Атомы и молекулы реферат
Обновлено: 07.07.2024
Все вещества состоят из крошечных частиц - атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.
О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н. э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает "неделимый", поэтому эти частицы назвали атомами.
Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н. э. Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий - земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии - примитивной формы химии, господствовавшей в науке до XVII века.
Одной из главных задач алхимии было создание "эликсира жизни" - снадобья, которое позволило бы человеку жить вечно. Другая заключалась в создании богатств путем превращения обычных металлов в золото. Многие алхимики утверждали, что решили эти задачи, однако никто из них так и не добился реального успеха.
Переворот в науке
Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального изучения материи. Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластины - электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.
В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) - не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это - безусловно ошибочная теория.
В 1911 году Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.
Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.
Любое вещество, в котором все атомы имеют одинаковое количество протонов, называется элементом. Число протонов в каждом атоме - атомный номер элемента. Существуют 92 природных элемента, их атомы имеют от 1 до 92 протонов. Кроме того, некоторые другие элементы с еще большим числом протонов в атоме можно получить с помощью устройства под названием ускоритель элементарных частиц. К природным элементам относятся железо, ртуть и водород.
| Профессиональная химчистка диванов в Москве |
Во многих веществах атомы объединяются в группы, называемые молекулами. Так, газ водород состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода. Часто, однако, молекулы вещества состоят из атомов более одного элемента. Такие вещества называются соединениями. Например, вода является соединением, где каждая молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Во многих молекулах насчитывается гораздо большее количество атомов. Некоторые белковые молекулы представляют собой сложные соединения из нескольких тысяч атомов. Некоторые природные элементы встречаются только в соединениях. Так, натрий - это металл, настолько легко соединяющийся с другими веществами, что его нельзя обнаружить в чистом виде. Он широко известен в сочетании с хлором в виде хлорида натрия - поваренной соли.
Атомы в молекулах связываются различными путями, при этом они разделяют между собой электроны или обмениваются ими. Двумя простыми видами химической связи являются ковалентная и ионная.
Ковалентная связь возникает, когда атомы имеют общие электроны. Так, молекула водородного газа состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Единственный электрон каждого атома водорода вращается вокруг ядер обоих атомов, связывая их воедино.
В случае ионной связи один атом передает электроны другому атому. В результате возникает электрическая сила, связывающая атомы воедино. Как правило, количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме одинаково. Их положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга, и поэтому атом не имеет общего заряда. Однако в атоме, отдающем электроны, создается избыток положительного заряда, а атом, получающий электроны, приобретает общий отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу, и именно это электрическое притяжение удерживает атомы вместе при ионной связи. Например, молекула поваренной соли формируется с помощью ионной связи, когда атом натрия передает электрон атому хлора.
Все атомы одного вещества имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. Так, в углероде ядро большинства атомов содержит шесть нейтронов, но примерно в каждом сотом из них имеется семь нейтронов. Эти различные типы атомов одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами - все они соединяются с другими веществами и образуют одни и те же химические соединения. Но отдельные физические свойства изотопов различаются - например, они имеют разные точки замерзания или кипения.
Говоря о конкретном изотопе того или иного элемента, ученые называют его массовое число. Например, углерод-12 - это обычный природный изотоп углерода. Его атом содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Более редкий природный изотоп, в ядре каждого атома которого находится лишний нейтрон, называется углерод-13.
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая более чем в 1800 раз превышает массу электрона. Поэтому когда речь идет о массе атома, как правило, не будет ошибкой ссылаться на его массовое число.
Атомный вес элемента, или его относительная атомная масса, обычно представляет собой среднюю массу смеси изотопов, встречающихся в природе. Молекулярный вес вещества, или его относительная молекулярная масса, - это сумма атомных весов всех атомов в одной молекуле данного вещества.
С тех пор экспериментировавшие с ускорителями ученые открыли сотни других видов частиц в атомах. Но, к счастью, простая модель атома достаточна для того, чтобы объяснить большую часть свойств материи.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Любое вещество состоит из ничтожно малых частиц – так называемых атомов. Часто атомы объединяются в группы, которые называют молекулами. Размеры атомов настолько малы, что увидеть их через обычный микроскоп невозможно.
