarece apar și dispar în mod constant și nu sunt necesare. Dar dă impresia că gluonii din nucleoni sunt o parte directă a forței nucleare puternice care ține protonii împreună. Și nu explică de unde provine masa protonului.
În fig. 1 există un alt dezavantaj, pe lângă cadrele înguste ale protonului și neutronului. Nu explică unele proprietăți ale altor hadroni, de exemplu, pion și rho meson. Fig. are aceleasi probleme. 2.
Aceste restricții au dus la faptul că le ofer studenților mei și pe site-ul meu poza din Fig. 3. Dar vreau să vă avertizez că are și multe limitări, despre care voi discuta mai târziu.
Este de remarcat faptul că complexitatea extremă a structurii implicată de Fig. 3 ar fi de așteptat de la un obiect ținut împreună de o forță la fel de puternică precum forța nucleară puternică. Și încă ceva: trei quarci (doi în sus și unul în jos pentru un proton) care nu fac parte dintr-un grup de perechi quarc-antiquarc sunt adesea numiți „cuarcuri de valență”, iar perechile quarc-antiquarc sunt numite „mare de perechi de quarci”. Un astfel de limbaj este convenabil din punct de vedere tehnic în multe cazuri. Dar dă impresia falsă că, dacă ai putea privi în interiorul unui proton și ai privi un anumit quarc, ai putea spune imediat dacă a fost parte a mării sau unul de valență. Acest lucru nu se poate face, pur și simplu nu există o astfel de modalitate.
Masa protonilor si masa neutronilor
Deoarece masele protonului și neutronului sunt atât de asemănătoare și deoarece protonul și neutronul diferă doar prin înlocuirea cuarcului up cu cuarcul down, se pare că masele lor sunt furnizate în același mod, provin din aceeași sursă. , iar diferența lor constă în diferența ușoară dintre quarcii sus și jos. Dar cele trei figuri de mai sus indică prezența a trei vederi foarte diferite asupra originii masei protonilor.Orez. 1 spune că quarcii sus și jos reprezintă pur și simplu 1/3 din masa protonului și neutronului: de ordinul a 0,313 GeV/c 2, sau din cauza energiei necesare pentru a menține quarcii în proton. Și întrucât diferența dintre masele unui proton și ale unui neutron este o fracțiune de procent, diferența dintre masele unui cuarc sus și jos trebuie să fie și o fracțiune de procent.
Orez. 2 este mai puțin clar. Cât de mult din masa unui proton se datorează gluonilor? Dar, în principiu, din figură rezultă că cea mai mare parte a masei protonilor provine încă din masa quarcilor, ca în Fig. 1.
Orez. 3 reflectă o abordare mai nuanțată a modului în care apare masa protonului (cum putem testa direct prin calculele computerizate ale protonului și indirect folosind alte metode matematice). Este foarte diferit de ideile prezentate în fig. 1 și 2 și se pare că nu este atât de simplu.
Pentru a înțelege cum funcționează acest lucru, trebuie să vă gândiți nu în termenii masei m a protonului, ci în termenii energiei sale de masă E = mc 2 , energia asociată cu masa. Din punct de vedere conceptual, întrebarea corectă nu este „de unde vine masa protonului m”, după care puteți calcula E prin înmulțirea m cu c 2 , ci invers: „de unde vine energia masei protonului E, ” după care se poate calcula masa m împărțind E la c 2 .
Este util să se clasifice contribuțiile la energia masei protonilor în trei grupe:
A) Energia de masă (energia de repaus) a quarcilor și antiquarcilor conținute în acesta (gluoni, particule fără masă, nu aduc nicio contribuție).
B) Energia de mișcare (energia cinetică) a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor.
C) Energia de interacțiune (energie de legare sau energie potențială) stocată în interacțiunea nucleară puternică (mai precis, în câmpurile de gluoni) care ține protonul.
Orez. 3 spune că particulele din interiorul protonului se mișcă cu viteză mare și că acesta este plin de gluoni fără masă, deci contribuția lui B) este mai mare decât A). De obicei, în majoritatea sistemelor fizice B) și C) se dovedesc a fi comparabile, în timp ce C) este adesea negativ. Deci, energia de masă a protonului (și neutronului) provine în principal din combinația dintre B) și C), cu A) contribuind cu o mică fracție. Prin urmare, masele protonului și neutronului apar în principal nu din cauza maselor particulelor pe care le conțin, ci din cauza energiilor de mișcare ale acestor particule și a energiei interacțiunii lor asociată cu câmpurile gluonilor care generează forțele care țin proton. În majoritatea celorlalte sisteme cunoscute nouă, bilanţul energetic este distribuit diferit. De exemplu, în atomi și în sistemul solar A) domină, iar B) și C) sunt mult mai mici și comparabile ca mărime.
Pentru a rezuma, menționăm că:
- Orez. 1 presupune că energia masei protonilor provine din contribuția A).
- Orez. 2 presupune că ambele contribuții A) și B) sunt importante, B) având o contribuție mică.
- Orez. 3 sugerează că B) și C) sunt importante, iar contribuția lui A) se dovedește a fi nesemnificativă.
