Лакоба С.Е., Резяпкин В.И. Структура вещества

Лакоба С.Е., Резяпкин В.И. Структура вещества // Фiзiка: праблемы выкладання. – 2003. – № 4. – С. 40-58.

При обучении и химии и физике возникает необходимость в формировании у учеников представления о системах понятий, универсальных законах, общих теориях, о том, что многие процессы и явления, изучаемые ими на различных уроках, едины по своей природе. Так, в процессе осуществления межпредметных связей «физика — химия» ученики осознают универсальность многих физико-химических законов, а это развивает у них диалектический метод мышления. У химии существует прочный фундамент, рожденный в союзе с математикой и физикой, который делает и ее точной наукой. Особо следует отметить общую для химии и физики систему понятий о веществе и его строении, которая необходима для усвоения фундаментальной физико-химической теории строения вещества, и единую с ней систему понятий об энергии. В действующих в настоящее время учебниках химии отсутствует обобщенный материал о различных состояниях веществ, о возможных структурах и связанных с ними физических и химических свойствах веществ. Поэтому мы предлагаем такой материал, изложенный в определенной последовательности, соответствующей последовательности изучения на уроках химии типов химических связей в веществах. Этот материал, возможно, окажется полезным для реализации межпредметных связей не только на уроках химии, но и физики. Ведь сегодня многие учителя приходят к выводу, что некоторые темы курса лучше изучать не в одиночку, а использовать интегрированные уроки, которые ведут два или более учителей-предметников. Поэтому предлагаемый материал, думается, окажется полезным учителям при организации таких уроков. Предполагаем, что он может быть использован также и учащимися для подготовки ученических сообщений, написания рефератов.

На Земле, где мы живем, для каждого вещества, как правило, характерно какое-то одно состояние: мало кому приходилось видеть жидкий песок, твердый кислород, газообразное железо. Но на соседней с нами Венере вода существует только в виде пара, а на поверхности Юпитера впадины, предположительно, заполнены жидким аммиаком. Мы поведем разговор о том порядке, который существует на Земле.

«Ум человеческий имеет три ключа,
все открывающих: знание, мысль,
воображение — все в этом».

В.Гюго

Молекула представляет собой частицу, способную к самостоятельному существованию. Однако химическая устойчивость отдельных молекул проявляется лишь в системах, где расстояние, между молекулами значительно больше их собственных размеров. Уже на расстоянии одного или нескольких нанометров (10–9 м) между соседними молекулами возникают заметные силы притяжения (ванн-дер-ваальсовы силы). Слабые взаимодействия между нейтральными молекулами были впервые обнаружены голландским ученым Ван-дер-Ваальсом. Этим силам приписывают электростатическую природу. Выделяют три составляющие ван-дер-ваальсовых сил: ориентационную, индукционную, дисперсную.

Ориентационная составляющая (диполь-дипольная) сил Ван-дер-Ваальса представляет собой электростатическое взаимодействие между молекулами с постоянными дипольными моментами. Индукционное притяжение возможно также между полярными и неполярными молекулами. У неполярной молекулы под воздействием полярной возникает индуцированный (наведенный) диполь. Притяжение между постоянным и индуцированным диполями слабее притяжения между постоянными диполями.

Дисперсионное взаимодействие возникает между неполярными молекулами. Например, благородные газы состоят из атомов. Электростатическое отталкивание между их электронами превращает атомы в «мгновенные» электрические диполи, положительный полюс которых расположен в ядре атома, а отрицательный — в точке нахождения данного электрона. Между такими «мгновенными» диполями возникает электростатическое притяжение.

Наличие ван-дер-ваальсовых сил оказывает заметное влияние на физические свойства веществ. Оказалось, что молекулы с большим числом электронов притягиваются друг к другу сильнее, чем малые молекулы с меньшим числом электронов. Так, например, иод I2, в молекуле которого 106 электронов, является твердым веществом и имеет более высокую температуру кипения (165 °С), чем газообразный хлор Сl2 (–35 °С), в молекуле которого только 34 электрона. Наблюдения показывают, что вещества, состоящие из молекул или атомов, которые притягиваются друг к другу дисперсионными ван-дер-ваальсовыми силами, характеризуются низкими температурами кипения и плавления по сравнению с другими веществами приблизительно такой же молекулярной массы.