Всё, что есть в природе, состоит приблизительно из 100 основных веществ, называемых элементами. Атом – это мельчайшая доля элемента, которая ещё остаётся самим элементом (сохраняет все его свойства). Он настолько мал, что потребовалось бы более 4 млрд атомов, чтобы составить диаметр обыкновенной точки. Более 200 лет назад химик Джон Дальтон установил, что вес атомов разных элементов разный. Теперь мы знаем, что у каждого элемента свой тип атома.
Хотя элементов в природе всего около ста, из них состоят миллионы различных веществ. Дело в том, что атомы разных элементов могут соединяться вместе, образуя совершенно новые вещества. Их называют соединения. Например, вода – это соединение двух элементов : водорода и кислорода.
Соединения и молекулы
Самую малую часть воды, которая ещё сохраняет её свойства, называют молекулой воды. Она состоит из двух атомов водорода, соединённых с одним атомом кислорода. Самые простые молекулы содержат в себе всего два или три атома, иногда одного и того же элемента. Но самые крупные молекулы могут состоять из миллионов атомов. Многие молекулы растительных и животных организмов именно такие.
Молекулы трёх распространённых веществ
Молекула газа кислорода Молекула воды Молекула газа метана
Атомы состоят из ещё более мелких частиц – электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны соединяются вместе, образуя находящееся в центре атома ядро. Электроны, гораздо более лёгкие, вращаются вокруг этого ядра. Каждый электрон несёт на себе отрицательный (-) электрический заряд, а каждый протон – равный ему положительный (+) заряд. Нейтроны не несут электрического заряда. В каждом атоме содержится одинаковое количество электронов и протонов, и в результате атомы нейтральны.
Электроны открыл Дж. Дж. Томсон в 1897 г., когда обнаружил, что из атомов могут исходить очень мелкие электрически заряженные частицы. В 1911 г. Эрнест Резерфорд наблюдал, как золотая фольга отклоняет направленные на неё атомные частицы, и пришёл к заключению, что атом должен состоять главным образом из пустого пространства со сгустком концентрированной (сосредоточенной, скопленной) материи в центре. Этот сгусток он назвал ядром атома. Резерфорд предположил, что электроны должны вращаться вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Согласно взглядам современной науки, правильнее представить себе электроны как облака электрического заряда. Поведение электронов физики описывают с помощью математического аппарата квантовой механики. А протоны и нейтроны, по мнению учёных, сами состоят из ещё более мелких частиц – их называют кварками.
В атомах различных элементов содержится разное количество частиц. В ядре атома водорода, самого лёгкого элемента, только один протон. А в ядре урана, одного из самых тяжёлых элементов, 92 протона.
Во всех атомах любого конкретного элемента количество протонов (и электронов), одинаково, количество нейтронов может быть разное. Такие варианты одного и того же элемента называют изотопами. Чтобы обозначить изотоп, после названия элемента учёные ставят определённое число. Например, уран-235 – это изотоп урана, содержащий 235 нейтронов и протонов.
Деление и синтез
Ядра некоторых атомов неустойчивы. В какой-то момент они распадаются, испуская мельчайшие частицы, а иногда – волны высокой энергии. Подобные атомы называют радиоактивными. Как частицы, так и волны несут энергию, до того хранившуюся в ядре.
Уран-235 радиоактивен. В обычном состоянии его ядра распадаются медленно. Но этот процесс можно ускорить, если использовать ядерный реактор. В таком реакторе атомы урана-235 подвергаются бомбардировке нейтронами. Если нейтрон ударяется в ядро урана-235, оно расщепляется, высвобождая энергию и дополнительные нейтроны. Эти нейтроны могут расщепить другие ядра – и так далее. По цепной реакции.
Такой процесс расщепления называют ядерным делением. На ядерной электростанции управляемая цепная реакция обеспечивает постоянное выделение тепла. А неуправляемая цепная реакция, используемая в атомном оружии, даёт почти мгновенный выброс энергии.
Ядерная энергия может также высвобождаться и иначе – при слиянии (соединении) ядер водорода. Этот процесс называют ядерным синтезом. Именно в ходе ядерного синтеза выделяется энергия Солнца. Мощь водородной бомбы – также его результат. Электростанции, работающие на основе ядерного синтеза, ещё только предполагается строить, но в ХХI в. они могут стать важным источником электроэнергии.