Dacă fig. 3 nu minte, masele quarcului și antiquarcului sunt foarte mici. Cum sunt de fapt? Masa cuarcului de top (precum și a antiquarcului) nu depășește 0,005 GeV/c 2, ceea ce este mult mai mic decât 0,313 GeV/c 2, ceea ce rezultă din Fig. 1. (Masa cuarcului up este greu de măsurat și variază din cauza efectelor subtile, deci poate fi mult mai mică de 0,005 GeV/c2). Masa cuarcului inferior este cu aproximativ 0,004 GeV/s 2 mai mare decât masa cuarcului superior. Aceasta înseamnă că masa oricărui cuarc sau antiquarc nu depășește un procent din masa unui proton.
Rețineți că aceasta înseamnă (contrar cu Fig. 1) că raportul dintre cuarcul down și masa cuarcului sus nu se apropie de unitate! Masa cuarcului down este de cel puțin două ori masa cuarcului up. Motivul pentru care masele neutronului și protonului sunt atât de asemănătoare nu este pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt similare, ci pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt foarte mici - iar diferența dintre ele este mică, relativă. la masele protonului și neutronului. Amintiți-vă că, pentru a transforma un proton într-un neutron, trebuie pur și simplu să înlocuiți unul dintre cuarcii lui up cu un cuarc down (Figura 3). Această înlocuire este suficientă pentru a face neutronul puțin mai greu decât protonul și pentru a-și schimba sarcina de la +e la 0.
Apropo, faptul că diferitele particule din interiorul protonului se ciocnesc între ele și apar și dispar în mod constant, nu afectează lucrurile despre care discutăm - energia este conservată în orice coliziune. Energia de masă și energia de mișcare a quarcilor și gluonilor se pot modifica, la fel ca și energia interacțiunii lor, dar energia totală a protonului nu se modifică, deși totul în interiorul acestuia se schimbă constant. Deci masa protonului rămâne constantă, în ciuda vortexului său intern.
În acest moment vă puteți opri și absorbi informațiile primite. Uimitor! Practic toată masa conținută în materia obișnuită provine din masa nucleonilor din atomi. Și cea mai mare parte din această masă provine din haosul inerent protonului și neutronului - din energia de mișcare a quarcilor, gluonilor și antiquarcilor din nucleoni și din energia interacțiunilor nucleare puternice care țin nucleonul în întreaga sa stare. Da: planeta noastră, corpurile noastre, respirația noastră sunt rezultatul unui asemenea pandemoniu liniștit și, până de curând, inimaginabil.
Atom. Reprezentarea structurii unui atom. Electroni, protoni, neutroni
Atom - o particulă elementară a unei substanțe (element chimic), constând dintr-un anumit set de protoni și neutroni (nucleu atomic) și electroni.
Nucleul unui atom este format din protoni (p+) și neutroni (n0). Numărul de protoni N(p+) egal cu sarcina nucleului(Z) și numărul de serie al elementuluiîn seria naturală a elementelor (și în tabelul periodic al elementelor). Suma numărului de neutroni N(n0), notat simplu cu litera N, și numărul de protoni Z se numește număr de masă și se notează cu litera A. Învelișul de electroni a unui atom este format din electroni care se mișcă în jurul nucleului(e-). Numărul de electroni N(e-) în învelișul de electroni a unui atom neutru este egal cu numărul de protoni Z în centrul său.
O idee a modelului modern mecanic cuantic al atomului. Caracteristicile stării electronilor dintr-un atom folosind un set de numere cuantice, interpretarea lor și valorile permise
Atom – un microcosmos în care se aplică legile mecanicii cuantice.
Procesul ondulatoriu al mișcării electronilor într-un atom în jurul nucleului este descris folosind funcția de undă psi (ψ), care trebuie să aibă trei parametri de cuantizare (3 grade de libertate).
Sensul fizic – amplitudine tridimensională el. valuri.
n – număr cuantic principal, caracter. energic nivel într-un atom.
l – secundar (număr orbital) l=0…n-1, caracterizează energia. subnivelurile atomului și forma orbitalului atomic.
m l – frecventa magnetica ml= -l… +l, caracterizează orientarea elementului în p.t.
ms este numărul de rotire. Spaniolă Deoarece fiecare electron are propriul său moment de mișcare
Secvența de umplere a nivelurilor și subnivelurilor de energie cu electroni în atomii multielectroni. principiul lui Pauli. regula lui Hund. Principiul energiei minime.
etc. Gunda: umplerea are loc secvenţial în aşa fel încât suma numerelor de spin (impulsul mişcării) să fie maximă.
principiul Pauli: într-un atom nu pot exista 2 elemente care să aibă toate cele 4 cuante. Cifrele ar fi aceleași
Xn– numărul maxim de el. asupra energiei ur.
Începând din a 3-a perioadă se observă un efect de întârziere, care se explică prin principiul energiei minime: formarea învelișului de electroni a atomului are loc în așa fel încât electronul. ocupă o poziție favorabilă energetic atunci când energia de legare cu nucleul este maximă posibilă, iar energia proprie a electronului este minimă posibilă.
etc. Klicevski– cele mai benefice din punct de vedere energetic sunt cele la pisici. suma numerelor cuantice n și l tinde spre min.
