Главная составляющая часть атмосферы Земли. Слово «Азот», предложенное французским химиком А.Лавуазье в конце 18 века, греческого происхождения. «Азот» означает «Безжизненный». Именно так считал Лавуазье, а также его современники. Элемент азот образует простое вещество, которое при обычных условиях является газом, без цвета, запаха и вкуса. Этот газ был выделен из воздуха в 1772 году Резерфордом и Шееле. Этот газ не поддерживал дыхания и горения, поэтому и был так назван. Однако дышать чистым кислородом постоянно человек не может. Даже больным дают чистый кислород только непродолжительное время. Называть его безжизненным не совсем правильно. Все растения подкармливают азотом, калием, фосфором, внося минеральные удобрения. Азот входит в состав важнейших органических соединений, в том числе таких важных, как белки и аминокислоты. Для человека чрезвычайно полезна относительная инертность этого газа. Будь он более склонен к химическим реакциям, атмосфера Земли не могла бы существовать в том виде, в каком она существует. Сильный окислитель кислород вступил бы с азотом в реакцию, и образовались бы ядовитые оксиды азота. Но если бы азот нельзя было связать ни при каких условиях, не было бы и жизни на Земле. На долю азота приходится около 3% от массы человеческого организма. Не связанный азот применяется широко. Это самый дешевый из газов, химически инертных в обычных условиях, поэтому в тех процессах металлургии и большой химии, где надо защищать активное соединение или расплавленный металл от взаимодействия с кислородом воздуха , создают чисто азотные защитные атмосферы. Под защитой азота хранят в лабораториях легко окисляющиеся вещества. В металлургии азотом насыщают поверхности некоторых металлов и сплавов, чтобы придать им большую твердость и износоустойчивость. Широко известно, например, азотирование стали и титановых сплавов.
Жидкий азот (температуры плавления и кипения азота: -210*С и -196*С) используют в холодильных установках.
Малая химическая активность азота объясняется, прежде всего, строением его молекулы. В молекуле между атомами азота тройная связь. Чтобы разрушить молекулу азота, необходимо затратить очень большую энергию – 954,6 кДж\моль. Без разрушения молекулы азот в химическую связь не вступит. При обычных условиях с ним способен вступить в реакцию только литий, образуя нитрид.
Атомарный азот намного активнее, но даже при 3000*С не наблюдается заметного разложения молекул азота на атомы.
Соединения азота имеют огромное значение для науки и для многих отраслей промышленности. Ради получения связанного азота человечество идет на огромные энергетические затраты. Основным способом связывания азота в промышленных условиях остается синтез аммиака. Сам аммиак используется ограниченно и обычно в виде водных растворов. Но аммиак, в отличие от атмосферного азота, довольно легко вступает в реакции присоединения и замещения . И окисляется он легче, чем азот. Поэтому аммиак и стал исходным продуктом для получения большинства азотсодержащих веществ. Известны пять оксидов азота. В промышленности широко применяется азотная кислота. Ее соли – нитраты, используются в качестве удобрений.
Азот образует еще одну кислоту – азотистую. Некоторые микроорганизмы могут связывать азот воздуха. Это почвенные азотфиксирующие бактерии.
Латинское название азота «нитрогениум» введено в 1790 году Ж.Шапталем, означает
«рождающий селитру».
В О Д О Р О Д № 1 Н 1
В 1766 году английский химик Г.Кавендиш собрал вытесняемый металлами из кислот «горючий воздух», исследовал его свойства. Но лишь в 1787 г. А.Лавуазье доказал, что этот «воздух» входит в состав воды, и дал ему название «гидрогениум», то есть рождающий воду, водород.
На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе. Это распространенный и жизненно важный элемент. Он входит в состав всех растений и животных, а также в состав самого распространенного на Земле вещества – воды.
Водород – самый распространенный элемент Вселенной. Он стоит в начале длинного и сложного процесса синтеза элементов в звездах.
Солнечная энергия – основной источник жизни на Земле. А первооснова этой энергии – термоядерная реакция, происходящая на Солнце в несколько стадий . При этом выделяется огромное количество энергии. Человеку удалось воспроизвести на Земле не очень точное подобие главной солнечной реакции. В земных условиях мы можем заставить вступить в такую реакцию только тяжелые изотопы водорода – дейтерий и тритий. Обычный же водород – протий – с массой 1 здесь нам не подвластен.