Введение 3
1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ 4
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ 7
Список использованной литературы: 15
Период с 1200 по 1700 г. в истории химии принято называть алхимическим. Движущей силой алхимии в течение 5 веков являлся бесплодный поиск некоего философского камня, превращающего благородные металлы в золото. Однако, несмотря на всю абсурдность основной идеи, алхимия накопила богатейший арсенал определенных знаний и практических приемов, позволяющих осуществлять многообразные химические превращения. В начале XVIII в. накопленные знания приобретают практическую важность, что связано с началом интенсивного развития металлургии и с необходимостью объяснить сопутствующие процессы горения, окисления и восстановления. Перенесение интересов в актуальную практическую сферу человеческой деятельности позволило ставить и решать задачи, приведшие к открытию основных законов химии, и способствовало становлению химии как науки.
1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ
Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярное учение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческих материалистов отделена от нас 25-ве-ковым периодом, однако логика греков поражает настолько, что философское учение о дискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании с нашими сегодняшними представлениями.
Как же зародилась атомистика? Основным научным методом древнегреческих философов являлись дискуссия, спор. Для поиска “первопричин” в спорах обсуждались многие логические задачи, одной из которых являлась задача о камне: что произойдет если начать его дробить? Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечны. И только Левкип
(500—440 до н. э.) и его школа утверждали, что этот процесс не бесконечен: при дроблении в конце концов получится такая частица, дальнейшее деление которой будет просто невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкипп утверждал: материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц и пустоты.
Ученик Левкиппа Демокрит (460—370 до н. э.) назвал мельчайшие частицы
“неделимые”, что по-гречески значит “атом”. Это название мы используем и сегодня. Демокрит, развил новое учение — “атомистику”, приписал атомам такие “современные” свойства, как размер и форму, способность к движению.
Последователь Демокрита Эпикур (342—270 до н. э.) придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения и они сами способны взаимодействовать друг с другом.
Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20--25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли.
Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано.
Следовательно” атомистика, развитая Л ев к и п п о м, Демокритом и Э п и кур о м, была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, но подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.
Были и другие причины, из-за которых учение атомистов было надолго забыто. К сожалению, атомисты не оставили после себя систематических трудов, а отдельные записи споров и дискуссий, которые были сделаны, лишь с трудом позволяли составить правильное представление об учении в целом.
Главное же заключается е том, что многие концепции атомистики были еретичны и официальная церковь не могла их поддерживать.
Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII в. идеи древнегреческих атомистов были возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592—1655 гг.). Почти 20 лет он потратил; чтобы восстановить и собрать воедино забытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил в своих трудах “С) жизни, нравах и учении Эпикура” и “Свод философии Эпикура”. Эти две книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые были изложены систематически, стали “учебником” для европейских ученых и философов. До этого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Д е м о к р и т а -а э п и к у р а, была поэма римского поэта Л у к р е ц и я “О природе вещей”.
История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с установлением
Р. Бойлем (1627—1691 гг.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактом, наблюдаемых Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т. е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними.
Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволяет сделать два очень важных вывода:
1. Превратившись из философской гипотезы в научную концепцию, атомистика может стать мощным инструментом, позволяющим давать единственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.
2. Для скорейшего превращения атомистики из философской гипотезы в научную концепцию доказательство существования атомов необходимо прежде всего искать при изучении газов, а не жидких и твердых веществ, которыми до этого занимались химики.
Однако пройдет еще около 100 лет, прежде чем химики вплотную займутся исследованием газов. Тогда-то и последует каскад открытий простых веществ: водород, кислород, азот, хлор. А несколько позже газы помогут установить те законы, которые принято называть основными законами химии. Они и позволят сформулировать основные положения атомно-молекулярного учения.
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
Закон сохранения массы. Исключительное значение для химии имело установление закона сохранения массы, являющегося следствием всеобщего естественного закона сохранения материи и движения, сформулированного
М.В.Ломоносовым (1711—1765 гг.) как всеобщий естественный закон в 1748 г. в письме к Д. Эйлеру: “Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, ежели, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое, столько же он у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает”
(Ломоносов М. В. Труды по физике и химии.— М., 1951.—Т. II.-" С. 188).
Это положение, высказанное в виде философской концепции. М. В.
Ломоносов подтвердил экспериментально в 1756 г., повторив опыты Р. Б о и л я по прокаливанию металлов в запаянных стеклянных сосудах (ретортах).