Energia de ionizare și energia de afinitate electronică. Natura modificărilor lor pe perioade și grupuri ale sistemului periodic al lui D.I. Mendeleev. Metale și nemetale.
Energia de ionizare atomică- Energia necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un atom neexcitat se numește prima energie de ionizare (potențial).
Afinitatea electronică- Efectul energetic al adaugarii unui electron la un atom neutru se numeste afinitate electronica (E).
Energia de ionizare creșteîn perioade de la metale alcaline la gaze nobile si scadeîn grupuri de sus în jos.
Pentru elementele subgrupurilor principale afinitatea electronică creșteîn perioade de la stânga la dreapta si scadeîn grupuri de sus în jos.
Legea periodică și sistemul periodic de elemente de D.I. Mendeleev. Perioade, grupuri și subgrupe ale sistemului periodic. Relația dintre sistemul periodic și structura atomilor. Familii electronice de elemente.
formularea legii periodice este aceasta:
„proprietățile elementelor chimice (adică proprietățile și forma compușilor pe care îi formează) depind periodic de sarcina nucleului atomilor elementelor chimice.”
Tabelul periodic al lui Mendeleev este format din 8 grupe și 7 perioade.
Coloanele verticale ale unui tabel se numesc grupuri. Elementele din fiecare grup au proprietăți chimice și fizice similare. Acest lucru se explică prin faptul că elementele aceluiași grup au configurații electronice similare ale stratului exterior, numărul de electroni pe care este egal cu numărul grupului. în care grupul este împărțit în subgrupe principale și secundare.
Spre principal subgrupurile includ elemente ai căror electroni de valență sunt localizați pe subnivelurile exterioare ns și np. Interior subgrupurile includ elemente ai căror electroni de valență sunt localizați pe subnivelul exterior ns și subnivelul interior (n - 1) d (sau (n - 2) subnivelul f).
Toate elementele din tabelul periodic, în funcție de subnivel(s-, p-, d- sau f-) electronii de valență se clasifică în: s- elemente (elemente ale principalelor subgrupe ale grupelor I și II), p- elemente (elemente ale principalelor subgrupe ale grupelor III - VII) , elemente d- (subgrupuri laterale de elemente), elemente f (lantanide, actinide).
Rândurile orizontale ale tabelului se numesc perioade. Elementele din perioade diferă unele de altele, dar ceea ce au în comun este că ultimii electroni sunt la același nivel energetic (numărul cuantic principal n este același).
Metoda legăturii de valență
Doar orbitalii atomici de valență (electroni) participă la formarea legăturilor chimice covalente, iar restul sunt localizați în apropierea nucleului atomului.
Puncte cheie:
Doar orbitalii atomici de valență participă la formarea legăturilor chimice.
Un covalet este format din doi electroni cu spin antiparalel
Conexiunea este situată în direcția în care posibilitatea suprapunerii norilor de electroni este minimă
8. Două mecanisme de formare a legăturilor covalente: convențional și donor-acceptor.
9. Hibridarea orbitalilor atomici de valență: sp-, sp 2 -, sp 3 -hibridarea. Forma geometrică și polaritatea moleculelor. Principalele caracteristici ale legăturilor covalente: lungime, energie, direcție, saturație, unghiuri de legătură.
Hibridizare- aceasta este alinierea energetică a orbitalilor atomici de valență, însoțită de alinierea formelor de electroni. nori
Orbitalii atomici hibrizi au forma unei figuri a opt direcționate într-un plan; în spațiul tridimensional au o formă de gantere scurtată numită q-a.o.
Polaritatea moleculelor este determinată de compoziția și forma geometrică a acestora.
Nepolar (p = O) va fi:
a) molecule de substanțe simple, deoarece conțin numai legături covalente nepolare;
b) molecule poliatomice de substanţe complexe, dacă forma lor geometrică este simetrică.
Polar (p > O) va fi:
a) molecule diatomice de substanțe complexe, deoarece conțin doar legături polare;
b) molecule poliatomice de substanțe complexe, dacă structura lor este asimetrică, adică forma lor geometrică este fie incompletă, fie distorsionată, ceea ce duce la apariția unui dipol electric total, de exemplu, în moleculele NH3, H2O, HNO3 și HCN.
Cov.st. energie|Ex.s.(kJ/mol)– cantitatea de energie eliberată atunci când au loc reacții chimice într-un volum de 1 mol de elemente
Lungimea golfului St.– este definită ca o linie dreaptă care leagă nucleele atomilor elementelor chimice
Saturation cov chemical sv– fiecare valență a.o. Un atom poate forma o singură legătură chimică, adică se suprapun doar 1 dată cu a.a. alți atomi
Concentrează-te– determină structura moleculară a substanțelor și geometrică. forma moleculelor lor. Unghiurile dintre 2 legături se numesc unghiuri de legătură.