Ван-дер-ваальсовы силы обусловливают связывающее взаимодействие между слоями и в кристаллах со слоистой структурой. Так как энергия этого взаимодействия невелика, слои могут свободно смещаться и отделяться относительно друг друга. Этим объясняется скользкая на ощупь («жирная») текстура графита и его способность оставлять след на бумаге, что позволяет использовать графит для письма.

Подтверждением того, что между атомами или молекулами существуют силы притяжения, можно считать способность перевода в жидкую или твердую форму неполярных соединений, а также то, что для плавления твердых веществ и для кипения жидких необходима энергия, которая расходуется на преодоление сил притяжения в неполярных веществах.

В зависимости от условий окружающей среды и в первую очередь от температуры и давления вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях. Эти состояния отличаются величиной и природой сил, действующих между частицами, а также характером движения самих частиц. Различают твердое, жидкое, газообразное и плазменное состояния веществ.

Газообразное состояние вещества

Большинство газов — ковалентные соединения или простые вещества. Отдельные молекулы газов находятся на сравнительно далеком расстоянии друг от друга и не оказывают значительного взаимного влияния. Главным видом движения молекул в газах является поступательное движение. При этом они испытывают огромное число соударений: для одного моля газа более чем 1020 соударений в минуту при комнатной температуре!

Свойства газов;

  • в газообразном состоянии вещество занимает весь объем и принимает форму сосуда;
  • газы обладают способностью сжижаться и расширяться;
  • газ оказывает постоянное давление на стенки сосуда, в котором он находится, одинаковое во всех направлениях.

Термин «газ» введен датским ученым Дж. ван Гельмонтом (1577-1644). Он соответствует греческому слову «хаос», означающему бесформенную массу первичных элементов, из которых, по представлениям древних ученых, был создан мир.

«Этот дух, до сих пор неизвестный, я называю новым именем — газ».

Сжижение газов. Чтобы произошло сжижение газа, силы притяжения между молекулами должны стать более значительными. Это возможно только при малых расстояниях между молекулами. Силам притяжения препятствует движение молекул, происходящее тем быстрее, чем выше температура. Поэтому для перевода газов в жидкое состояние необходимо сочетание пониженной температуры и высокого давления, характерных для каждого отдельного газа.

Чтобы представить, как различаются свойства вещества, находящегося в газообразном и жидком состояниях, расскажу о самом знакомом газе — кислороде O2.

Окружающий нас повсюду, но невидимый кислород можно увидеть, если охладить его до –182,9 °С. При этой температуре он становится светло-голубой жидкостью, которую в теплоизолированных сосудах можно доставлять туда, где он особенно нужен. Плотность этой жидкости 1,12 г/см3, т.е. чуть тяжелее воды. В одном литре такой жидкости сконцентрировано 800 литров кислорода! И если эта жидкость мгновенно превратится в газ, произойдет взрыв огромной силы!

На жидком кислороде работают холодильные костюмы, которые применяются горноспасателями при тушении пожаров в шахтах. Жидкий кислород — составная часть очень мощных, недорогих и безопасных взрывчатых веществ. Но особенно незаменим кислород в космических полетах. Многие типы ракет работают на кислороде.

В жидком кислороде удивительно изменяются свойства веществ.

Ртуть становится твердой — ею можно забивать гвозди.

Резина делается хрупкой и разлетается на куски!

Старая ржавая пружина вновь обретает молодость: становится блестящей и необыкновенно упругой.

Приобретает упругость и свинец. Свинцовый колокольчик, опущенный в жидкий кислород, звенит потом как серебряный...

Жидкий кислород обладает магнитными свойствами! Можешь представить, что пробирка с жидким кислородом, подвешенная на нитке к штативу, тянется за магнитом!

В жидком кислороде зеленым пламенем светится воск; синим мерцающим — белая яичная скорлупа.