В периодической системе элементов водород занимает особое место. Это элемент, с которого начинается периодическая система. Он обычно стоит в 1 группе над литием. Потому что у атома водорода один валентный электрон. Но в современных изданиях таблицы водород помещают в 7 группе над фтором, так как у водорода находят общее с галогенами. К тому же водород способен давать соединение с металлами – гидрид металла. Практически из них наиболее важно соединение лития с тяжелым водородом дейтерием. У изотопов водорода физические и химические свойства сильно различаются, поэтому их достаточно просто разделить. Элемент водород образует простое вещество, которое называется тоже водород. Это газ, бесцветный, без вкуса и запаха. Он самый легкий из газов, в 14,4 раза легче воздуха. Водород становится жидким при -252,6*С и твердым при -259,1*С. В обычных условиях химическая активность водорода невелика, он реагирует с фтором и хлором. Но при повышенной температуре водород взаимодействует с бромом, йодом, серой, селеном, теллуром, а в присутствии катализаторов – с азотом, образуя аммиак. Смесь 2 объемов водорода и 1 объема кислорода называют гремучим газом. Она при поджигании сильно взрывается. При горении водород образует воду. При высокой температуре водород способен «изъять» кислород из многих молекул, в том числе из большинства оксидов металлов. Водород – это великолепный восстановитель. Но так как этот восстановитель дорогой и работать с ним не просто, для восстановления металлов его применяют ограниченно. Водород широко используют в процессе гидрогенизации – превращения жидких жиров в твердые. Крупнейшими потребителями водорода остаются производства аммиака и метилового спирта. Все больший интерес в наши дни проявляют к водороду как к источнику тепловой энергии. Это связано с тем , что при сгорании чистого водорода выделяется больше тепла, чем при сжигании такого же количества любого горючего. К тому же при сжигании водорода не выделяется вредных примесей, загрязняющих атмосферу.
Б Е Р И Л Л И Й №4 Be 2 2
Бериллий был обнаружен в 1798 году знаменитым французским химиком Л.Вокленом в полудрагоценном камне берилле. Отсюда и название элемента. Впрочем, Воклен выделил только новую «землю» - оксид неизвестного металла. Относительно чистый бериллий был получен в виде порошка только через 30 лет независимо Ф.Велером в Германии и Э. Бюсси во Франции.
Долгое время многие химики считали, что бериллий – трехвалентный металл с атомной массой 13,8. Для такого металла не находилось места в периодической системе, и тогда, несмотря на очевидное сходство бериллия с алюминием, Д.И.Менделеев поместил этот элемент во вторую группу, изменив его атомную массу на 9. Вскоре шведские ученые Л.Нильсон и О.Петерсон нашли, что атомная масса бериллия 9,1, что соответствовало предположениям Д.И.Менделеева.
Бериллий – редкий элемент. Из соединений бериллия чаще всего встречается берилл
Be3Al2(SiO3)6. Бериллий входит в состав и других природных соединений. Среди них - драгоценные камни: изумруд, аквамарин, гелиодор, которые использовали для украшений еще в древности.
Чистый бериллий – светло-серый, легкий и хрупкий металл. Бериллий химически активен. Атом его легко отдает свои 2 электрона с внешней оболочки (степень окисления +2). На воздухе бериллий покрывается оксидной пленкой, ВеО, предохраняющей его от коррозии и очень тугоплавкой, а в воде – пленкой Ве(ОН)2, которая также защищает металл. Бериллий реагирует с серной, соляной и другими кислотами. С азотной реагирует только при нагревании. Легко соединяется с галогенами, серой, углеродом.
Во второй половине 20 века бериллий стал необходим во многих отраслях техники. Этот металл и его сплавы отличаются уникальным сочетанием различных свойств. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и легкостью и прочностью. А также они стойки к высоким температурам. Будучи в 1,5 раза легче алюминия, эти сплавы в то же время прочнее многих специальных сталей. Эти качества и сам бериллий и многие его сплавы не утрачивают при температуре 700 – 800 *С, поэтому они используются в космической и авиационной технике.