Polaritate– este cauzată de o distribuție neuniformă a densității electronilor din cauza diferiților atomi electronegativi într-o moleculă formată din atomi ai aceluiași electron (o2, cl2...) total el. norul este distribuit simetric fata de nucleele atomice, deoarece diferența de electronegativitate = 0. Astfel de legături chimice se numesc polar.
În moleculele de tip HF HCl, norul electric general este deplasat spre nucleul particulei cu o e.o mai mare. se numesc astfel de conexiuni nepolar
Reacțiile care diferă ca efect termic sunt endoterme și exoterme. Conversii de energie în reacții chimice. Prima lege a termodinamicii. Funcții de stare: energie internă, entalpie, entropie, energie Gibbs.
Reacție exotermă- o reacție chimică însoțită de degajare de căldură.
Reacție endotermă- o reacție chimică în care se absoarbe căldură.
Eliberarea sau absorbția energiei are loc sub formă de căldură. Acest lucru ne permite să judecăm prezența în substanțe a unei anumite cantități de energie ( energie de reacție internă).
În timpul reacțiilor chimice, o parte din energia conținută în substanțe este eliberată, aceasta se numește efectul termic al reacției. prin care se poate aprecia modificarea cantității de energie internă a unei substanțe.
În timpul reacțiilor chimice, are loc conversia reciprocă a energiilor - energia internă a substanțelor în termică, radiantă, electrică și mecanică și invers.
Modificarea energiei interne a unui sistem în timpul tranziției sale de la o stare la alta este egală cu suma muncii forțelor externe și a cantității de căldură transferată sistemului:
unde ΔU este modificarea energiei interne, A este munca forțelor externe, Q este cantitatea de căldură transferată sistemului.
Din (ΔU = A + Q) urmează legea conservării energiei interne. Dacă sistemul este izolat de influențele externe, atunci A = 0 și Q = 0 și, prin urmare, ΔU = 0.
În timpul oricăror procese care au loc într-un sistem izolat, energia sa internă rămâne constantă.
Dacă munca este efectuată de sistem și nu de forțe externe, atunci ecuația (ΔU = A + Q) se scrie astfel:
unde A" este munca efectuată de sistem (A" = -A).
Cantitatea de căldură transferată sistemului se duce pentru a-și schimba energia internă și pentru a efectua lucrări asupra corpurilor externe de către sistem.
Funcția de stat se numește o astfel de caracteristică variabilă a unui sistem care nu depinde de preistoria sistemului și schimbarea în care în timpul trecerii sistemului de la o stare la alta nu depinde de modul în care s-a făcut această schimbare.
Energie interna caracterizează alimentarea totală a sistemului (toate tipurile de energie din sistem)
Entropie– este o măsură a dezordinii sistemului. Enpropia este introdusă în funcție de stare, a cărei modificare este determinată de raportul dintre cantitatea de căldură primită sau eliberată de sistem la t – T.
Entalpia de formare a unei substanțe complexe din substanțe simple este efectul termic al reacției de formare a unei substanțe date din substanțe simple în stări standard, raportat la 1 mol din substanța rezultată.
Energia Gibbs este o mărime care arată modificarea energiei în timpul unei reacții chimice.
Concepte de bază de cinetică chimică. Viteza unei reacții chimice. Factori care influențează viteza de reacție în procese omogene și eterogene.
Cinetica chimică – studiază viteza unei reacții chimice și dependența acesteia de diverși factori, precum și mecanismul reacțiilor chimice.
Viteza chimicăreactii numiți numărul de acte de reacție elementare care au loc pe unitatea de timp.
Viteza unei reacții chimice depinde de:
1) concentraţiile substanţelor care reacţionează;
2) temperatura;
3) prezenţa catalizatorilor;
4) natura substanţelor care reacţionează;
5) gradul de măcinare a materiei solide;
6) agitarea dacă substanțele sunt în stare dizolvată.
sursa V = 
Viteza medie a fiecărei reacții este determinată de modificarea concentrației molare a substanțelor care reacţionează într-o perioadă de timp. (mol/(litri*s))
21. Influența concentrației asupra vitezei unei reacții chimice. Legea acțiunii în masă.
Legea acțiunii masei arată dependența vitezei unei substanțe chimice. reacţie in functie de concentratie reactioneaza. in-in.
Viteza chimică reacţiona. Direct proporțional cu producția. conc. substanţe care reacţionează, luate în grade din coeficienţii lor stoichiometrici.
Pentru reacțiile cu gaz, se poate folosi presiune parțială.
Legea este valabilă doar pentru OMOGEN sisteme Dacă sistemul este eterogen, atunci viteza. Reacţie Depinde de suprafața (gradul de presiune) fazei solide.
Pe măsură ce temperatura crește, rezerva de energie internă a moleculelor crește. Din ce în ce mai mulți dintre ei devin activi. Ca o consecință a acestui fapt, crește proporția de ciocniri efective între molecule pe unitatea de timp și, prin urmare, viteza reacției chimice.
Odată cu creșterea temperaturii, concentrațiile substanțelor inițiale din amestecul de reacție practic nu se modifică. Aceasta înseamnă că o creștere a vitezei de reacție în conformitate cu ecuația cinetică principală ar trebui să fie asociată cu o creștere a constantei sale de viteză.