А если снизить температуру до –218,7 °С, то можно увидеть, как жидкий кислород превратится в очень красивые синие кристаллы.

Удивительно, но твердые и жидкие вещества человек узнал и начал сознательно использовать раньше, а первые химические законы были построены исключительно на газах. Газообразное состояние — простейшее и наиболее доступное изучению состояние вещества. Но глубинный смысл процессов в газах был скрыт от ученых XVIIи XVIIIвеков. Они не понимали, почему газы ведут себя так, а не иначе, почему одни газы отвечают правилам, а другие от них отступают. Накопление фактов предшествовало появлению теорий. Так, паровая машина Уатта появилась раньше, чем были сформулированы принципы ее работы. Появление известных законов Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро — результат изучения газов, результат, приведший к революции в химии.

Закончен наш короткий рассказ о газах. Свойства их, конечно, многообразны. Огромно их значение для человека. Но это уже отдельный рассказ. А теперь можно подробнее узнать о веществах, имеющих другое строение.

Жидкое состояние вещества

В жидком состоянии могут находиться металлические (ртуть Hg), ионные (разбавленная хлороводородная кислота НС1) и ковалентные (бензол С6Н6) соединения.

  • Жидкости принимают форму сосуда, в котором они находятся.
  • Сжимаемость жидкостей очень мала.
  • Для жидкостей характерно испарение.
  • Жидкости кипят и замерзают.
  • Плотности жидкостей имеют значения, подобные плотностям твердых веществ.
  • Для жидкостей характерна текучесть.

На молекулу, находящуюся внутри жидкости, со всех сторон равномерно действуют силы межмолекулярного притяжения. В жидкостях дистанция, отделяющая молекулы, лишь немного больше, чем длина химической связи, объединяющей атомы в молекулу. Жидкости состоят из множества групп молекул, внутри которых атомы и сами молекулы расположены в строгом геометрическом порядке. Но сами эти группы располагаются относительно друг друга совсем случайным образом. Некоторые ученые считают, что в жидкости содержится много пустых молекулярных полостей, «дырок», куда всегда может перейти часть молекул и атомов из распадающихся групп. Благодаря этим особенностям внутренней структуры жидкости и приобретают свои характерные свойства.

Текучесть и вязкость жидкостей. Подобно газам, жидкости могут течь, и это свойство называется текучестью. Сопротивляемость течению называется вязкостью. Вязкость жидкостей имеет промежуточное значение между вязкостью газов и твердых веществ. Молекулы и атомы жидкости будто трутся друг о друга и двигаются не так свободно, как у газов, но и не закреплены жестко на своих местах, как у твердых веществ. На вязкость оказывают влияние такие факторы, как сила притяжения между молекулами, а также форма, структура и молекулярная масса молекул. Текучесть жидкостей, состоящих из больших молекул, ниже, чем жидкостей, состоящих из малых молекул. Например, сравни текучесть воды (Н2O) и глицерина (С3Н8O3). Вязкость жидкостей примерно в 100 раз больше, чем у газов.

На молекулу, находящуюся в глубине жидкости, со всех сторон равномерно действуют силы межмолекулярного притяжения. Однако на поверхности жидкости эти силы оказываются несбалансированными, и вследствие этого поверхностные молекулы испытывают действие результирующей силы, направленной внутрь жидкости. Поэтому поверхность жидкости все время стремится сократиться, она находится в состоянии натяжения. Существованием этого натяжения объясняется сферическая форма свободно падающих капель.

Диффузия. Процесс перераспределения вещества из области большей концентрации или высокого давления в область меньшей концентрации или меньшего давления называется процессом диффузии.

Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах, потому что их частицы упакованы более плотно. Частица, диффундирующая в жидкости, подвергается частым столкновениям и продвигается с трудом. Диффузия возможна между взаимно растворимыми или смешивающимися жидкостями.