Бериллий необходим и в атомной технике: он стоек к радиации и выполняет роль отражателя нейтронов.
Недостатками бериллия следует считать его хрупкость и токсичность. Все соединения бериллия ядовиты. Известно специфическое заболевание – бериллиоз, при котором поражаются многие системы живого организма и даже скелет.
Л И Т И Й №3 Li 2 1
Открыт литий в 1817 году шведским химиком А.Арфведсоном при анализе минерала
петалита LiAl(Si4O10). Этот минерал выглядит как самый обыкновенный камень, и поэтому металл назвали литием, от греческого «литос» - камень. В земной коре лития содержится три тысячных процента от общей массы. Известно около 30 минералов лития, 5 из них имеют промышленное значение.
Литий – самый легкий из металлов, почти вдвое легче воды. Он серебристо-белого цвета, с ярким металлическим блеском. Литий мягок, легко режется ножом. На воздухе он быстро тускнеет, соединяясь с кислородом воздуха. Литий значительно слабее, чем калий или натрий. Реагируя с водой, образует щелочь LiOH.При этом он не воспламеняется, как это происходит в реакции калия с водой . Зато с азотом, углеродом, водородом литий реагирует легче других щелочных металлов. Это один из немногих элементов, которые непосредственно соединяются с азотом.
Некоторые соли лития (карбонат, фторид), в отличие от аналогичных солей его соседей по группе, плохо растворяются в воде. Долгое время и литий, и его соединения почти не находили практического применения. Лишь в 20 веке их стали использовать в производстве аккумуляторов, в химической промышленности как катализаторы, в металлургии. Сплавы лития легки, прочны, пластичны. Но главная область применения лития сегодня – атомная техника.
Один из двух природных изотопов лития с массой 6 оказался самым доступным источником промышленного получения тяжелого изотопа водорода – трития, участвующего в термоядерной реакции. Другой изотоп лития с массой 7 используют в качестве теплоносителя для ядерных реакторов. Дефицит лития в организме человека приводит к психическим расстройствам. Избыток металла в организме вызывает общую заторможенность, нарушение дыхания и сердечного ритма, слабость, сонливость, потерю аппетита, жажду, расстройство зрения, а также дерматит лица и рук.
Б О Р №5 В 2 3
Название «бор» происходит от арабского «бурак» - «бура». Этот элемент впервые выделили из борной кислоты в 1808 году известные французские химики Ж.Гей-Люссак и Л.Тенар. Правда, в полученном ими веществе бора было не больше 70%. Бор 99% -ной чистоты впервые был получен американским химиком Э.Вейнтраубом лишь через 101 год.
В природе бор встречается в основном в виде буры NaB4O7 на 10Н2О,
Кернита Na2B4O7 на 4Н2О и сассолина (природной борной кислоты) Н3ВО3.
Очень чистый бор бесцветен, однако бесцветный бор видели немногие. Из-за примесей мелкокристаллический бор обычно бывает темно-серого, черного или бурого цвета.
При обычной температуре бор взаимодействует только с фтором, при нагревании – с другими галогенами, кислородом, серой, углеродом, азотом, фосфором, с металлами, а из кислот – с азотной и серной. В соединениях он проявляет степень окисления +3.
Известнейшее соединение бора – борная кислота – довольно широко используется в медицине как дезинфицирующее средство. Буру – соль борной кислоты – издавна применяют в производстве специальных сортов стекла. Но не из-за этого бор в наши дни стал элементом очень важным для промышленности.
Природный бор состоит всего из двух изотопов с массами 10 и 11. По химическим свойствам они, как любые изотопы одного элемента, практически неразличимы, но для ядерной физики эти изотопы – антиподы. Физиков, прежде всего, интересует такая характеристика легких изотопов, как способность их ядер захватывать (или, наоборот, не захватывать) нейтроны, образующиеся в ходе цепной ядерной реакции и необходимые для ее поддержания. Оказалось, что легкий изотоп бора с массой 10 принадлежит к числу самых агрессивных «захватчиков» тепловых нейтронов, а тяжелый изотоп бора с массой 11 индифферентен к ним. Каждый из этих изотопов может быть полезен при сооружении атомных реакторов в большей степени, чем природная смесь изотопов этого элемента.
Изотопы бора научились разделять в сложных физико-химических процессах и получать моноизотопные соединения и сплавы. Изотоп бора с массой 11 используют как легирующую добавку в материалах активной зоны реакторов, а из изотопов бора с массой 10 делают управляющие стержни, с помощью которых улавливают избыток нейтронов и таким образом регулируют ход ядерной цепной реакции.
Очень широко применение натрия и его соединений в промышленности. Жидкий натрий служит теплоносителем в атомных реакторах некоторых конструкций. Металлическим натрием восстанавливают из соединений такие ценные металлы, как цирконий, тантал, титан. Первый в мире промышленный способ получения каучука, разработанный Лебедевым С.В., предусматривал использование натриевого катализатора. Участвует натрий и в процессах органического синтеза.
Многие соединения натрия – важные продукты химической промышленности. Это едкий натр, или каустическая сода, или каустик – NaOH. Кальцинированная сода или карбонат натрия. Карбонат натрия образует десятиводный кристаллогидрат, известный под названием кристаллической соды. Широко используется карбонат калия, известный под названием поташ. Элемент назван натрием от арабского «натрун» - сода.
АЗ. В ряду галогенов Р - С1 - Вг -1 слева направо элект роотрицательность:
а) увеличивается б) уменьшается в) не изменяется
г) сначала увеличивается, затем уменьшается
А4. В ряду элементов С - N - О - Р электроотрицатель ность:
а) наибольшая для фтора б) наименьшая для фтора
в) не меняется г) изменяется периодически
А5. Электроотрицательность в ряду элементов с элект ронными конфигурациями...2 s 1 - ...2 s 2 2р s 2 2р4- ...2 s 2 2р5: а) растет б) уменьшается в) не изменяется г) сначала увеличивается, затем уменьшается
А6. Электроотрицательность элементов возрастает сле ва направо в ряду:
а) Н, С, N, О б)С, Li, Ве, В в)Р, Si, А1,Мg г)F, С1,Вг, I
А7. Электроотрицательность элементов сначала растет, а затем уменьшается в ряду:
а) О, F, С б) Н, Nа, N в)С1,Вг, I г)Nа, Са, А1
А8. Ионная связь образуется:
а) между элементами с одинаковой электроотрицательностью за счет образования общих электронных пар
б) если электроотрицательность элементов резко-различается
в) если электроотрицательность элементов различается незначительно
г) электроотрицательность не имеет значения
А9. Химическая связь в молекуле хлороводорода:
а) ионная б) металлическая в) ковалентная неполярная
г) ковалентная полярная
А10. Химическая связь какого типа возникает между щелочными металлами и галогенами:
а) металлическая б) ионная в) ковалентная полярная г) ковалентная
АИ. Укажите ковалентную полярную связь:
а)Н-Н б) С1-С1 в) N а-С1 г) С-С1
А12. Укажите символ элемента, атом которого может образовать ионную и металлическую связи:
а) К б) О в)С1 г) Si
А13. Химическая связь образована двумя общими электронными парами в молекуле:
а)Н2 б)02 в) N 2 г)С12
А14. Химическая связь в молекуле азота:
а)тройная б)двойная в)простая г)полуторная
А15. Ионная и ковалентная полярная химические связи имеются в веществе:
а) SiO 2 б) КОН в) N аС1 г)С12
А16. Наиболее прочная химическая связь в соединении: а)02 б)Н2 в) N 2 г)НВг
А17. В каком случае общие электронные пары в химической связи смещены к кислороду:
а) СО б)О F 2 в)02 г)03
А18. Определите, в каком ряду во всех веществах все связи ковалентные полярные:
а)02,К1, N 2 б)НС1,СН4, N Н3 в) Н2О, КОН, РН3 г) А1, N аС1, СаСО3
А19. Укажите, электронные орбитали какого типа перекрываются при образовании молекулы хлороводо-рода: а) 8 ир б)рир в) 8 И 8 Г) 8 И д
А20. Определите, в какой - молекуле все связи о-типа:
а)К2 б)Н2О в) С2Н4 г)С6Н6
А21. Укажите молекулу с двумя я-связями:
а) С2Н5ОН б) С2Н2 в)СН4 г)С2Н4
А22. Между атомами элементов с порядковыми номерами 11 и 17 образуется химическая связь: а) металлическая б) ионная в) ковалентная неполярная