Omul de știință olandez Van't Hoff a determinat experimental că pentru reacțiile chimice (având un tip normal de dependență a vitezei de temperatură), cu o creștere a temperaturii la fiecare 10 grade, valoarea constantei de viteză crește de 2-4 ori. Mai mult, pentru fiecare reacție chimică acest număr este constant și poate lua atât valori întregi (2, 3, 4) cât și fracționale din intervalul specificat. Se determină experimental, numit coeficientul de temperatură al vitezei unei reacții chimice sau coeficientul Van't Hoff și este notat cu litera greacă γ:
γ = 
unde k T este constanta de viteză a unei reacții chimice la o temperatură egală cu T; k T+10 este constanta de viteză a unei reacții chimice la o temperatură crescută cu 10 grade față de cea inițială.
Energia de activare a unei reacții chimice (E a) în sensul ei fizic poate fi definită ca acea energie în exces, în comparație cu energia medie a moleculelor inactive ale substanțelor inițiale din sistemul de reacție la o temperatură dată, care trebuie să le fie conferită. astfel încât ciocnirile dintre ele conduc la o reacție chimică.
Rezerva minimă de energie pe care trebuie să o aibă moleculele pentru a intra într-o anumită reacție poate fi considerată un fel de barieră energetică pentru această reacție.
Mai mult, cu cât este mai mare, cu atât mai puține molecule sunt capabile să o depășească. Cunoscând numărul total de molecule din sistem și energia de activare pentru o reacție dată, numărul de astfel de molecule active poate fi calculat folosind legea Maxwell-Boltzmann
unde Na este numărul de molecule active, N o este numărul total de molecule.
Tipuri de hidroliză de sare
Interacțiunea chimică a ionilor de sare cu ionii de apă, care duce la formarea unui electrolit slab și însoțită de o modificare a pH-ului soluției, se numește hidroliza sărurilor.
Orice sare poate fi considerată ca un produs al interacțiunii dintre un acid și o bază. Tipul de hidroliză a unei săruri depinde de natura bazei și a acidului care formează sarea. Există 3 tipuri de hidroliză de sare posibile.
Hidroliza prin anion merge dacă sarea este formată dintr-un cation al unei baze tare și un anion al unui acid slab. De exemplu, sarea CH3COONa este formată din baza tare NaOH și acidul monobazic slab CH3COOH. Ionul electrolit slab CH3COO– suferă hidroliză.
Hidroliza prin cation merge dacă sarea este formată dintr-un cation al unei baze slabe și un anion al unui acid puternic. De exemplu, sarea CuSO4 este formată din baza slabă diacid Cu(OH)2 și acidul puternic H2SO4. Hidroliza are loc la cationul Cu2+ și are loc în două etape cu formarea unei săruri bazice ca produs intermediar.
Hidroliza prin cation și anion merge dacă sarea este formată dintr-un cation al unei baze slabe și un anion al unui acid slab. De exemplu, sarea CH3COONH4 este formată din baza slabă NH4OH și acidul slab CH3COOH. Hidroliza are loc de-a lungul cationului NH4+ și anionului CH3COO–.
Hidroliza poate fi caracterizată cantitativ folosind constante de hidroliză (KG)Și grad de hidroliză (h).
Constanta de hidroliză (K G)-este raportul dintre produsul ionic al apei (K w ) la constanta de disociere a bazei slabe sau a acidului slab care formează o sare dată.
Coeficientul unei marimi constante impartit la alta este, de asemenea, o marime constanta. De aceea K G este o valoare constantă care caracterizează capacitatea unei săruri de a suferi hidroliză. Sens K G depinde de natura sării, temperatură și nu depinde asupra concentrației soluției.
1. Pentru tipul de sare NH4Cl:
Cu cât acidul este mai slab, cu atât sărurile formate de acest acid sunt supuse hidrolizei.
3. Pentru tipul de sare NH4CN:
Din moment ce, prin urmare, . Astfel, în prima etapă, hidroliza sărurilor are loc întotdeauna într-o măsură mai mare.
Gradul de hidroliză (h)-raportul dintre cantitatea de sare hidrolizată și cantitatea totală de sare dizolvată, de obicei exprimată ca procent.
Dacă, de exemplu, 2 moli de sare au fost dizolvați în apă și 0,01 moli au suferit hidroliză, atunci 
.
Gradul de hidroliză depinde de mulți factori:
1. În primul rând, depinde de natura chimică a ionilor care alcătuiesc o sare dată. Astfel, în soluțiile de CH 3 COONa și NaCN cu concentrații molare de 0,1 mol/l la 25 0 C, gradul de hidroliză al sărurilor este diferit:
h(CH3COONa) = 0,01% și h(NaCN) = 1,5%.
Acest lucru se explică prin diferitele puteri ale acizilor care alcătuiesc sărurile:
Prin urmare:
Cu cât acidul (baza) care formează sarea este mai slab, cu atât gradul de hidroliză este mai mare.
2. Gradul de hidroliză se modifică foarte mult odată cu schimbările de temperatură a soluției de sare. Într-adevăr, procesul de hidroliză este endotermic, prin urmare:
Cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare gradul de hidroliză.
3. Gradul de hidroliză depinde de concentrația soluției:
Cu cât concentrația soluției de sare este mai mică, cu atât este mai mare gradul de hidroliză.
Gradul de hidroliză poate fi exprimat prin constanta de hidroliză:
1. Pentru tipul de sare NH4Cl:
3. Pentru tipul de sare NH4CN:
 | (7) |
Astfel, gradul de hidroliză al sărurilor formate dintr-un acid slab și o bază slabă practic nu depinde de concentrația soluției de sare.
34. Potențialul electrodului. Apariția unui potențial salt la limita interfazei. Conceptul de sistem de electrozi și reacția electrodului.
Potențialul electrodului- valoare relativă deoarece măsurat în raport cu un standard, electrodul de hidrogen este luat ca standard
Salt de capacitate
Când are loc o reacție electrochimică pe suprafața electrozilor de primul tip, se formează o sarcină pozitivă sau negativă în raport cu stratul adiacent de soluție, care se numește salt de potențial. Acest salt este greu de măsurat, așa că este introdus conceptul de potențial electrod
35. Sisteme cu electrozi, clasificarea lor. Particule care determină ox și roșu în sisteme de electrozi de diferite tipuri.
primul fel constă dintr-un electrod metalic - un conductor scufundat într-o soluție apoasă a unui electrolit, care conține și cationi ai acestui metal. (Metalul este scufundat într-o soluție de sare.) Electrodul conductor este ROȘU, iar cationul său este OX
2 feluri constă dintr-un electrod conductor metalic acoperit cu un compus puțin solubil care conține aceiași anioni ai acestui metal și scufundat într-o soluție de electrolit care conține aceiași anioni ai compusului puțin solubil. La electrozii de al doilea tip, forma oxidată este un compus slab solubil (MA), forma redusă este atomul de metal (M) și anionul de soluție (AZ-).
Electrozi nemetalici
Electrozii nemetalici sunt sisteme formate dintr-un electrod conductor care nu participă la reacția electrodului, dar este un furnizor de electroni pentru reacția electrodului. Dacă particulele OX și RED dintr-un electrod nemetalic sunt ioni, atunci astfel de electroni se numesc redox . Dacă una dintre particulele care determină potențialul este un gaz, atunci se numesc astfel de electrozi gaz.
Conceptul de potențial standard al electrodului de echilibru. Tabel cu potențialele electrozilor standard. Seria de tensiune electrochimică a metalelor și utilizarea acesteia pentru evaluarea activității electrochimice a metalelor.
36. a) Electrod standard de hidrogen. Electrod de oxigen.
Pentru condiții standard, de ex. Când activitatea ionilor de hidrogen și presiunea parțială a hidrogenului sunt egale cu 1, iar temperatura este de 250 C, se acceptă în general că potențialul standard al electrodului de hidrogen este zero. Electrodul de hidrogen se numește electrod de referință.
Ecuația Nernst pentru un electrod de hidrogen: ϕ H + /H 2 =-0,059*PH
Pentru oxigen ϕOH - /O 2 =1,23-0,059PH
Cu cât potenţialele standard de reducere sunt mai mari, cu atât pot fi reduse mai uşor, cu alte cuvinte, cu atât agenţii oxidanţi sunt mai puternici. Și invers: un potențial negativ scăzut înseamnă că această formă este un agent reducător puternic.
Oxidativ
Pasivare
Într-o stare compactă, pe suprafața metalului se formează un strat - o peliculă a fazei de oxid, care poate proteja împotriva coroziunii ulterioare. Acest fenomen se numește auto-pasivare.
Condiția de continuitate a filmului este determinată de regula Pilling și Bedworth
pe suprafața metalică se formează o peliculă destul de puternică
Se formează o peliculă liberă
Film crăpat care nu protejează împotriva coroziunii
42. Interacțiunea chimică a metalelor cu soluțiile alcaline.
Numai acele metale ai căror oxizi și hidroxizi au proprietăți amfotere și acide pot reacționa cu alcalii. Acestea sunt metale: Be, Zn, Al, Ti, Ta, Cr, Mo, W, Mn, V, Nb
Metalele ai căror oxizi și hidroxizi au numai proprietăți de bază față de alcalii sunt rezistente chimic (metale alcaline și alcalino-pământoase)
Alcaliile din soluții și topituri acționează doar ca mediu, iar agentul de oxidare în raport cu metalele din soluțiile alcaline este H 2 O, în topituri agentul de oxidare este O 2
43. Interacțiunea chimică a metalelor cu apa.
În funcție de activitatea metalului, reacția are loc în condiții diferite și se formează diferiți produși.
1). Interacțiunea cu cele mai active metale , stând în tabelul periodic la Grupele I A și I I A (metale alcaline și alcalino-pământoase) și aluminiu . În seria de activități, aceste metale sunt situate până la aluminiu (inclusiv)
Reacția se desfășoară în condiții normale, producând alcali și hidrogen.
metale active - Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Ca, Sr, Ba, Ra + Al - reacţionează astfel
Procese catodice
Deoarece cationii și moleculele de apă acceptă electroni din catod pe un catod inert într-o soluție neutră, acele particule care au cea mai mare capacitate de oxidare sunt mai întâi reduse (cu cât este mai mare potențialul, capacitatea >OX.
Procese anodice
Deoarece anionii și moleculele de apă donează electroni anodului, acele particule care au o capacitate de reducere mai mare (cu cel mai mic potențial de electrod) se oxidează mai întâi într-o soluție neutră ϕ O 2/ H 2 O = 1,23-0,059*PH
45. Procese de oxidare anodica si reducere catodica. Electroliza cu un anod inert și dizolvant.
Procesul catodic.
Deoarece moleculele de cation și apă acceptă electrozii din catod, acele particule care au cea mai mare capacitate de oxidare sunt reduse în primul rând la catodul inert într-o soluție neutră (cu cât este mai mare potențialul, cu atât capacitatea lor de oxidare este mai mare)
Nivelul Nersnst – ϕh20/h2 =-0,059pH.
După apă nu se descarcă (<-0.41)
Proces anodic.
Deoarece anionii și H20 donează electroni anodului, într-o soluție neutră acele particule care au o reducere mai mare sunt mai întâi oxidate. Abilitate (cu cel mai mic potential).
Pentru H2O conform ecuației Nernst ϕoh/h20=1,23-0,059pH
Anonii complecși care conțin oxigen nu pot fi oxidați la anod din soluții apoase dacă ionii metan și non-meth în starea lor au o oxidare maximă
Excl – S+6O4 la S2O8
Metalele nu pot lua parte la procesul de reducere la catod.
46. Calculul maselor de substanțe – produse de electroliză conform legii lui Faraday. Ieșirea curentă a produselor de electroliză.
m = AIT/nF
A – masa atomică a electronului
I – valoarea curentă
T – timp
F – constantă faraday
N – valență
E – echivalent chimic = A/n (m= EIT/F) în ore – EIT/26,8
Prima lege a electrolizei a lui Faraday: masa unei substanțe depuse pe un electrod în timpul electrolizei este direct proporțională cu cantitatea de electricitate transferată acestui electrod. Prin cantitatea de electricitate înțelegem sarcina electrică, de obicei măsurată în coulombs.
A doua lege a electrolizei a lui Faraday: pentru o cantitate dată de electricitate (sarcină electrică), masa unui element chimic depus pe electrod este direct proporțională cu masa echivalentă a elementului. Masa echivalentă a unei substanțe este masa sa molară împărțită la un număr întreg, în funcție de reacția chimică la care participă substanța.
Randamentul substanței B=mfact/mtheor*100%
Mfact – masa reală a unei substanțe pe anod și catod
Mteor – masa calculată folosind formule
47. Analiza chimică. Analiza calitativă a substanțelor anorganice. Reacții caracteristice și specifice. Clasificarea analitică a cationilor și anionilor.
Analiza chimica- determinarea compoziţiei chimice şi structurii substanţelor; include analiza calitativă și cantitativă.
Sarcina analizei calitative este de a clarifica componenţa calitativă a obiectului analizat.
Sarcina analizei cantitative este de a determina conținutul exact al elementelor individuale sau al compușilor acestora din obiectul analizat.
Diferitele metode de cercetare utilizate în analizele calitative și cantitative pot fi împărțite în trei grupe principale de metode:
Chimic, unde se folosesc reacții chimice, al căror rezultat este determinat vizual;
Fizic, bazat pe măsurarea oricăror caracteristici fizice ale unei substanțe care sunt în funcție de compoziția sa chimică;
Fizico-chimic, bazat pe observarea modificărilor proprietăților fizice ale substanțelor (densitate optică, conductivitate electrică, conductivitate termică etc.) care apar ca urmare a unei reacții chimice.
48. Metode de analiză cantitativă - gravimetrică și titrimetrică (volumetrice).
Titrare este un proces în care o soluție de reactiv (R.V.) cu o concentrație precis cunoscută într-o cantitate echivalentă cu conținutul componentului care se determină (R.V.) se adaugă lent, prin picurare, la soluția analizată.
Analiza gravimetrică (greutate) este o metodă de analiză chimică cantitativă bazată pe măsurarea exactă a masei substanței care se determină sau a părților sale constitutive, izolate în stare chimică pură sau sub formă de compuși corespunzători (compoziție constantă exact cunoscută).
Metoda de analiză titrimetrică (volum) este o metodă de analiză chimică cantitativă bazată pe măsurarea precisă a volumului reactivului (v.v.) necesar pentru a finaliza reacția cu o cantitate dată de analit (v.v.).
Analiza gravimetrică se bazează pe legea conservării masei substanțelor în timpul transformărilor chimice. Aceasta este cea mai precisă dintre metodele de analiză chimică. Caracteristicile sale metrologice: limita de detecție – 0,10% sau 10-3 mol/dm3; precizie - 0,2%.