На этой способности жидкостей основан такой важный в природе процесс, как осмос. Внутри живых организмов по сосудам-каналам текут растворы питательных веществ, а внутри клеток пульсирует другой раствор — клеточный сок. И оболочки клеток управляют отношениями между этими растворами: они пропускают молекулы жидкого растворителя, но непроницаемы для молекул растворенных веществ. Вода проникает таким образом внутрь клетки и создает в ней давление, благодаря которому ткани растений приобретают свою упругость. Маленькие молекулы имеют преимущество перед крупными и мало подвижными — у них выше скорость диффузии, благодаря «проскальзыванию» по молекулярным пустотам.

С явлением осмоса мы сталкиваемся под водой. Все, наверное, испытывали резь в глазах при нырянии в речную воду. Почему? Внутри глазных клеток концентрация растворенных веществ больше, чем в пресной речной воде. Вода проникает в клетки глаз, растягивает их, что мы болезненно ощущаем. А вот в морской воде, как ни странно, таких болевых ощущений мы не испытываем. Причина в том, что концентрации соли в морской воде и в глазных клетках довольно близки.

Если по каким-то причинам насос клеточных оболочек перестает накачивать воду, то клетки уменьшаются в размерах и постепенно гибнут. И ответственность за это несет отсутствие осмотического давления внутри погибающих клеток.

Жидкие кристаллы. Существуют жидкие вещества, у которых свойства зависят от направления приложения внешних сил. Такие вещества называют жидкими кристаллами. Образующие их частицы свободно перемещаются относительно друг друга, но при этом их ориентация сохраняется. Частицы или ориентированы нитеобразно в одном направлении или размещены в параллельных слоях. Первыми веществами, полученными в жидкокристаллическом виде в конце прошлого века, были органические соединения, например, холестерил-бензоат. Это твердое в обычных условиях вещество плавится при 145 °С с образованием мутного раствора, имеющего жидкокристаллическую структуру, похожего одновременно и на кристалл и на аморфное тело. Только при 179 °С оно становится настоящей прозрачной жидкостью. Структура жидких кристаллов легко изменяется при действии тепла, света, электрических и магнитных полей, механических напряжений. В результате у них изменяются физические свойства. А это значит, что этими свойствами можно управлять.

Именно такая особенность жидких кристаллов позволяет заметить, например, возникновение цифр на табло электронного прибора. Жидкокристаллическая пленка, нанесенная на стекло, на наших глазах темнеет, сильнее поглощает свет там, где через нее проходит электрический ток. Химикам удалось получить жидкие кристаллы, приобретающие различную окраску в зависимости от величины тока. И уже созданы миниатюрные цветные телевизоры с плоскими экранами из жидких кристаллов. И как сегодня мы носим с собой маленькие калькуляторы, так в недалеком будущем в наших карманах, наверное, будут лежать и такие микротелевизоры, которыми мы сможем пользоваться как книгами или газетами.

Океаны — колыбель жизни на Земле! С точки зрения химиков, это растворы множества химических веществ. «Именно в этом растворе впервые развились живые организмы, и из этого раствора они получили ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни...» — писал известный американский химик Лайнус Полинг.

Надо ли еще что-либо говорить о значении жидкостей?

Но существует еще не менее значимая группа веществ — «невозмутимые» твердые вещества.

Твердое состояние вещества

Твердые вещества состоят из плотноупакованных частиц. Этими частицами могут быть атомы, молекулы или ионы.

Большинство твердых веществ находится в кристаллической форме. Это означает, что образующие их частицы предельно упорядочены в регулярной пространственной структуре. Существуют и такие твердые вещества, в которых частицы не настолько упорядочены, чтобы образовать кристаллическую структуру. Такие твердые вещества называются аморфными (стекло, полимеры и др.).

Свойства твердых веществ:

  • твердые тела имеют самостоятельную форму;
  • частицы твердых веществ прочно связаны друг с другом;
  • средние расстояния между частицами примерно равны размеру частиц;
  • энергия взаимодействия между частицами превышает кинетическую энергию;
  • частицы совершают колебательные движения относительно мест, в которых их удерживают химические связи.

У твердых веществ отсутствует текучесть, очень незначительна сжимаемость, но для них характерна высокая механическая прочность.

Кристаллическая структура. Частицы в кристаллической решетке соединяются воображаемыми линиями, которые называются линиями решетки. Кристаллическая решетка построена из регулярно повторяющихся одинаковых структурных единиц — «кирпичиков», индивидуальных для каждого кристалла. Такая структурная единица называется элементарной ячейкой. Существует семь типов элементарных ячеек: простая кубическая, простая тетрагональная, простая ромбическая, простая моноклинная, гексагональная, ромбоэдрическая, триклинная, а также их разновидности. По типу химической связи кристаллические вещества подразделяются на молекулярные, ковалентные, металлические, ионные.

Молекулярные кристаллы. Структурными единицами в кристаллах этого типа являются молекулы, связанные друг с другом силами Ван-дер-Ваальса или силами водородной связи. Малая энергия межмолекулярных связей определяет свойства кристаллов этого типа:

  • низкая энергия кристаллической решетки;
  • малая механическая прочность;
  • низкие температуры плавления;
  • высокая летучесть;
  • не проводят электрический ток;
  • обладают низкой теплопроводностью.

Наиболее низкой энергией кристаллической решетки обладают вещества с неполярными молекулами: благородные (инертные) газы, галогены, СН4 и др. Наибольшей энергией кристаллической решетки обладают молекулярные кристаллы с водородными связями, например НС1, NH3, H2O.

Энергия, которую необходимо затратить на разрушение кристалла и удаление полученных частиц за пределы их взаимодействия, называется энергией кристаллической решетки.

Примером молекулярных кристаллических веществ может служить иод I2. В свободном виде иод существует в виде двухатомных молекул, удерживаемых ван-дер-вааль-совыми силами в молекулярной решетке. Так образуются блестящие темно-серые кристаллы иода. Но так как энергия решетки очень мала, то при незначительном нагревании кристаллы иода разрушаются.

Молекулы становятся свободными, и иод переходит в газообразное состояние. Образуются красивые фиолетовые пары иода I2. Процесс перехода твердого кристаллического вещества в газообразное состояние, минуя жидкое, называется возгонкой. Какие же свойства определяет молекулярная решетка кристаллического иода? Во-первых, иод I2 очень летуч. Он имеет низкие температуры плавления и кипения: Tплав = 114 °С; Ткип = 183 °С. Как для всех веществ, имеющих данный тип решетки, для него характерен резкий запах. Он всем нам хорошо знаком. Иод мало растворим в воде, но хорошо растворим в органических растворителях, что также является следствием неполярности его молекул. Так, например, с медицинской целью мы используем настойку иода на спирту.

Ковалентные кристаллы. Структурными единицами в кристаллических решетках этого типа являются атомы одного или различных элементов, связь между которыми носит ко-валентный характер. Эти соединения немногочисленны.

Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, серое олово. Среди сложных веществ можно выделить кварц SiO2, карбид кремния SiC, сульфид цинка ZnS, нитрид алюминия AlNи др. Эти вещества обладают очень высокой энергией решетки. Поэтому для них характерны высокие температуры плавления и кипения, высокая твердость, прочность. У таких кристаллов практически невозможно выделить структурную единицу. Весь кристалл представляет собой гигантскую молекулу-монокристалл. Исключительной красотой и твердостью отличаются алмазы, гранаты, рубины — природные самоцветы. Если эти камни по какой-то причине разрушаются, осколки их в точности повторяют по форме друг друга и камень-первооснову.

К сожалению, совершенные монокристаллы, необходимые, например, современной оптике или радиоэлектронике, получить или обнаружить в природе очень сложно. Чаще люди имеют дело с поликристаллами — веществами, состоящими из множества мелких или крупных кристаллических зерен.

Металлические кристаллы. Атомы веществ в таких решетках упакованы с максимальной плотностью. В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы металла, «погруженные» в электронный газ из нелокализованных валентных электронов атомов, участвующих в образовании кристалла. Устойчивость кристалла обеспечивается силами притяжения между положительными ионами и электронным газом.

Плотность большинства металлов значительна, что свидетельствует об очень плотной структуре их кристаллов.

Для металлов характерны пластичность или ковкость. Эти свойства свидетельствуют об отсутствии жесткости в металлических кристаллах. Металлы гнутся, куются, прокатываются в листы, превращаются в проволоку и тонкую фольгу: атомные плоскости кристалла скользят одна по другой, вернее, по разделяющему их слою электронов.

Электропроводность и теплопроводность металлов также свидетельствуют о высокой подвижности и большой «свободе» электронов.

По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Металлы, как правило, характеризуются высокими температурами плавления, что подтверждает большую энергию их кристаллической решетки.

Ионные кристаллы. Кристаллические решетки этого типа состоят из чередующихся положительно и отрицательно заряженных ионов, между которыми действуют силы притяжения. Образуются они из атомов, сильно отличающихся по значениям электроотрицательностей. В таких кристаллах ионный тип связей. Примерами могут быть такие вещества: хлорид натрия (NaCl), фторид кальция (CaF2), фторид калия (KF).

В состав ионных соединений могут входить также и сложные ионы. Например, нитрат-ионы NO3, сульфат-ионы SO42–.

Ионные кристаллы правильнее рассматривать как одну гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительное воздействие со стороны всех остальных ионов. Энергия ионной решетки может достигать очень больших значений. Такие вещества отличаются высокой прочностью, высокими температурами плавления. Но в отличие от веществ с кристаллическими решетками металлического типа они хрупкие, например, разрушаются при ударе на мелкие куски, в то время как металлы лишь изменяют свою форму. Это подтверждает, что их решетки не содержат «свободных», подвижных электронов. Отсутствие таких электронов приводит и к тому, что все вещества с ионной кристаллической решеткой — диэлектрики.

Так как такие кристаллы состоят их заряженных частиц, то они очень хорошо растворяются в полярных растворителях, например, в воде. При этом образуются растворы, проводящие электрический ток по причине наличия в них заряженных частиц.

Способность какого-либо соединения существовать в двух или нескольких кристаллических формах называется полиморфизмом. Примером полиморфного соединения является кремнезем — оксид кремния (SiO2). Он имеет ковалентную структуру, в которой атомы кремния связаны с четырьмя атомами кислорода. Кварц (разновидность кремнезема) имеет гексагональную структуру. При высоких температурах кристаллическая структура кремнезема переходит в ромбическую, а затем в кубическую форму. Если какой-либо химический элемент может существовать в нескольких твердых формах, то такое явление называется аллотропией, а формы — аллотропными модификациями или аллотропами.

Например, углерод существует в виде алмаза и графита (ковалентные кристаллы). Сера имеет три аллотропные модификации: ромбическая сера и моноклинная (молекулярные кристаллы), пластическая (длинные атомные цепочки).

Фосфор имеет три аллотропные формы: красный фосфор (ковалентные кристаллы), белый фосфор (молекулярные кристаллы), черный фосфор (макромолекулярная слоистая структура). Каждый тип решетки предполагает соответствующие свойства вещества. Поэтому свойства аллотропов отличаются иногда очень значительно. Например, неустойчивый, летучий, возгорающийся на воздухе белый фосфор и устойчивый, нелетучий, загорающийся только при нагревании красный фосфор. И только белый фосфор может светиться! Известна история гибели одной полярной экспедиции. Трагедия произошла потому, что вытек из бочек весь запас горючего. Изучение произошедшего привело к выводу, что причиной был переход кристаллической аллотропной модификации олова, которое использовалось при пайке, в аморфную модификацию в результате резкого понижения температуры. А ведь за много лет до описанной трагедии уже был сигнал опасности. При инспекции военных складов русской армии было обнаружено, что с солдатских мундиров исчезли все •оловянные пуговицы. Исследования показали, что они не были похищены, а кристаллическое олово перешло в аморфное состояние и рассыпалось.

В нашем предыдущем рассказе использовалось такое понятие, как аморфное вещество.