г) ковалентная полярная
А23. Молекула оксида углерода (IV ) содержит связи:
а) 1о> и 1л б) 2с и 2к в) 1а и 2п г) 2а и 1л
А24. Укажите соединение, в котором ковалентная связь между атомами образуется по донорно-акцепторному механизму:
а)КС1 б)Ш4С1 в) СН3С1 г)М8С12
А25. Определите, между молекулами какого вещества возможно образование водородных связей:
а) СН3ОН б) СН2О в) С2Н4 г)Н2
А26. Кристаллическую решетку атомного типа имеет:
а) ромбическая сера б) белый фосфор в) кислород г) кремнезем
А27. Молекулярную решетку имеют вещества с химической связью:
а) ковалентной полярной б) ионной в) металлической
г) с любым типом связи
А28. Тип кристаллической решетки вещества, образован ного металлом и галогеном:
а) атомная б) молекулярная в) ионная г) атомно-ионная (металлическая)
А29. Железо имеет кристаллическую решетку:
а) металлическую б) молекулярную в) ионную г) атомную
АЗО. Самую высокую температуру кипения имеет:
а) медь б) белый фосфор в) карбонат кальция г)хлороводород
А31. Тип кристаллической решетки вещества, которое хо рошо проводит электрический ток, пластично, не прозрачно:
а) атомная б) металлическая в)ионная г) молекулярная
А32. Наибольшую температуру плавления имеет вещест во, формула которого:
а) РЬ б)СН4 в) 5Ю2 г)КР
АЗЗ. Укажите ряд, в котором слева направо возрастает температура плавления веществ:
а)НС1-Н2О-МаС1 б) Н2О - Ре - К2 в)КР-А1-Вг2 г)Н2-Ш-СН4
А34. Определите, у какого вещества при обычных условиях структурными единицами являются ионы:
а) вода б) кислород в) железо г) поваренная соль
А35. Укажите ряд, в котором прочность ионной связи увеличивается слева направо:
б)МаС1-СаС12-А1С13 в) СаСО3 - КС1 - СаС12 г)1ЛС1-КаС1-КС1
81. Какая химическая связь существует между атомами в соединении 1ЧН3? (Название типа связи запишите в именительном падеже .)
82. К атомам какого элемента смещены общие электронные пары в соединении ОР2? (В ответе укажите название элемента в именительном падеже.)
83. За счет электронов какого энергетического уровня осуществляется связь в соединении N2? (Укажите номер уровня арабской цифрой.)
84. Укажите число а-связей, существующих в молекуле толуола. (Ответ запишите арабской цифрой).
85. Запишите формулу вещества, в молекулах которого наиболее полярные химические связи: хлор, хлорид калия, хлороводород.
86. Какие орбитали участвуют в образовании химической связи в молекуле фтороводорода? (В ответе запишите буквенные обозначения орбиталей в порядке появления их на энергетическом уровне и без пробелов.)
87. Атомы каких элементов второго периода могут образовать водородную связь? (В ответе запишите химич«ские знаки элементов в порядке возрастания их атомных номеров без пробелов.)
88. Некоторое вещество при обычных условиях является газом, который образует двухатомные молекулы. Переход этого вещества в твердое состояние происходит при температуре ниже -210 °С. Какой тип кристаллической решетки образует это вещество в
твердом состоянии? (Название типа решетки запишите в именительном падеже.)
89. Кристаллическая решетка какого типа имеется у вещества, если оно хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления и кипения? (Название типа решетки запишите в именительном падеже.)
>> Химия: Простые вещества - неметаллы
Неметаллы - это химические элементы, которые образуют в свободном виде простые вещества, не обладающие физическими свойствами металлов. Из 109 химических элементов 87 относятся к металлам, 22 являются неметаллами.
6. Относительность деления простых веществ на металлы и неметаллы.
Рассмотрите этимологию названий отдельных благородных металлов.
Почему химически неверно поэтическое выражена: «В воздухе пахло грозой»?
Запишите схемы образования молекул: Nа2, Вr2, О2, N2. Каков тип связи в этих молекулах?
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиНеметаллами называют химические элементы, которые образуют в свободном виде простые вещества, они не обладают физическими свойствами металлов. Из 109 химических элементов 87 можно отнести к металлам, 22 являются неметаллами .
При обычных условиях неметаллы могут находится в газообразном, жидком , а также твердом состоянии .
Газами являются гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn. Это все инертные газы . Каждая молекула инертного газа состоит из одного атома. На внешнем электронном уровне у атомов инертных газов (кроме гелия) расположены восемь электронов. У гелия лишь два. Из-за своей химической устойчивости инертные газы можно сравнивать с благородными драгоценными металлами – золотом и платиной, у них также есть и другое название – благородные газы. Подобное название лучше подходит к инертным газам, так как они могут вступать в химические реакции и образовывать химические соединения. В 1962 году стало известно, что ксенон и фтор могут образовывать соединения. С того времени, известно более 150 химических соединений ксенона, криптона, радона с фтором, кислородом, хлором и азотом.
Представление о химической исключительности благородных или инертных газов, оказалось не совсем верным, поэтому вместо ожидаемой нулевой группы инертные газы были отнесены к восьмой группе Периодической системы.
Такие газы как водород, кислород, азот, хлор и фтор образуют двухатомные молекулы, уже знакомые нам H 2 , O 2 , N 2 , CL 2 , F 2 .
Выразить состав вещества можно при помощи химических и математических знаков – химической формулой. Как мы уже знаем, по химической формуле можно вычислить относительную молекулярную массу вещества (Mr). Относительная молекулярная масса простого вещества равна произведению относительной атомной массы на число атомов в молекуле, к примеру, кислорода: O 2
Mr (O 2) = Ar (O) · 2 = 16 · 2 = 32
Тем не менее, кислород может образовывать еще одно газообразное простейшее вещество – озон, в состав молекулы озона входят уже три атома кислорода. Химическая формула O 3 .
Способность атомов одного химического элемента создавать несколько простых веществ называется аллотропией , а эти простые вещества – аллотропными изменениями , их также называют модификациями .
Свойства аллотропных модификаций химического элемента кислорода: простых веществ O 2 и озона O 3 существенно различаются.
Кислород не обладает характерным запахом в отличие от озона (отсюда пришло и название озона – в переводе с греческого языка озон обозначает «пахнущий»). Подобный аромат, можно ощутить во время грозы, газ образуется в воздухе за счет электрических разрядов.
Кислород не обладает цветом в отличие от озона, который можно отличить по бледно-фиолетовому оттенку. Озон обладает бактерицидными свойствами. Он также используется для обеззараживания питьевой воды. Озон может препятствовать прохождению ультрафиолетовых лучей солнечного спектра, они губительны для всех живых организмов на Земле. Озоновый экран (слой), который находится на высоте 20-35 км, защищает все живое от губительных солнечных лучей.
Из 22 простых веществ-неметаллов при обычных условиях в жидкообразном состоянии существует только бром, его молекулы двухатомны. Формула Брома: Br 2 .
Бром представляет из себя тяжелую бурую, с неприятным запахом жидкость (бромос с древнегреческого языка переводится как «зловонный»).
Такие твердые вещества-неметаллы как сера и углерод известны еще с древних времен (древесный уголь).
Твердые вещества-неметаллы также склонны к явлению аллотропии. Углерод может образовывать такие простые вещества, как алмаз, графит и т.п. Различие в строение алмаза и графита заключается в строении кристаллических решеток.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Французское слово gaz образовано от греческого «хаос». Газообразное состояние вещества является самым распространенным состоянием вещества Вселенной. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества, туманности, атмосферы планет состоят из газов, или нейтральных, или ионизованных (плазмы). Газы широко распространены в природе: они образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твердых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Встречающиеся в природных условиях газы представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных газов.
Газы равномерно заполняют доступное для них пространство, и в отличие от жидкостей и твердых тел, не образуют свободной поверхности. Они оказывают давление на ограничивающую заполняемое ими пространство оболочку. Плотность газов при нормальном давлении на насколько порядков меньше плотности жидкостей. В отличие от твердых тел и жидкостей, объем газов существенно зависит от давления и температуры.
