Билет 44. Принципы строения вещества.

Каждое вещество состоит из мельчайших частиц – молекул, а молекулы – из атомов. Такие простые вещества, как медь или алюминий содержат молекулы, образованные из одинаковых атомов этого вещества. Молекулы же сложных веществ состоят из атомов различных химических элементов. Например, в состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Каждый атом состоит из ядра, которое состоит из протонов и нейтронов, вокруг ядра вращаются электроны. Ядро атома имеет положительный заряд и занимает ничтожно малую часть объема атома. Положительный заряд атома обусловлен наличием в нем протонов. Нейтрон, обладая массой, несколько большей массы протона, не имеет никакого заряда, т.е. он электрически нейтрален.

Электроны являются носителями отрицательных зарядов. Масса электрона примерно в 1840 раз меньше массы протона. Число протонов в ядре равно числу электронов, окружающих ядро, и атом в целом нейтрален, т.е. не имеет электрического заряда. Химические элементы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами. В каждом атоме любого химического элемента число электронов и протонов одинаково, так что общий отрицательный заряд электронов атома равен положительному заряду протонов, содержащихся в ядре. Равные по величине положительные и отрицательные заряды по отношению к внешней среде уравновешиваются, взаимно нейтрализуются, в результате чего атомы вещества в обычном состоянии электрически нейтральны. Если же от атома вещества отщепляется один или несколько электронов, то атом превращается в положительно заряженный ион. В случае, когда атом вещества воспринимает лишние электроны, то он ионизируется отрицательно, превращаясь в отрицательный ион. Электроны движутся вокруг ядра и находятся от него на различных расстояниях, поэтому взаимодействие положительных зарядов протонов ядра с электронами неодинаково; оно ослабляется по мере удаления электрона от ядра. Таким образом может меняться число электронов, наиболее удаленных от ядра и наиболее слабо связанных с ядром. Число электронов, на которое может ионизироваться атом (увеличением числа электронов при отрицательной ионизации и уменьшением их числа при положительной ионизации), равно валентности атома, определяемой числом наиболее удаленных электронов в нейтральном состоянии атома.

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей – химию. В современном понимании химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения. Химические процессы, лежащие в основе получения металлов, крашения тканей, выделки кожи и др., использовались человечеством уже на заре его культурной жизни. История развития химических знаний начинается с древних времен. Древнегреческие философы Демокрит (ок. 470 или 460 г. до н. э. – умер в глубокой старости) и его последователь Эпикур (341–270 до н. э.) – основоположники античной атомистики – высказали идею: все тела состоят из неделимых материальных частиц – атомов, различающихся формой и величиной. Натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление в развитии химии, возникшее в III–IV вв. н. э. и получившее развитие в Западной Европе в XI–XVI вв. Основная цель алхимии – нахождение так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, получения эликсира долголетия и т. д. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все в большей степени стали использоваться в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок. Первое научное определение химического элемента в 1661 г. сформулировал английский химик и физик Р. Бойль (1627–1691 гг.), положивший начало экспериментальному химическому анализу. В современном представлении химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит. Возникшее таким образом учение о составе вещества развивается и сегодня на качественно новом уровне. Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель, гениальный ученый М.В. Ломоносов (1711–1765) сформулировал принцип сохранения материи и движения и исключил из числа химических агентов флогистон – невесомую материю. Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы железо, медь, свинец и др. считались сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» – флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743– 1794) окончательно опроверг теорию флогистона. В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766–1844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес» и определил атомные массы (веса) ряда элементов. Он установил в 1803 г. важный закон – закон кратных отношений: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся, как целые числа, обычно небольшие. В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро (1776–1856) ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах XIX в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик A.M. Бутлеров (1828–1886) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. Немного позднее – в 1869 г.– другой выдающийся русский химик– Д.И. Менделеев (1834– 1907) открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка данного закона такова: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элементов в периодической системе Менделеева.