Аморфное состояние может рассматриваться как переохлажденная жидкость. Такое вещество и может быть получено, например, переохлаждением расплавов или охлаждением жидкостей при постоянном давлении. Типичными примерами аморфных веществ могут служить стекла, поэтому аморфное состояние называют также и стеклообразным. В стеклообразном состоянии могут находиться и простые вещества (S, Se, As, С, С), оксиды, многие органические полимеры.

Внутри аморфных тел молекулы и атомы расположены хаотично. Свойства аморфных тел не зависят от направления приложения внешних сил, как у жидкостей. Стекла старых домов со временем становятся толще у основания. Это доказывает принадлежность стекла к твердым жидкостям. Стекло медленно-медленно течет, образуя наплывы и утолщения в нижней части окон. Превращение аморфных материалов из жидкости в твердое состояние и наоборот протекает плавно, постепенно. Для стекла нельзя, например, назвать точную температуру плавления — стекло не плавится, а размягчается. Отсутствие определенной точки температуры плавления характерно для всех аморфных веществ.

Мы закончили рассказ о твердых веществах, об их многообразии и свойствах. Постепенно открываются перед тобой секреты строения вещества, познается язык природы, постигая который, ты узнаешь окружающий мир.

Не то, что мните вы, природа —
Не слепок, не бездушный лик:
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык.

Ф.И.Тютчев

Плазменное состояние

При нагревании разреженных газообразных систем до высоких температур, превышающих десятки тысяч градусов, происходит ионизация молекул, т.е. отщепление электронов и появление ионов. Уже при 3000-5000 градусах появляются признаки того, что в газе происходят необычные процессы. Ионы способны к дальнейшим химическим реакциям, поэтому в плазмах обнаруживаются частицы, существование которых обычно практически невозможно с точки зрения химии: ионы СН5+, Н3+, Не2+, Ne2+ и т.п.

Кинетическая и потенциальная энергия частиц (а в плазме одновременно присутствуют электроны, ионы, атомы) в плазменном состоянии превышает значения таких энергий в газах. Плазма электрически нейтральна, но плазмой можно управлять, так как она реагирует на электрические и магнитные поля, при этом движение частиц под их влиянием становится направленным.

Северное сияние, падающие звезды, воздух в канале молнии, световая реклама — все это плазма. Но в общем для Земли это состояние веществ не характерно и, напротив, очень характерно для космоса: звезды, туманности, бесконечные пространства «пустоты».

Физические свойства плазмы привлекают исследователей уже давно. Но лишь в последние годы плазмой заинтересовались химики. Оказалось, что вещества в четвертом состоянии ведут себя необычно, что позволяет осуществлять недоступные обычной химии реакции. Возникла новая отрасль химии — плазмохимия. В плазме, например, возможен высокоскоростной пиролиз (разложение) угля. Это позволяет получить самые разнообразные органические вещества: цианистый водород, необходимый для производства пластмасс, дициан — ценное вещество, используемое как топливо, как сырье для синтеза. Значительно легче проводятся процессы получения озона, водорода и сажи из метана, восстановление металлов из оксидов, производство карбидов урана и тантала, фтороорганических соединений. Наибольшее внимание по-прежнему уделяется связыванию азота. Изучено уже свыше 60 химических процессов, проведение которых в плазме дает ощутимые преимущества.

Но главной сферой действия плазмохимии будет получение совершенно новых веществ, существование которых сегодня кажется нам невероятным. Возможно, это будут сложнейшие белки и ферменты, сверхкалорийные топлива, сверхтвердые материалы, продукты питания, «волшебные» лекарства.

Заключение

Человечество сегодня располагает колоссальными силами, и очень многое в нашей судьбе зависит от того, куда и как будут направлены эти силы, как будут использованы, например, знания о веществах.

В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман первым сделал заявление о том, что в будущем человечество сможет любой материал, хоть пыль, превращать во что угодно: в пищу или драгоценности. Сегодня эти сумасшедшие фантазии становятся реальностью.