Свойства большинства газов - прозрачность, бесцветность и легкость - затрудняло их изучение, поэтому физика и химия газов развивались медленно. Только в 17 в. было доказано, что воздух обладает весом (Э. Торричелли и Б. Паскаль). Тогда же Я. ван Гельмонт ввел термин газы для обозначения воздухоподобных веществ. И только к середине 19 в. были установлены основные закономерности, которым подчиняются газы. К ним относятся закон Бойля - Мариотта , закон Шарля , закон Гей-Люссака , закон Авогадро .
Наиболее полно изучены были свойства достаточно разряженных газов, в которых расстояния между молекулами при нормальных условиях порядка 10 нм, что значительно больше радиуса действия сил межмолекулярного взаимодействия . Такой газ, молекулы которого рассматриваются как невзаимодействующие материальные точки, называется идеальным газом . Идеальные газы строго подчиняются законам Бойля - Мариотта и Гей-Люссака. Практически все газы ведут себя как идеальные при не слишком высоких давлениях и не слишком низких температурах.
Молекулярно-кинетическая теория газов рассматривает газы как совокупность слабо взаимодействующих частиц (молекул или атомов), находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений кинетической теории удается объяснить основные физические свойства газов, особенно полно - свойства разреженных газов. У достаточно разреженных газов средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, например, при нормальных условиях в 1 см 3 газа находится ~ 10 19 молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10 -6 см. С точки зрения молекулярно-кинетической теории давление газов является результатом многочисленных ударов молекул газа о стенки сосуда, усредненных по времени и по стенкам сосуда. При нормальных условиях и макроскопических размерах сосуда число ударов об 1см 2 поверхности составляет примерно 10 24 в секунду.
Внутренняя энергия идеального газа (среднее значение полной энергии всех его частиц) зависит только от его температуры. Внутренняя энергия одноатомного газа, имеющего 3 поступательные степени свободы и состоящего из N атомов, равна:
При повышении плотности газа его свойства перестают быть идеальными, процессы столкновения начинают играть все большую роль и размерами молекул и их взаимодействия пренебречь уже нельзя. Такой газ называют реальный газ . Поведение реальных газов в зависимости от их температуры, давления, физической природы в большей или меньшей степени отличаются от законов идеальных газов. Одним из основных уравнений, описывающих свойства реального газа, является уравнения Ван-дер-Ваальса , при выводе которого были учтены две поправки: на силы притяжения между молекулами и на их размер.
Любое вещество можно перевести в газообразное состояние соответствующим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически изображают в переменных: давление р - температура Т (на р-Т -диаграмме). Существует критическая температура Т к, ниже которой эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) и парообразования, т. е. при любом давлении ниже критического р к существует температура Т , определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. При температурах ниже Т к можно сконденсировать газ - перевести его в другое агрегатное состояние (твердое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твердое тело происходит скачкообразно: незначительное изменение давления приводит к изменению ряда свойств вещества (например, плотности, энтальпии , теплоемкости и др.). Процессы конденсации газов, особенно сжижение газов , имеют важное техническое значение.
Область газового состояния вещества очень обширна, и свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0°С и атмосферном давлении) плотность газа примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твердом или жидком состоянии. С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звезд ~10 9 г/см 3).
Внутреннее строение молекул газа слабо влияет на давление, температуру, плотность и связь между ними, но существенным образом влияет на его электрические и магнитные свойства. Калорические свойства газов, такие как теплоемкость, энтропия и т. д., также зависят от внутреннего строения молекул.
Электрические свойства газов определяются возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. появлением в газе электрически заряженных частиц (ионов и электронов). При отсутствии заряженных частиц газы являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность газов увеличивается. При температурах выше нескольких тысяч К газ частично ионизуется и превращается в плазму.
По магнитным свойствам газы делятся на диамагнитные (инертные газы, СО 2 , Н 2 О) и парамагнитные (О 2). Молекулы диамагнитных газов не имеют постоянного магнитного момента и приобретают его лишь под действием магнитного поля. Те газы, молекулы которых обладают постоянным магнитным моментом, ведут себя как парамагнетики.
В современной физике газами называют не только одно из агрегатных состояний вещества. К газам с особыми свойствами относят, например, совокупность свободных электронов в металле (электронный газ), фононов в кристалле (фононный газ). Свойства таких газовых частиц описывает