Metoda titrimetrică de analiză are aceeași limită de detecție ca la gravimetrie - 0,10% sau 10-3 mol/dm3; dar este exact inferior lui - 0,5%. Deși mai precisă, analiza gravimetrică are un dezavantaj semnificativ în comparație cu analiza titrimetrică: necesită mult timp pentru a finaliza analiza.
49. Metoda de titrare acido-bazică . Calcule conform legii echivalentelor. Tehnica titrarii. Sticla volumetrică în metoda titrimetrică
Titrare acido-bazică- metode titrimetrice pentru determinarea concentrației de acizi sau baze pe baza reacției de neutralizare:
H + + OH - = H2O
Titrarea cu o soluție alcalină se numește alcalimetrieși titrare cu o soluție acidă - acidimetrie. La determinarea cantitativă a acizilor (alcalimetrie), soluția de lucru este o soluție de alcali NaOH sau KOH; la determinarea cantitativă a alcaline (acidimetrie), soluția de lucru este o soluție de acid puternic (de obicei HCl sau H2SO4). Substante determinate: acizi tari si slabi; baze puternice și slabe; săruri supuse hidrolizei.
Tipuri de titrare acido-bazică:
Titrarea unui acid tare cu o bază tare sau invers;
Titrarea unui acid slab cu o bază tare;
Titrarea unei baze slabe cu un acid puternic.
Indicatori titrarile acido-bazice sunt acizi organici slabi si baze in care formele moleculare si ionice difera ca culoare. În timpul procesului de disociere, aceste două forme sunt în echilibru. O modificare a pH-ului într-o titrare acido-bazică perturbă echilibrul procesului de disociere a indicatorului, ceea ce determină acumularea unei forme a indicatorului în soluție, a cărei culoare poate fi observată vizual.
Legea echivalenților este formulată după cum urmează: cantitățile echivalente ale tuturor substanțelor care participă la reacție sunt aceleași. Pentru o reacție chimică ireversibilă
nAA + nBB+ …= nCC + nDD + …
în conformitate cu legea echivalentelor, egalitatea va fi întotdeauna adevărată:
peqA = peqB = … = peqC = peqD = …
Titrarea se efectuează folosind o biuretă umplută cu titrant până la marcajul zero. Nu se recomandă titrarea pornind de la alte semne, deoarece scara biuretei poate fi neuniformă. Biuretele se umplu cu soluția de lucru printr-o pâlnie sau folosind dispozitive speciale dacă biureta este semiautomată. Punctul final de titrare (punctul de echivalență) este determinat de indicatori sau metode fizico-chimice (conductivitate electrică, transmisie luminoasă, potențial electrod indicator etc.). Rezultatele analizei sunt calculate pe baza cantității de soluție de lucru utilizată pentru titrare.
La efectuarea determinărilor titrimetrice, măsurarea volumelor de soluții standard sau analizate se efectuează folosind vase de măsurare precise:
flacon volumetric;
50. Metoda titrimetrică de analiză. Clasificarea metodelor de analiză titrimetrică. Indicatori în metoda titrimetrică de analiză.
Analiza titrimetrică– o metodă de analiză chimică cantitativă, care se bazează pe măsurarea volumului exact al unei soluții cu o concentrație precis cunoscută (titrant) cheltuită la interacțiunea cu substanța care se determină.
Clasificare prin metoda de titrare. De obicei, există trei metode: titrare directă, inversă și de substituție.
titrare directa - Aceasta este titrarea unei soluții de analit A direct cu o soluție de titrant B. Se utilizează dacă reacția dintre A și B se desfășoară rapid. Conținutul de component A în timpul titrarii directe cu titrant B se calculează pe baza egalității n = n.
Titrare înapoi constă în adăugarea la analit A a unui exces dintr-o cantitate precis cunoscută de soluție standard B și, după finalizarea reacției dintre ele, titrarea cantității rămase de substanță B cu soluția titrant B.” Această metodă este utilizată în cazurile în care reacția dintre A și B nu procedează suficient de repede sau nu este un indicator adecvat pentru a fixa punctul de echivalență al acestei reacții.
Numărul de moli de echivalent al analitului A în timpul titrarii inverse este întotdeauna egal cu diferența dintre numărul de moli de echivalent al substanțelor B și B’:
p = p - p
Titrare indirectă constă în titrarea cu titrant B nu cu analitul A, ci cu o cantitate echivalentă de substituent A, rezultat dintr-o reacție efectuată anterior între analitul A și un anumit reactiv.
Titrarea substituentului este de obicei utilizată în cazurile în care titrarea directă nu este posibilă.
Numărul de moli echivalent al analitului la titrarea unui substituent este întotdeauna egal cu numărul de moli echivalent al titrantului:
p = p = p
Indicatori- substanțe care fac posibilă stabilirea punctului final de titrare (momentul unei schimbări bruște a culorii soluției titrate). Cel mai adesea, se adaugă un indicator la întreaga soluție care este titrată (indicator intern). Când lucrați cu indicatori externi, luați periodic o picătură de soluție titrată și amestecați-o cu o picătură de soluție indicator sau puneți-o pe hârtie indicatoare (ceea ce duce la