В крупнейших лабораториях мира сегодня занимаются новым направлением — нанотехнологией. Нанотехнология — это когда из атомов и молекул одних веществ, как из деталей конструктора, собирают другие вещества. Чтобы представить себе величины, с которыми работают нанотехнологии, достаточно взять обычный волосок и мысленно разрезать вдоль на сорок тысяч частей. Каждая часть и будет приблизительно равна одному нанометру — одной миллиардной доли метра. Ученым удалось совершить скачок от манипуляции веществом к манипуляции атомами. Например, переставив атомы в обычном угле, можно получить алмаз.

А из молекул воды и углекислого газа «вылепить» сахар или крахмал, как это делают растения. Создан прибор, благодаря которому началась нанотехническая революция.

Это сканирующий туннельный микроскоп. Принцип его действия прост: очень острая игла движется над поверхностью материала на расстоянии меньше величины атома. Через иглу пропущен ток, и изменение расстояния между острием и поверхностью вызывает резкий «скачок» электрического напряжения. Увеличивая его или уменьшая, можно «зацепить» атом и переместить его в нужное место. Чтобы закрепить атом на заданном месте, надо, чтобы он вступил в химическое соединение с соседним атомом, и есть много путей решения этой проблемы. Американцы, используя сверхнизкие температуры, сумели выложить из атомов инертного газа ксенона слово IBM. Но соединение оказалось непрочным, и при нагревании атомы вернулись в исходное состояние. Сегодня ученые уже находятся на пороге получения микроэлектронных схем, простых и объемных, размером с ... атом. Предполагается довольно скоро начать выпуск наноэлект-ронных чипов, которые позволят изготавливать микросхемы памяти емкостью в десятки гигабайт — своего рода мощнейший искусственный интеллект.

Какими же видятся перспективы использования новых технологий? Пофантазируем.

В сельском хозяйстве

На биостимуляторных установках будут создавать еду из ... земли, воды и воздуха. Растения и животных заменят их искусственные аналоги — молекулярные роботы, которые смогут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом .организме. Молоко и мясо можно будет получать без коровы, используя атомы почвы и углекислого газа.

В космосе

Нанороботы будут выпущены в околоземное космическое пространство. Они подготовят для заселения людьми Луну, астероиды и ближайшие планеты.

В медицине

Молекулярные роботы-врачи, которые поселятся внутри человеческого организма, приблизят человека к бессмертию. Они смогут находить и устранять «неполадки» на клеточном уровне: перестроят больную клетку, уничтожат склеротические бляшки и раковые клетки. Исчезнет необходимость в донорских органах. С помощью нанотехнологии можно будет выращивать любой орган. А самый фантастический проект — это «переселение» человеческого организма в компьютер.

В экологии

Экосфера будет заполнена молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы в исходное сырье, и человек уже не сможет вредить окружающей среде.

В быту

Наноэлектронные устройства вытеснят сотовые телефоны: передатчик будет вживляться в группу специальных клеток в ухе, которые и будут выполнять роль некоего электронного связиста и телепата.

И, конечно, уже сегодня ученых беспокоит вопрос опасности новой технологии. Ведь наряду с врачами-роботами, путешествующими по венам, можно изобрести и невидимые подсматривающие и подслушивающие устройства. Военные не упустят возможности создать новый вид супероружия. Появление интеллектуальных систем, превосходящих мышление человека, приведет к новому этапу эволюции разума. Поэтому на первой международной конференции «Нано-1», проходившей в Токио в 1998 году, звучала фраза: «Тот, кто подчинит себе наномир, с легкостью станет властелином всего мира».

Выложил alsak
Опубликовано 27.06.08
Просмотров 8585
Рубрика Материалы к уроку
Тема МКТ
Комментарии

Комментарии (0)

Оставить комментарий

Пожалуйста, войдите, чтобы комментировать.

Последние комментарии

Sergey Kozhinin

10. апреля, 2018 |

Задача №4. По условию стыковка должна произойти "без дополнительной...

Сакович

14. сентября, 2016 |

Этот вопрос надо задавать не мне, а авторам статьи. Их данные можно...

Где взять?

14. сентября, 2016 |

Напишите пожалуйста, где взять такую базу?