Файл: Справочник (белкин).doc

4. Концепции химии и геологии

4.1. Этапы развития химического знания. Основные понятия

1. Иерархическая последовательность эволюции химических знаний: учение о составе, структурная химия, учение о закономерностях химических процессов, эволюционная химия.

2. Эволюционная химия, как один из уровней химического знания, изучает самоорганизацию и саморазвитие химических систем.

3. Теоретическая основа классической химии XVIII–XIX – это атомно-молекулярное учение:

– все тела состоят из молекул;

– молекулы находятся в состоянии постоянного движения;

– между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.

4. Основой неклассической химии является квантовая механика.

5. Химический элемент – это атом с определённым зарядом ядра или с определённым количеством протонов в ядре. Другими словами, с современной точки зрения систематизирующим фактором периодической системы Д. И. Менделеева является заряд ядра атома (табл. 4.1).

6. Физический смысл периодического закона Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома.

Таблица 4.1

Современный вариант длинной формы периодической системы химических элементов

7. Энергия химической связи атомов в молекулах определяется

– строением электронных оболочек;

– энергией электронно-ионного взаимодействия.

8. Молекула – квантовомеханическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядер нескольких атомов. Иначе, минимальная частица вещества, сохраняющая его свойства.

9. Виды связи атомов в молекулы: ионная (NaCl), ковалентная (O₂, H₂, N₂), металлическая (металлы), водородная, Ван-дер-Ваальсова.

10. Полимеры – это высокомолекулярные соединения природного, синтетического или искусственного происхождения, обладающие особым комплексом физико-химических свойств, которые отличают их от низкомолекулярных соединений.

11. Мономером называется вещество, молекулы которого способны реагировать друг с другом или с молекулами других веществ с образованием полимера. Важнейшие мономеры: этилен, пропилен, изопрен, винилхлорид, стирол, фенол.

4.2. Реакционная способность веществ

1. Реакционная способность вещества не связана с составом ядра и характером связи в нем, она определяется строением электронных оболочек атомов.

2. Высокая химическая активность характерна для элементов в столбцах № I (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и № VII (F, Cl, Br, I, At).

3. Минимальная химическая активность у элементов из столбца № VIII: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Валентность этих элементов равна 0.

4. Химическая кинетика изучает скорости химических реакций, их механизм и условия протекания.

5. Протекание экзотермического процесса при постоянном давлении сопровождается уменьшением энтальпии системы и выделением энергии.

6. Протекание эндотермического процесса при постоянном давлении сопровождается ростом энтальпии системы и поглощением энергии.

7. На скорость химической реакции влияют: температура, концентрации реагентов, наличие катализаторов, природа реагирующих веществ.

8. Зависимость скорости химической реакции v от концентрации реагентов A и B выражается законом действующих масс:

где –  константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ; C_A– концентрация реагента A; C_B– концентрация реагента B; n_A и n_B – стехиометрические коэффициенты исходных веществ A и B в уравнении реакции.

9. Зависимость константы скорости химической реакции  от температуры выражается уравнением Аррениуса:

где A – предэкспоненциальный множитель, совпадающий по размерности с , E_a – энергия активации, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

10. Энергией активации называется минимальная энергия реагентов, достаточная для из вступления в химическую реакцию, то есть достаточная для преодоления барьера на поверхности потенциальной энергии, отделяющей реагенты от продуктов реакции.

11. Примеры задач.

11.1. Один моль газа при нормальных условиях занимает объём 22,4 л. Если два моля NaCl подвергли электролизу, то в результате будет получен один моль хлора объёмом 22,4 л.

11.2. Найти изменение скорости гомогенной элементарной реакции

2A_(г) + B_(г) A₂B_(г),

если давление в системе увеличится в 2 раза.

Решение: увеличение давления в 2 раза приведет к возрастанию концентраций реагентов также в 2 раза, то есть C_A = 2C_A0 и C_B = 2C_B0. Применим закон действующих масс. Согласно уравнению реакции n_A = 2 и n_B = 1, следовательно, новая скорость реакции v =  (2C_A0)² 2C_B0 = 2²2  C_A0² C_B0 = 8 v₀. Скорость реакции увеличится 8 раз.

12. Катализатором называется вещество, изменяющее скорость реакции или вызывающее ее, но не входящее в состав ее продуктов. Ускорение реакций достигается созданием промежуточных соединений с участием катализатора.

13. Ферментами называются биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. По химической природе – белки.

14. Направление смещения равновесия под влиянием внешних воздействий определяется принципом Ле Шателье.

14. Условием состояния равновесия является равенство скоростей прямого и обратного процессов.

15. Автокатализом называется ускорение реакции, обусловленное накоплением конечного или промежуточного продукта, обладающего каталитическим действием в данной реакции.

4.3 Строение и эволюция Земли

1. Геофизика изучает внутреннее строение Земли, физические свойства и процессы в геосферах.

2.Геохимия изучает химический состав Земли, закономерности распространения химических элементов в различных геосферах, закономерности их поведения, сочетаний, миграций.

3. Геометрическая форма Земли называется геоидом. Это шар, сплюснутый у полюсов, близкий к эллипсоиду. Радиус Земли в плоскости экватора примерно на 21 км больше, чем радиус в плоскости меридиана. За поверхность геоида принимается спокойная поверхность океана, мысленно продолженная под материками таким образом, чтобы она всюду была перпендикулярна линии отвеса или силе тяжести.

4. В химический состав Земли входят железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %), магний (12,7 %), а также уран, торий и калий, выделяющие теплоту за счёт радиоактивного распада.

5. Согласно сейсмическим данным, недра Земли разделяются на три основные области: кору, мантию и ядро (рис. 4.1). Кроме того, строение Земли представляют совокупностью геосферных оболочек (литосферы, астеносферы, гидросферы, атмосферы и магнитосферы).

6. Основными типами земной коры являются океанический (толщина до 10 км с учётом слоя воды) и материковый (толщина до десятков километров в горных районах). Средняя толщина земной коры оценивается величиной 35 км. Материковая (континентальная) кора состоит из двух слоёв: гранитного и базальтового. Океаническая кора имеет базальтовый состав (рис. 4.2 и 4.3).

7. Мантия или силикатная оболочка расположена на глубинах от 35 до 2885 км, её разделяют на верхнюю и нижнюю мантии.

8.Внешнее ядро находится в жидком состоянии и состоит по современным представлениям из смеси серы (12 %) и железа (88 %).

9. Внутреннее ядро представляет собой железо-никелевый сплав (20 % никеля и 80 % железа).

10. Литосфера включает в себя земную кору и верхнюю зону мантии, в которой вещество настолько остыло, что превратилось в горную породу. Приблизительная толщина литосферы составляет 70 км. Литосфера расколота примерно на 10 больших плит, по краям которых расположено подавляющее большинство очагов землетрясений.

11. Под жёсткой литосферой находится слой повышенной текучести – астеносфера, в которой плавают литосферные плиты. Пластичность вещества астеносферы обусловлена его частичным плавлением: твёрдые гранулы окружены плёнкой расплава. В астеносфере расположены первичные магматические очаги вулканов, процессы в астеносфере определяют геологическое строение земной коры. Земная кора создаётся в рифтовых зонах океанов.