Русский ученый установил, что если сосуд, содержащий металл, взвесить до и после прокаливания, не вскрывая его, то масса остается без изменений. При нагревании же металла во вскрытой реторте масса увеличивается за счет его соединения с воздухом, проникающим в сосуд.
Аналогичных выводы на основе экспериментом по прокаливанию металлов сделал в 1777 г. и А. Лавуазье (1743--1794 гг.), который (после открытия и
1774 г. Д. Пристли кислорода) уже знал качественный и количественный состав воздуха.
Например, оксид углерода (IV) можно получить по любой из указанных ниже реакций:
С+О2=СО2; 2СО+02=2С02; СаСОз=С02+СаО
В химически чистом образце этого оксида всегда содержится 27,29% С и
72,71% О. Отклонение от указанного состава свидетельствует о присутствии примесей. Утверждение, обратное закону о постоянстве состава веществ: каждому определенному составу отвечает только одно химическое соединение, неверно. Действительно, диметиловый эфир и этиловый спирт имеют одинаковый химический состав — С2НбО, но отличаются друг от друга структурой молекул, т. е. порядком соединения в них атомов (изомеры).
Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: экологические рефераты, профессиональные рефераты, курсовые.
Окружающий нас мир есть движущаяся материя. В данном случае под движением материи понимают всякое ее изменение или протекающий в природе процесс.
В классической физике считается,что материя существует в виде вещества и в виде поля, причем эти виды разделены и не переходят друг в друга.
В ядерной физике понятия вещества и поля сближаются. Так, например, элементарная частица рассматривается как материализованная доза энергии физического поля.
Опыт многих веков исследования природы утверждает, что материальные тела имеют структуру. Следовательно, главнымицелями познания являются: анализ этой структуры, т.е. поиск все более мелких структурных единиц вещества - молекул, атомов, электронов, ядер, нуклонов и др.; синтез объектов природы и элементов низших иерархических групп - как и почему нуклоны образуют ядро, электроны - атом, атом - молекулы и т.д.
Самую первую попытку упорядочить окружающий мир предприняли древнегреческие философы-материалисты,которые считали, что все вещества состоят из четырех вечно существующих элементов: земли, воды, воздуха и огня. Большое разнообразие веществ они объясняли разными комбинациями этих четырех элементов. Из единства строения всех веществ делали вывод о возможности их взаимного превращения. Такие взгляды просуществовали до XVII в. и сыграли огромную роль. Утверждая материальность мира, они заложили качественныеосновы современного учения о разных состояниях веществ и о их атомно-молекулярной структуре.
В XVII в. возродилась (на новом уровне знаний) атомистическая теория, согласно которой каждое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов материи.
В конце XVII в. ученые впервые узнали, что вода - сложное вещество, состоящее из двух простых веществ - кислорода и водорода. Соответственно,понятие "атомы материи" было разбито на два: молекулы и атомы.
Молекулы - это мельчайшие частицы сложного вещества. Каждое сложное вещество состоит из молекул одного типа.
Атом - мельчайшая частица простого вещества - элемента.
Элементов существует меньше, чем веществ.
В начале XIX в. было известно 50 элементов, а сейчас (вместе с созданными искусственно) - 107. Столько же имеетсяразных атомов. Углубление знаний о веществе привело к резкому возрастанию числа элементарных частиц. Когда были открыты атомы, им приписали свойства неделимости. И в течение целого столетия ученым казалось, что атомы действительно обладают этим свойством, т.к. во всех взаимодействиях между собой они вели себя как неделимые частицы. В 1911 г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих егоэлектронов.
Первые сведения о структуре ядра были получены в 1919 г., когда в составе ядра открыли протоны. Вначале предполагали (ошибочно), что в составе ядра кроме протонов имеются еще и электроны. Ошибка была исправлена в 1932 г., когда в составе ядра открыли нейтроны. Теперь изучение любого вещества, независимо от его состояния (твердого, жидкого, газообразного) и конкретного вида, вконечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействия трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Любой атом состоит из этих частиц.
Рассмотрим структуру атомного ядра более подробно в свете последних концепций атомистических теорий.
2. Элементарные частицы и их классификация.
Элементарными называются частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутреннейструктуры.
Электрон - элементарная частица. Как было указано выше, атомы состоят из электронов и ядер. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. После открытия нейтронов начались интенсивные исследования ядерных сил.
В последние годы большого успеха достигла ядерная физика, изучая сильно взаимодействующие частицы -.
Читайте также: