Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Другое / Конспекты / Конспекты лекций по естествознанию

Конспекты лекций по естествознанию


До 7 декабря продлён приём заявок на
Международный конкурс "Мириады открытий"
(конкурс сразу по 24 предметам за один оргвзнос)

  • Другое

Поделитесь материалом с коллегами:






Естествознание



Конспект лекций

(на правах рукописи)

















Абакан


Тема МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ МИРА

План

  1. Методы познания окружающего мира

-религия

-мистика

-философия

-наука

  1. Фундаментальные и общие науки

  2. Формы и методы научного познания


  1. Естествознание – неотъемлемая и важная часть духовной культуры человечества.

Рассмотрим место естествознания среди методов познания окружающего нас мира.

Считается, что имеется четыре основных направления, по которым движется человеческое сознание при получении любых сведений, необходимых для создания общей для общества в целом и для каждого человека в отдельности картины мира. Это религия, мистика, философия, наука.

Исследовать подробно каждый из этих путей - сложная, неоднозначная и крайне трудоемкая задача. Мы этим заниматься не станем, охарактеризуем только некоторые, существенные на наш взгляд, черты четырех методов познания для того, чтобы можно было понять отличия, свойственные научному подходу, независимо от того, о каких науках идет речь, и естествознанию как части научного знания.

Религиозные знания получают с помощью непосредственной передачи от некоторых независимых источников, в частности от пророков, которые считаются каналами связи с верховным божественными (божествами); эти знания не подвергается сомнению и проверки, пользуются неограниченным доверием: основа принципа - вера.

Во время мистических ритуалов человек не отделяет себя от объекта изучения, другими словами, не глядит на объект со стороны, а старается привести себя в состояние, когда и объект, и изучающий его человек становятся единой сущностью. Такие специфические состояния отличаются от обычных состояний повседневной жизни, что позволяет получать доступ к наблюдению явлений как бы со всех сторон сразу.

Философия - это поиски общих принципов описания мира в целом посредством логических размышлений. Философские истины не требуют опытного подтверждения.

Наука - направлена на исследование конкретных явлений и процессов в природе (живой и неживой) и в обществе, на установление устойчивых, повторяющихся связей между явлениями, предметами и их свойствами - законов, которые являются объективными характеристиками изучаемой реальности. Объективность научных истин достигается их идентичностью независимо от места и времени их установления, от индивидуальности (личных качеств, национальности, политических взглядов и т. д.) исследователя, от используемых методов исследования. Исследователь при этом отделен от явления, находится вне его.

Человеческий разум устроен таким образом, что все, что попадает в его поле зрения, проходит этапы сортировки и систематизации. Вначале выделяется самое основное, самое важное, на что следует обратить внимание, остальное менее существенное либо откладывается в сторону до лучших времен, либо вообще исключается из рассмотрения (забывается). Затем то, что выбрано для рассмотрения, раскладывается «по полочкам» в соответствии с привычными критериями (признаками) - весом, размером, вкусом, цветом и т.д. Эти же принципы мышления лежат и в основе научного метода познания. Используем их вначале для описания общих свойств самой науки. Какая она? Или какие они? Их же, как известно, довольно много. Чем отличаются, чем похожи, т. е. как их можно классифицировать?

  1. Рассмотрим самое известное деление наук на две основные группы: гуманитарные и естественные науки.

Выделенные группы отличаются друг от друга предметом изучения. Гуманитарные науки занимаются изучением собственно человека, его взаимоотношений с природой, с другими людьми. Исследуются группы людей, сообщества, классы, ну и целиком человеческое общество - его формации, история, культура, его современная жизнь и развитие.

Естественные науки занимаются изучением внешнего по отношению к человеку как к индивиду и внешнего по отношению к обществу мира. В этот внешний мир входит все природное, что мы видим вокруг себя: земля, вода, воздух, горы, равнины, океаны, все, что существует на нашей планете, сама планета Земля и другие известные планеты, Солнце, звезды. В него входит то, что мы не можем разглядеть невооруженным глазом, но из чего состоит все вышеперечисленное: молекулы, атомы, электроны и другие микрочастицы, фотоны. В него также входит все, что когда-либо создано человеком и находится с тех пор под воздействием природных субстанций и сил: здания, орудия труда, средства транспорта, различные машины, металлические конструкции, различные бытовые и промышленные изделия, современные электростанции и предприятия, компьютеры, космические аппараты - этот список можно продолжать до бесконечности. Кроме того, во внешний мир входит вся живая природа, которая находится на поверхности Земли, растения, животные, микроорганизмы. Если когда-нибудь обнаружится присутствие жизни на других планетах или в других планетных системах, то эта внеземная жизнь тоже войдет во внешний по отношению к человеку мир. И наконец, во внешний мир входит и сам человек, как составляющая часть биосферы Земли. Естественные науки занимаются строением человеческого тела, его жизненными функциями, его болезнями, физико-химическими процессами, происходящими в живых тканях и органах человека.

Учитывая такой огромный объем вопросов, которыми занимается естествознание, и, понимая, какой труд необходим, чтобы охватить все перечисленные области, возникает вопрос какова (каковы) причина (причины) существования такой обширной области научного знания, какой является естествознание, и нельзя ли обойтись меньшим количеством знаний о внешнем мире?

Действительно, исследование всех упомянутых направлений, всей Вселенной во всех аспектах требует концентрации умственных усилий большого количества способных, склонных к научному анализу людей и, несомненно, очень значительных финансовых затрат. Вместе с тем естественнонаучное знание существовало во все века и тысячелетия развития цивилизации. И в настоящее время все государства вкладывают в развитие естественных наук с каждым годом все большие средства. В чем тут дело? Ответ на этот вопрос, на наш взгляд, каждый человек может найти самостоятельно. Представим себе, что на исследования не будут выделяться деньги. Это возможно, и это действительно часто происходило, например, в неурожайные годы, во времена стихийных бедствий или затяжных войн, когда денег едва хватало для поддержания государственных институтов, для предотвращения болезней и голода. Прекращались ли в такие периоды научные изыскания? Замедление темпов развития естественных наук в тяжелые для государств времена происходило, однако полностью научная мысль не останавливалась никогда. Находились люди, для которых изучение движения небесных светил, темпов роста растений, процессов взаимодействия между собой веществ, имеющих различные свойства и природу, было интересно само по себе, независимо от получаемого вознаграждения. Значит, людей всегда волновал вопрос: как устроен мир?

С другой стороны, карта звездного неба помогала прокладывать путь морским судам, изучение факторов роста зерновых растений давало возможность повысить урожаи и увеличить объемы продуктов питания, разработка новых материалов позволяла создавать удобные жилища, средства передвижения и инструменты для работы в различных отраслях человеческой деятельности.

Таким образом, на второй вопрос ответ может быть следующим: существует как минимум две основные причины развития естественных наук. Первая из них - удовлетворение присущего людям интереса к устройству внешнего мира. Этот интерес в явном, неприкрытом виде проявляется в раннем детстве. Ребенку хочется выяснить, как устроена игрушка, почему крутится колесико детской машинки, откуда берется огонек пламени? И он разбирает игрушки на мелкие части, иногда попросту ломает их, наблюдает за машинами, тянется к спичкам. Ученые - естествоиспытатели почти как дети, им тоже интересно все вокруг: что происходит, в чем причина происходящего. Что такое свет, какой он бывает и как распространяется? Как происходят взрывы, какие силы перемещают континенты и вызывают землетрясения, каковы законы наследственности? Этот интерес, это качество всегда было присуще людям, в просторечии его называют любопытством. Если быть более точным, то правильнее говорить о любознательности, т. е. о любви к знаниям.

Вторая причина поступательного движения естествознания тоже понятна. Человеку свойственно желание улучшить свою жизнь: иметь достаточное количество вкусной и качественной пищи, получить механизмы, помогающие в работе, быстро перемещаться на большие расстояния. Хочется быть здоровым и жить дольше, и еще многое другое. Чтобы всего этого достигнуть или хотя бы двигаться к этому благополучию, одной философии недостаточно. Необходимы точные знания в различных областях, которые позволяют рассчитывать, конструировать, строить и делать прогнозы (не только погоды). Все эти возможности дает человеку естествознание.

Поэтому вернемся опять к вопросу классификации. Только теперь остановимся не на классификации науки вообще, а на классификации самих естественных наук. Как уже было сказано, и все современные люди хорошо себе это представляют, естественных наук в наше время очень много. Настолько много, что их простое перечисление может занять значительное время и место. Да простое перечисление и не поможет разобраться, чем занимается отдельные науки, как они между собой связаны, какова общая структура естественнонаучного знания. Поэтому будем двигаться в соответствии с научным принципом - постараемся найти возможность разделения всех известных наук на группы по каким-нибудь явным, понятным нам признакам.

Введем один из таких признаков, который кажется нам ключевым, во всяком случае, очень удобным для начала сортировки всего множества наук о внешнем мире. Назовем этот признак «степенью охвата каждой наукой явлений природы» или «степенью общности науки». Чем больше явлений, объектов и т. д. описывает данная наука, чем больше ее применимость в различных сферах окружающего мира и мира человеческой деятельности, тем она более общая. Выделим из всех наук те, которые имеют самую большую из всех остальных степень охвата и самую большую общность в описании процессов и явлений, так называемые науки l-го уровня. Будем считать, что законы и теории, которые разрабатываются и выдвигаются науками l-го уровня, являются основополагающими для всех остальных наук, являются наиболее общими. Поэтому назовем науки 1-го уровня фундаментальными или базовыми, имея ввиду, что они составляют основу, фундамент естествознания в целом. Перечислим науки, которые, по нашему мнению, можно назвать фундаментальными. И постараемся это сделать так, чтобы они совместно представляли все возможные области естественнонаучного знания.

Фундаментальные науки

Астрономия - наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Важнейшими разделами астрономии являются космология и космогония. Космология - это физическое учение о Вселенной как целом, ее устройстве и развитии. Космогония изучает вопросы происхождения и развития небесных тел (звезд, планет и т. д.).

Физика изучает законы окружающего мира, наиболее общие свойства материи и формы ее движения (механическую, тепловую, электромагнитную, атомную, ядерную) и имеет много видов и разделов (общая физика, теоретическая физика, экспериментальная физика, механика, молекулярная физика, атомная физика, ядерная физика, физика электромагнетизма и т. д.).

Химия - наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях, сопровождающихся изменением состава и структуры. Она изучает химическую форму движения материи и делится на неорганическую и органическую химию. Она включает в себя биохимию, биогеохимию, геохимию, агрохи­мию, медицинскую химию, физическую химию, термохимию, электрохимию, фотохимию, ядерную химию, криохимию, плазмохимию, механохимию, космохимию, химию переработки сырья и т. д.

Биология относится к наукам о живой природе и является самой разветвленной наукой (содержит зоологию, ботанику, физиологию животных и человека, экологию, физиологию растений, биологическую химию, микробиологию, гидробиологию, цитологию, физиологию клетки, биофизику, генетику, эмбриологию, молекулярную биологию, молекулярную генетику, вирусологию, космическую биологию, эволюционную теорию и т. д.).

Кибернетика - наука, с помощью математических методов изучающая управляющие системы и процессы управления, способы создания и тождественного преобразования алгоритмов, описывающих процессы управления, протекающие в действительности; наука о процессах приема, передачи, переработки и хранения информации.

Определения представленных фундаментальных наук, конечно, не могут дать о них исчерпывающего представления. Однако перечисленные науки имеют самые большие области охвата, более общих естественных наук не осталось. И все возможные стороны внешнего мира также оказались учтены: все, что над нами, - планеты, звезды, космос, Вселенная - изучает астрономия; законы движения и взаимодействия для любых материальных объектов и систем - физика; все многообразие веществ, которые нас окружают, находятся над нами и под нами (и внутри нас), их взаимопревращения - химия; весь мир живой природы - биология; все о системах управления в живых и неживых системах - кибернетика.

Далее должны следовать науки 2-го уровня, назовем их общими. Они по степени охвата уступают фундаментальным наукам, однако по-прежнему рассматривают очень большие области природы. Их условно можно считать большими разделами фундаментальных наук, иногда это могут быть промежуточные научные области, находящиеся на стыках фундаментальных наук.

Общие науки оказывается необходимы, так как области «владения» фундаментальных наук так велики, что на достижения некоторого уровня даже в одном из разделов наук 1-го уровня можно потратить целую жизнь. Так, например заниматься тонкостями биохимии часто не под силу высококлассному в области неорганической химии. Для поддержание темпов развития естественных наук и получения качественно новых знаний требуется движение широким фронтом с рассмотрением более узких, чем в фундаментальных науках, сфер научной деятельности.

Вместе с тем деление предметов исследования в естествознании до уровня общих наук также оказывается недостаточным. Сегодняшний день требует тщательного изучения всех более узких вопросов, внутри которых появляется, все новые стороны и грани. Поэтому приходится вводить еще один, 3-й уровень, который включает науки еще меньшего охвата. Их можно назвать частными науками. В качестве примера таких наук можно привести океанологию, эмбриологию или климатологию.

Понятно, что количество наук на каждом скудеющим уровне с меньшим охватом естественнонаучных направлений намного больше, чем на предыдущем. Поэтому, чем больше сужается область конкретных научных интересов, тем быстрее возрастает численность естественных наук, рассматривающих данные области.

Последний, 4-й уровень, которым следует дополнить получившуюся вертикальную структуру естественнонаучных знаний, включает в себя прикладные (или технические) науки. Цель этих наук - донести фундаментальные знания до решения практических задач, возникающих постоянно в различных сферах человеческой деятельности. Решение практических задач - это то основное, что получает общество из сокровищницы естественнонаучных знаний. Можно перечислять очень большое количество названий, соответствующих наукам 4-го уровня. Ну, например, металловедение, промышленная электроника, сопротивление материалов и т. д. Каждая из этих (и других аналогичных) наук освещает свой спектр специфических вопросов, которые требует постоянного контроля при использовании различных изданий, конструкций, механизмов и машин, сооружений, построек, средств транспорта и т. д. Науки 4-го уровня, так же как науки всех вышележащих уровней, находятся в состоянии совершенствования и постоянного развития. Иначе не происходило бы возникновение новой бытовой техники, расширение области производства продуктов питания и новых технологий, которые направлены на подъем нашего уровня жизни.

  1. Формы и методы научного познания

Конечно, различные естественные науки в зависимости от предмета изучения используют различные конкретные формы и методы. Но общие черты всего процесса узнавания нового, безусловно, есть. Если рассматривать этот процесс независимо от определенной задачи, то можно представить себе следующую поэтапную схему процесса естественнонаучного познания:

К формам научного знания обычно относят проблемы, гипотезы, теории, а также идеи, принципы, категории и законы – важнейшие элементы теоретических систем.

- проблема – определяется как «знание о незнании», как осознанный ученными вопрос, для ответа на который имеющихся знаний не достаточно. Уметь правильно выбрать и поставить научную проблему очень важно.

При осмыслении фактов и попытках решения проблем рождается догадка, которая после логической обработки, формулирования и оценки либо отвергается как не имеющая необходимых и достаточных оснований, либо приобретает форму научной гипотезы

Научная гипотеза – такое предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказана, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда правил – требований.

Теория – главное отличие от гипотезы – это достоверность, доказанность. Это система истинного, уже доказанного, подтвержденного знания о сущности явлений, высшая форма научного знания.

Главнее элементы теории – ее принципы и законы.

Гипотеза - «наверное»

Теория «скорее всего»

Закон «всегда именно так»

Методы научного познания включают общечеловеческие приемы мышления (анализ, синтез, сравнение, обобщение, индукцию, дедукцию и т.п.), способы эмпирического и теоретического исследования (наблюдение, эксперимент, измерение, моделирование, идеализацию, формализацию и т.п.).

Наблюдение – целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений.

Наблюдение - это несколько пунктов исследовательской деятельности:

  • выбор объекта (явления, процесса и т. д.) во внешнем мире, который следует (есть необходимость, есть интерес) изучать, т. е. выбор направления, куда мы (т. е. какая-либо наука) смотрим;

  • внимательное обследование выбранного объекта в естественных условиях его существования с целью получения о нем наибольшей возможной информации;

  • отнесение данного объекта (явления) к определенной, уже известно и категории объектов с похожими свойствами и характеристиками, т. е. расположение объекта на некоторой известной нам «полочке».

Опыт - это испытание объекта (процесса) каким-нибудь имеющимся в наличии способом, чтобы проверить, как он будет вести себя при изменяемых внешних условиях. Например, предположим, проводится исследование некоторой горной породы для изучения возможности облицовки этой породой фасада жилого дома. Наблюдение за образцами породы в природных условиях показало, что она выдерживает длительное пребывание при различных температурах и влажности и воздействии других атмосферных факторов, внешний вид породы также соответствует предъявляемым требованиям. Однако материал породы дополнительно должен обладать определенными прочностными свойствами, иметь заданный химический состав и проч. Чтобы проверить, насколько это соответствует действительности, необходимо провести определение таких свойств, как твердость, хрупкость, обрабатываемость образцов породы. Необходимо направить пробы на химический анализ и другие испытания, которые обычно проводят для строительных материалов. Все эти процедуры и есть опыт или опыты, которые призваны расширить наши знания об объектах наблюдения, обнаружить свойства, которые нам важны и нужны для решения поставленной исследовательской задачи.

Эксперимент – способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером, преобладающим воздействием на объект изучения.

Измерение – это материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины. Значение же величины, принятое за единицу (1 см, 1м, 1г, 1 кг и т.п.), называется размером единицы.

Аналогия – прием познания, при котором на основании сходства объектов в одних признаках заключают об их сходствах и в других свойствах.

Моделирование – «это есть замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях».

Идеализация – процесс абстрагирования, мысленного создания понятий об идеализированных объектах, которые в реальном виде не существуют, но имеют прообраз.

Интуиция – способность постижения истины путем прямого её усмотрения; вид непосредственного знания, которое возникает как бы внезапно, вспышкой, неожиданно озаряя человека, до этого долго бившегося над ответом на мучивший его вопрос.

Когда накоплено достаточно данных относительно объекта (процесса) исследования, нужно систематизировать эти данные, сопоставить их с имеющейся предварительной информацией (найти похожие черты), сравнить с другими аналогичными объектами, найти сходства и отличия, определить, каким известным законам подчиняется поведение объекта. В целом это то, что мы назвали обобщением, или анализом. Абстрактный (отвлеченный) анализ призван дать наиболее цельную картину изучаемого явление (объекта), пригодную для обсуждения среди коллег и специалистов. Явление должно стать предсказуемым, описываемым математическими зависимостями.


Контрольные вопросы

  1. Какие существуют методы познания?

  2. Назовите фундаментальные науки

  3. Назовите науки второго уровня

  4. Опишите поэтапную схему процесса естественнонаучного познания

Тема: СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

План

1. Гипотезы и строение солнечной системы

2. Планеты солнечной системы

3. Луна, Солнце


К настоящему времени известны различные гипотезы о происхождении Солнечной системы. Немецкий философ И. Кант (1724-1804)

Французский математик и физик П. Лаплас (1749-1827)

Российский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956)

Солнечной системой называется планетная система, состоящая из Солнца и вращающихся вокруг него небесных тел

Кроме Солнца в состав Солнечной системы входят планеты со своими спутниками, астероиды, кометы и продукты их распада - метеориты, метеорные тела, межпланетная твердая космическая пыль и разреженные космические газы. Пространство Солнечной системы пронизано потоками частиц и световым излучением Солнца. Также всюду имеются гравитационные поля (поля тяготения) и магнитные поля, особенно вблизи крупных массивных тел.

Солнце является динамическим и геометрическим центром всей Солнечной системы. Его масса примерно в тысячу раз превышает общую массу всех остальных вращающихся вокруг него космических тел. Основу Солнечной системы кроме самого

Солнца составляют девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Мы их перечислили, в последовательности возрастания их расстояния от Солнца. Следует отметить, что несколько лет тому назад большинство астрономов пришло к выводу, что Плутон нельзя считать планетой, он имеет массу и размеры, которые ближе к массам и размеров спутников планет Солнечной системы.

Орбита планеты имеет почти круглую форму (очень слабо вытянутые эллипсы) и лежат все (за исключением обриты Плутона) приблизительно в одной плоскости, которая называется плоскость эклиптики. Кроме движения вокруг Солнца, все планеты вращаются вокруг своей оси. Это вращение для всех планет, кроме Венеры, совершается в прямом направлении, т.е. как у Земли – с запада на восток. Венера вращается в противоположную сторону - с востока на запад. Солнце так же вращается вокруг своей оси, ось вращения Солнца почти перпендикулярна к плоскости эклиптики, что, возможно, связано с происхождением Солнечной системы. Оси вращения большинства планет направлены под некоторым небольшим углом к направлению перпендикуляра к плоскости эклиптики. Только Уран обладает уникальной для Солнечной системы особенностью, ось его вращения лежит почти в плоскости его орбиты.

Размеры и физические свойства планет позволяют разделить их на две группы - планеты земного типа и планеты-гиганты. В первую группу, кроме Земли, входят Меркурий, Венера и Марс. Вторую группу образуют Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон не может быть отнесен ни к первой, ни ко второй группе.

Самое большое число спутников, которые обнаружены до настоящего времени, имеет Сатурн - 17 спутников. У Юпитера 16 спутников. Сами эти планеты-гиганты вместе с системами своих спутников напоминают миниатюрную Солнечную систему. Уран имеет 15 спутников, по два спутника у Марса и Нептуна. По одному спутнику имеют Земля (как вы понимаете, спутником Земли является Луна) и Плутон. Венера и Меркурий, по астрономическим данным на сегодняшний день, совсем не имеют спутников.

Орбиты практически всех планетных спутников, так же как орбиты планет вокруг Солнца, мало отличаются от окружностей. Если у планеты имеется несколько спутников, то плоскости их орбит в основном совпадают. Большинство спутников обращается вокруг своей планеты в плоскости ее экватора и в прямом направлении (по часовой стрелке), т. е. с запада на восток. По массе и размерам спутники планет также разбивают на две основные группы: крупные планетоподобные спутники с поперечником (диаметром) больше 3000 км (напоминаем, поперечник или, что то же самое, диаметр Земли составляет 12 750 км). В эту группу, кроме Луны, входят четыре самых крупных спутника Юпитера - Ио, Европа, Каллисто, Ганимед, спутник Сатурна Титан и спутник Нептуна Тритон. Вторая группа - это все остальные спутники: от достаточно большого спутника Сатурна Рея (поперечник 1850 км) до самых маленьких спутников планет в Солнечной системе, спутников Марса - Фобос и Деймос, которые представляют собой каменные глыбы несферической формы с размерами 22 х 12 км для Фобоса и 12 х 8 км для Деймоса.

2 Планеты Солнечной системы

Планеты земного типа

Параметры

Планеты

Меркурий

Венера

Земля

Марс

Среднее расстояние от Солнца, а.е.

0,4

0,7

1,0

1,5

Радиус, км.

2439

6052

6378

3378

Относительная масса

0,06

0,82

1

0,107

Период вращения

59 суток

243 суток

24 часа

24,6 часа

Период обращения вокруг Солнца, годы

0,24

0,62

1,00

1,88


Меркурий

Это ближайшая к Солнцу планета, среднее расстояние от Солнца не превышает 60 млн. км, период обращения вокруг с Солнца (год по - «меркуриански») составляет 88 земных суток. Меркурий чуть больше Луны, его радиус составляет примерно 2440 км. Близость к Солнцу и не очень большие размеры диска Меркурия затрудняют его изучение. Однако современные методы наблюдения позволили определить многие планетные характеристики. Так, средняя плотность вещества планеты близка к средней плотности Земли, что позволяет предположить, что внутреннее строение Меркурия может быть похожим на строение Земли. Долгое время считалось, что Меркурий обращен к Солнцу всегда одной стороной. Это возможно, если период обращения вокруг своей оси совпадает с периодом обращения вокруг Солнца (88 суток). Однако радиолокационные наблюдения поверхности Меркурия позволили установить, что это не так, его вращение осуществляется в прямом направлении, а период его составляет 58 земных суток.

Орбита Меркурия заметно вытянута, самое близкое его расстояние от Солнца - перигелий - составляет 53,7 млн. км, самое далекое - афелий - 61,4 млн. км. Поэтому температура на поверхности Меркурия меняется в значительных пределах - от 4300С на дневной стороне при прохождении перигелия до -1700С на ночной стороне при прохождении планетой афелия.

Исследования Меркурия с космических аппаратов показали, что рельеф его поверхности сходен с лунным (о котором мы поговорим чуть позже). На Меркурии есть лишь одна темная низменность, получившая название Море Зноя. Выделяются также крупные обрывы глубиной 2-3 км и протяженностью в сотни километров. Высота гор на Меркурии не превышает 4 км. Ученые высказывают предположения, что рельеф поверхности Меркурия возник под воздействием метеоритной бомбардировки, т. е. при ударах, падающих на поверхность метеоритов, и в результате действия вулканических сил.

Венера

Ближайшая к Земле планета (не считая Луны). Иногда расстояние Венера - Земля сокращается до 40 млн. км. Радиус Венеры составляет 6050 км, масса всего на 18 % меньше массы Земли. Венера хорошо видна сразу после заката, на вечернем небе она является самым ярким после Луны и самым красивым космическим объектом. Поэтому ей дали в древности имя богине красоты.

Астрономические исследования показали, что атмосфера Венеры обладает сплошным облачным покровом, сквозь него невозможного увидеть поверхность планеты

Один полный оборот вокруг Солнца (венерианский год) совершается в течение 225 суток. Период вращения Венеры вокруг, своей оси долгое время определить не удавалось. Эту задачу решили с помощью радиолокационных методов. При этом оказалось, как уже упоминалось, что вращение Венеры происходит с востока на запад, а период вращения составляет 243 суток. Таким образом, за один оборот вокруг Солнца (за один год) на Венере наблюдается два восхода и два заката Солнца.

Исследования показали присутствие в атмосфере Венеры большого количества углекислого газа, а также наличие небольших долей угарного, паров плавиковой и соляной кислот. На Земле эти газы попадают в атмосферу в результате извержений вулканов. Поэтому можно предположить, что на Венере до сих пор также возможна активная вулканическая деятельность.

Однако оказалось, что углекислого газа в атмосфере Венеры 97 %, нижняя граница облачного слоя, толщина которого оценивается примерно в 10-12 км, находится на высоте около 60 км от твердой поверхности Венеры. Верхняя часть облаков состоит из капелек серной кислоты с примесью хлорных соединений. Общее, количество воды во много раз меньше, чем количество воды в гидросфере Земли. Обилие углекислого газа и густой облачный покров привели к появлению на Венере мощного парникового эффекта, Автоматические станции, побывавшие на планете свидетельствуют, что температура на поверхности достигает 5000С (выше, чем на дневной стороне Меркурия), а атмосферное давление примерно в 100 раз больше нормального атмосферного давления на Земле. Освещенность на поверхности Венеры примерно такая же, как на Земле днем в особенно пасмурную погоду.

Марс

Наиболее изученная планета Солнечной системы. Он находится несколько дальше от Земли, чем Венера. При максимальном сближении с Землей во времена великих противостояний, когда Солнце, Земля и Марс находятся на одной линии и в данной последовательности, расстояние до Марса составляет всего 56 млн. км.

Радиус Марса почти вдвое меньше земного - 3400 км, масса в 9 раз меньше земной.

Марсианский год длится 687 земных суток, а период обращения вокруг своей оси (марсианские сутки) почти как у Земли 24 часа 37 минут. И смена времен года на Марсе происходит почти так же, как на Земле.

В атмосфере Марса наблюдаются облака - желтые, состоящие из пыли, и белые, похожие на земные, содержащие мелкие ледяные кристаллики. Часто на Марсе происходят пылевые бури, когда желтые облака почти полностью заслоняют диск Марса. Атмосфера Марса также состоит на 95 % из углекислого газа, но в ней присутствует заметное количество паров воды и даже некоторое количество свободного кислорода. Сама атмосфера является сильно разреженной, ее давление на поверхности Марса такое же, как давление на Земле на высоте 35 км. Разреженная атмосфера Марса не может в той же степени, как на Земле, смягчить контрасты дневной и ночной температур на поверхности. Летом температура в полдень может подниматься до +250С (совсем как на Земле), но ночная близка к -1000С.

Марс является гористой планетой на Марсе обнаружен один из самых больших вулканов в Солнечной системе, который назван Олимпом. В высоту он достигает 27 км, поперечник его основания составляет больше 500 км. Основной рельеф Марса представляет собой многочисленные кратеры. Поперечники кратеров имеют размеры от 100 м 200 км. Предполагается, что часть горных кряжей и возвышенностей представляют собой полуразрушенные остатки древних кратеров. Есть на Марсе равнинные районы, например овальной формы пустыня. В южном полушарии Марса, имеющая диаметр около 1700 км.

Большое внимание уделяют ученые полярным шапкам Марса, которые представляют собой наблюдаемые в телескопы белые пятна, покрывающие полярные области планеты. Так же как и на Земле, полярные шапки Марса подвержены сезонным изменением - они достигают самых больших размеров в середине зимы. Летом северная полярная шапка исчезает полностью, а от южной остается очень малая ее часть. Полярные шапки Марса не только по внешнему виду напоминают земные полярные шапки. Вещество, из которого они состоят, - это, как и на Земле, снег и лед.

Марсианские «каналы» - сеть почти прямых линий на поверхности Марса, чем-то похожая на меридианы и параллели на картах земной поверхности

Остается один вопрос - может ли на Марсе существовать жизнь земного типа?

Земля

Ведущую роль в рождении и дальнейшей эволюции Земли играет Солнце. Его поле тяготения, свет и другие виды излучения определяют всю историю Земли.

Земля родилась из небольшого сгустка частиц протопланетного (газопылевого) облака. Произошло это, по современным данным, примерно 4,5 млрд. лет тому назад. Молодая Земля выросла примерно до современной массы, а это произошло примерно через 100-200 млн. лет после ее образования, она нагрелась. Главным источником разогрева первично холодной Земли считается тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде нестабильных изотопов. Дополнительный нагрев Земли усиливался под действием ударов при столкновении с Землей других сгустков и более мелких тел, которых при образовании планет на орбитах вокруг Солнц; было много. Предварительные расчеты показали, что в результате этих процессов температура на глубине 300-500 км под поверхностью выросла до 15000С. Разогрев Земли приводил к тому, что боле тяжелые вещества плавились и опускались вниз, а более легки, поднимались наверх. Расплавлялись тяжелые металлы, железо, никель и погружались к центру планеты. Вверх поднимались вещества, содержащие кремний, алюминий, кислород, углерод. Этот процесс привел к гравитационному расслоению Земли (расслоению в поле тяжести) и образованию плотного ядра и менее плотных окружающих ядро оболочек.

В настоящее время выделяются следующие оболочки Земли. В центре земного шара находится внутреннее металлическое ядро, в состав которого входят потонувшие в поле тяжести Земли железо и никель. Его радиус при мерно 1250 км, т. е. граница внутреннего ядра, находится на глубине 5150 км под внешней поверхностью (у нас под ногами). Расчеты показывают, что температура в центре Земли достигает 50000С

Внутренние ядро окружено внешним ядром, верхняя граница которого находится на глубине 2900 км. Внешнее ядро реагирует на сейсмические волны как жидкая среда, видимо, вещество здесь находится жидком или жидкопластичном состоянии. Ядро окутано слоем, который называется мантией. Мантия имеет, сложное строение глубины 700 км находится нижняя мантия, вещество нижней мантии однородно по составу, об этом свидетельствуют скорости прохождения через нее сейсмических волн. Верхняя мантия расположена выше, до глубин 100-200 км. Она неоднородна по составу, в ней по мере приближения к поверхности Земли происходит падение температуры до 10000С, вещество этого 10 т являться смесью твердых и частично расплавленных

Последняя твердая оболочка нашей планеты - земная кора. Иногда ее объединяют с твердой частью верхней мантии и называют литосферой. По составу она тоже неоднородна, как по вертикали (сверху вниз), так и по горизонтали. Ее верхней границей является поверхность Земли со всеми формами своего рельефа. Нижняя граница, расположенная на разной глубине и как бы отражающая рельеф земной поверхности, названа поверхностью Мохоровичича. Под горными областями ее глубина может доходить до 80 км, под равнинами она находится на глубине 30-50 км, под океанами ее глубина составляет всего 10-12 км. Земная кора и есть та скорлупа, которая отделяет все, что на ней находится - живой мир, людей и всю человеческую цивилизацию, от частично расплавленного, раскаленного подвижного внутреннего мира Земли. Толщина этой скорлупки в среднем меньше 1/100 радиуса земного шара, в некоторых же местах еще меньше, почти 1/1000.

Современные исследования показали, что земная кора разбита сложной сетью глубоких трещин, которые уходят на большую глубину. Обычно такие трещины - их называют рифтами - соответствуют границам материковых массивов и океанических впадин (например, кольцевая зона разломов вдоль побережья Тихого океана) или горным поясам - Гималайскому, Уральскому и т. д. Горные пояса при этом представляют собой нечто вроде швов закрывающих старые разломы. Свежие разломы - это рифты вдоль осей срединно-океанических хребтов. На суше аналогом таких рифтов являются Восточно-Африканские разломы.

Рифты разделяют всю земную кору на отдельные блоки - литосферные плиты, или платформы. Считается установленным, что литосферные плиты могут скользить по подстилающим пластичным полурасплавленным породам верхней мантии. Этот ослабленный подстилающий слой называют астеносферой («астенос» в переводе с греческого означает слабый, ослабленный), он делает возможным горизонтальный дрейф блоков литосферы. Современная теория дрейфа литосферных плит - теории мобuлизма - предполагает, что плиты с одного края наращиваются вдоль рифта. Это наращивание происходит за счет выдавливания вещества верхней мантии через рифты срединно-океанических хребтов. Каждая новая порция поступающего снизу вещества давит на породы, возникшие раньше, и отодвигает их в стороны от рифта. Это давление передается далее, и дно океана постепенно расширяется, раздвигая материки. С другого края плиты погружаются в верхнюю мантию под края соседних плит.

Гидросфера - жидкая водяная оболочка, а атмосфера - газовая оболочка Земли. Считается, что гидросфера и атмосфера образовались вместе с земной корой в результате высвобождения веществ верхней мантии. Основная часть воды гидросферы, примерно 97 %, занимает океанические впадины и окраины материков, образуя океаны и моря. Большая часть оставшейся воды (около 2 %) образует полярные шапки и горные ледники. Пресные воды континентов - реки, озера, грунтовые и подземные воды - содержат всего 1%.

Атмосфера - самая легкая из всех оболочек Земли. Ее масса составляет всего одну стотысячную долю процента (0,00001 %) массы земного шара. Под действием силы тяжести верхние слои воздуха давят на нижележащие. Наибольшее значение атмосферное давление имеет у поверхности Земли - 105 Па. Такое же давление оказывает водяной столб высотой 10м. Давление атмосферы уменьшается с высотой, с высотой же уменьшается и ее плотность. Около 50 % всей массы атмосферы сосредоточено ее нижнем пятикилометровом слое, там, где мы сами обитаем. Первоначально атмосфера состояла из углекислого газа и азота некоторым количеством водорода и паров воды. К нашему времени ее состав сильно изменился. Причина этого изменения кроется в появлении жизни на поверхности Земли и ее влияние на атмосферу.

Газовую оболочку Земли, так же как и твердую, разделяют на несколько слоев, отличающихся по своим свойствам. Слои эти расположены на разной высоте от поверхности Земли, между ними нет четких границ, они постепенно переходят друг в друга но примерные высоты и средние свойства слоев обычно приводят.

Самый нижний слой вблизи земной поверхности, от 12 до 17 км в зависимости от географической широты и атмосферных условий. Это тропосфера. Тропосфера вместе гидросферой - это зоны жизни Земли. За пределами этих геосфер живая природа сама по себе существовать не может. Выше тропосферы расположена стратосфера, знаменитая тем, 'по внутри нее на высотах от 20 до 35 км имеется озоновый слой природный экран, предохраняющий все живое на Земле от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Верхняя граница стратосферы находится на высотах 50-60 км. Еще выше лежит срединный слой атмосферы - мезосфера «мезос» - значит средний в переводе с латинского языка. Здесь возникают самые высокие на Земле тонкие облака..

Между высотами 80 и 800 км расположена термосфера. Она характеризуется тем, что излучение Солнца нагревает находящийся на этих высотах очень разреженный газ. Чем дальше от Земли, тем выше температура в термосфере, на высотах 500 – 600 км она превышает 15000С. В термосфере газы находятся по большей части в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца нейтральные атомы теряют часть своих электронов. Такие атомы приобретают электрический заряд и называются ионами. Газы, содержащие ионы, т. е. частично заряженные газы, называются ионизированными. Поэтому атмосферу, содержащую ионизированные газы, называют также ионосферой. Ионосфера влияет на распространение радиоволн. Ионизированные газы отражают радиоволны среднего и короткого диапазонов длин. Эти радиоволны вновь возвращаются на земную поверхность, но уже на значительном удалении от места радиопередачи. Таким образом, ионосфера позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь без помощи ретрансляторов.

Экзосфера - самая верхняя, очень сильно разреженная часть атмосферы. Газ, существующий в экзосфере, для нас - это почти полная пустота. Однако если сравнивать его с пустотой межпланетного пространства, которое существует на расстояниях нескольких миллионов километров от поверхности Земли, то его плотность в сотни раз больше. Определенное значение расположение верхней границы экзосферы указать трудно. Но считается, что на высотах 1500-2000 км отличить космическое пространство от шлейфа земной атмосферы становится почти невозможно




Планета

Состав атмосферы, %

Физические параметры у поверхности

СО2

N2

O2

Ar

H2O

Давление, атм

Температура, К

Наличие свободной воды

max

min

Земля

0,03

78

21

0,93

0,1-1,0

1

310

240

гидросфера

Венера

95

3-5

2*10-4

0,01

0,01-0,1

95

740

нет

Марс

95

2-3

0,1-0,4

1-2

10-3- 10-1

6*10-3

270

200

Ледники, вечная мерзлота


Планеты гиганты

Юпитер

Это самая большая планета Солнечной системы. Радиус Юпитера в 11 раз больше радиуса Земли, а масса больше земной в 320 раз. Сутки на Юпитере продолжаются всего 10 часов, так быстро вращается эта планета вокруг своей оси. Ось вращения почти перпендикулярна к плоскости эклиптики. Поэтому на Юпитере при вращении вокруг Солнца не происходит смены времен года. Сам юпитерианский год длится около 12 земных лет.

Так как сила притяжения вблизи Юпитера намного больше, чем на Земле, то и его газовая оболочка - атмосфера - является во много раз более мощной, чем земная. В атмосфере Юпитера постоянно наблюдаются облачные образования в виде сероватых полос, расположенных параллельно экватору планеты. Лучше всего проявляются ближайшие к экватору тропические полосы, полосы в умеренных широтах выражены слабее, а зоны вблизи полюсов имеют равномерную серую окраску. Внутри полос наблюдаются различного вида неоднородности, которые часто соединяются друг с другом перемычками. На краях полос имеются мелкие детали, углубления и выступы. Вид и структура полос постоянно меняются. Однако в тропической зоне южного полушария Юпитера наблюдается постоянно присутствующее образование, обнаруженное астрономами еще в XVII в. Оно носит название Большого Красного Пятна и имеет эллиптическую форму. Оно настолько велико, что его наибольший поперечник в четыре раза больше поперечника Земли.

Юпитер не только самая большая планета в Солнечной системе, но и первая из дальних планет, имеющих большие отличия от планет земного типа. Многочисленные исследования показали, что атмосфера, состоящая в основном из водорода и гелия с небольшой примесью метана аммиака, скрывает под собой целый океан жидкого водорода глубиной несколько тысяч километров. Водород переходит в жидкость под давлением всего столба атмосферных газов, которые во много раз превышает обычное атмосферное давление на поверхности нашей планеты. Ниже расположена еще более странная для нас оболочка из металлического водорода. Оказывается при сверхвысоком давлении даже самый легкий из газов водород - может стать твердым и даже перейти в металлическое состояние. Под слоем твердого водорода находятся центральные области планеты, где, как предполагают ученые, расположено твердое железосиликатное ядро радиус которого не более 1/8 полного радиуса Юпитера. Внутренние области Юпитера сильно разогреты, температура там может достигать нескольких тысяч градусов. Тепловое излучение неизбежно выходит наружу, это сказывается на повышении температуры внешней части атмосферы, что удается зарегистрировать при астрономических наблюдениях Юпитера.

Сатурн

Сатурн, благодаря своим знаменитым кольцам, самая эффектная планета Солнечной системы. От Солнца он расположен в 2 раза дальше, чем Юпитер, его радиус в 9,5 раза больше земного. Вращение вокруг своей оси, как и у Юпитера, очень быстрое, сатурнианские сутки длятся чуть больше 10 часов. Атмосфера Сатурна содержит в основном водород, гелий и метан. Считается, что и сам Сатурн состоит тоже из водорода и гелия (поэтому его плотность невелика: и водород, и гелий - самые легкие из всех существующих веществ). Наблюдательные данные свидетельствуют, что толщина газовой атмосферы Сатурна близка к 1000 км. Жидкая смесь водорода с гелием расположена ниже и образует всепланетный океан. На глубине около половины радиуса планеты при очень высоких давлении и температуре, так же как и на Юпитере, идет слой металлического водорода. Железосиликатное ядро, расположенное еще глубже, подогревает всю планету и ее атмосферу.

Яркие кольца Сатурна были открыты еще в ХУП в. Последние исследования с Земли и с космических аппаратов показали, что кажущиеся сплошными кольца Сатурна в действительности распадаются на множество узких и тонких колечек. Выяснилось, что кольца - не уникальная особенность Сатурна, и другие планеты-гиганты также обладают кольцами, только намного менее яркими, чем кольца Сатурна. Поэтому с Земли они не видны. Но с автоматических станций «Вояджер» обнаружены два кольца вокруг Юпитера. Оправдались также предсказания о существовании колец вокруг Урана и Нептуна. Кольца Сатурна (и всех других планет-гигантов) состоят из покрытых льдом камней, размер которых редко больше 10 м в поперечнике. Толщина колец Сатурна удивительно мала по космическим меркам, всего 2 км, поэтому на снимках, сделанных с Земли, они кажутся совсем плоскими.

Уран и Нептун

Обе эти планеты находятся очень далеко от Солнца, на окраине Солнечной системы. Они по своим свойствам и размерам мало отличаются друг от друга: радиус Урана в 4 раза больше земного, Нептун чуть поменьше Урана. Массы этих планет очень

близки. Обе они сравнительно быстро вращаются вокруг своих осей. Так сутки на Уране близки к 10 часам, на Нептуне они немного длиннее. Но периоды обращения вокруг Солнца для них сильно отличаются. Год на Уране составляет 84 земных года, а нептунианский год - 165 земных лет. Это означает, что с момента открытия Нептуна (это произошло в 1846 г.) до сих пор не прошел и один год на Нептуне.

Атмосферы этих планет-близнецов похожи между собой и похожи на атмосферу Сатурна. В них обнаружен водород, гелий, метан и следы аммиака. Наблюдение с Земли объектов в атмосферах и на поверхностях этих далеких планет - достаточно сложная задача. На Уране с трудом просматриваются слабые сероватые полосы, параллельные экватору, и темно-серые пятна на полюсах. На Нептуне полосы гораздо слабее, для их наблюдения необходимо использовать очень крупные телескопы.

Сведения об этих далеких планетах не полны, и поэтому предложения об их внутреннем строении носят предварительный характер. Считается, что их недра напоминают внутреннее, строение Юпитера и Сатурна, с тем отличием, что внутри Урана и Нептуна, по всей видимости, отсутствуют слои металлического водорода. Но ядра этих планет также очень горячие, они является источниками нагрева поверхностей и атмосфер.

Плутон

Эта планета (будем ее называть планетой) трудно наблюдаема с Земли даже в мощные телескопы, поэтому наши сведения о ней не очень многочисленны. Обращается Плутон вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите, иногда он приближается к Солнцу ближе, чем Нептун. Период обращения почти 250 земных лет. Размеры Плутона постоянно уточняются, однако известно, что это наименьшая из больших планет Солнечной системы. Один оборот вокруг своей оси Плутон совершает за несколько земных суток. У Плутона есть единственный спутник, названный Хароном, который по размеру только в 3 раза меньше самого Плутона. Расстояние между Плутоном и его спутником очень невелико, всего около 20000 км, поэтому Плутон Харон иногда называют двойной планетой.

Астероиды

В состав Солнечной системы, кроме больших планет, входят тысячи малых планет, которые называются астероидами. Этот термин в переводе означает «звездоподобные». Такое название появилось, поскольку малые планеты даже в крупные телескопы выглядят слабыми звездочками без заметного диска, и лишь собственное движение на фоне дальних звезд свидетельствует, что это тела Солнечной системы. Более 3500 из них зарегистрировано. Наибольший из астероидов - Церера, обнаруженный в 1800 г., имеет поперечник более 1000 км. Остальные астероиды меньше по размеру, только 14 из них в поперечнике превосходят 250 км. Большинство астероидов имеют неправильную форму, они напоминают большие каменные осколки. Это роднит их с метеоритами. Можно считать, что метеориты - это те из астероидов, которые сталкиваются с Землей и падают на ее поверхность.

Большинство астероидов (примерно 97 %), подобно планетам, имеют почти круговые орбиты, которые заключены между орбитами Марса и Юпитера. Остальные выходят за эти пределы и двигаются по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Некоторые из малых планет уходят далеко за орбиту Сатурна, другие подходят к Солнцу в 2 раза ближе, чем Меркурий. Астероиды вытянутыми эллиптическими орбитами пересекают почти круговые орбиты больших планет и могут иногда менять свои траектории под действием их притяжения.

Кометы

В отличие от неподвижных звезд и постоянно движущихся и всегда присутствующих на небе планет, кометы - редкие и яркие гостьи, появляющиеся на короткое время и затем надолго исчезающие в космических просторах. Если на небе появилась комета, то она выглядит как туманное светящееся пятнышко. Это пятнышко называют головой кометы. Кометы могут быть очень яркими, тогда их легко наблюдать невооруженным глазом, иногда даже в дневное время. Такие кометы всегда имеют длинные светящиеся хвосты. Именно поэтому они и получили название «кометы», что в переводе с греческого означает «хвостатые звезды. Слабые кометы, едва различимые глазом, анализируют по фотографиям, полученным с помощью больших телескопов. Слабые кометы также имеют едва заметные короткие хвосты. Однако все кометы, когда они покидают близкие к Солнцу области, либо выглядят как едва заметные туманные пятнышки, либо вообще становятся неразличимыми.

Многочисленными наблюдениями установлено, что хвост кометы всегда направлен в сторону, противоположную Солнцу. Поэтому, когда комета приближается к Солнцу, то она движется головой вперед, оставляя хвост за собой. Когда же, обогнув Солнце, комета от него удаляется, хвост движется впереди головы.

Самая яркая часть кометы - голова - содержит внутри себя твердое ядро. Размеры ядра по космическим масштабам очень малы - от нескольких километров до нескольких десятков километров. Ядро окружено огромной газопылевой оболочкой, которая может достигать сотни тысяч километров в поперечнике. Хвост еще больше, его длина составляет миллионы километров.

Предполагается, что на больших расстояниях от Солнца кометы представляют собой только голые ядра, глыбы твердого вещества, состоящего из обыкновенного водяного льда и замороженных газов - метана, аммиака и т. д. В лед вморожены металлические и каменные песчинки и пылинки. По мере приближения к Солнцу этот лед начинает испаряться, создавая вокруг ядра оболочку из газа и пыли. Давление солнечного света отталкивает этот разреженный газ в сторону, противоположную Солнцу, образуя кометный хвост.

Луна

Из всех небесных тел Луна не только самое близкое к Земле, но и самое изученное из них. Радиус Луны составляет 1740 км, это почти в 4 раза меньше, нашего радиуса. Масса Луны в 81 раз меньше земной. Следствием этих отличий является уменьшение силы тяжести; на поверхности Луны она в 6 раз меньше той, которую мы испытываем Земле. Если ваш вес составляет 80 кг, то на поверхности Луны вы будете весить всего немногим больше 13 кг. Такая незначительная с точки зрения землян сила тяжести, вероятно, стала причиной отсутствия на Луне атмосферы. Даже невооруженным глазом можно увидеть на диске Луны светлые и темные области, которые условно называют лунными материками и морями. Кстати, постоянство внешнего облика поверхности Луны говорит о том, что наш спутник, всегда, повернут к Земле одной и той же стороной, одним своим полушарием. Это означает, что период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли. Оба этих периода составляют 27 земных суток и 8 часов - этот срок называется лунным месяцем. Температура лунной поверхности – 100 - 400К.

Луна имеет сложный рельеф. Лунные материки не имеют собственных названий, однако каждое лунное море получило свое имя еще во времена Галилея (например, Море Кризисов, Море Дождей, Море Спокойствия, Море облаков и т. д.). Части морей, вдающиеся в материки, называются заливами. Темные пятна небольших размеров называются озерами, а области, имеющие яркость, промежуточную между материками и морями, - болотами (Болото Снов около Моря Спокойствия).

Горные хребты на Луне по большей части носят привычные земные названия. Космические лунные зонды показали, что светлые лучи часто представляют собой скопление мелких кратеров, образовавшихся, по всей видимости, при выбросе вещества из центрального большого кратера.

Луна подвергалась непрерывному метеоритному обстрелу. При отсутствии торможения метеоритов в газовой среде, как это происходит в земных условиях, небесные камни со скоростями не менее 5 км/с ударялись о лунную поверхность. Происходили взрывы, при которых выделялось большое количество энергии. Тем большее, чем больше скорость и масса метеорита.

Количество падающих на Луну метеоритов зависит от их размеров, чем они меньше, тем они многочисленнее. Микрометеориты, имеющие массу меньше 1г, сталкиваются с Луной практически непрерывно. В результате таких столкновений на Луне сформировался тонкий пемзообразный поверхностный слой. Наряду с влиянием метеоритов лунная поверхность подвергается постоянному воздействию солнечного ультрафиолетового излучения, которое не ослабляется поглощением в газовой атмосферной среде и также участвует в формировании самого поверхностного слоя Луны.

Вместе с тем, кроме внешних факторов воздействия на лунную поверхность, следует учитывать и влияние внутренних сил. Похожие на гладкие поверхности лунные моря напоминают обширные лавовые потоки.

Многое в природе и строении Луны остается пока невыясненным. Но это и понятно, ее непосредственное изучение началось совсем недавно.

Солнце

Что наука знает о Солнце? Это огромный самосветящейся газовый шар, состоящий из смеси водорода с гелием с небольшой примесью других более тяжелых элементов. Масса Солнца 11 333 000 раз превышает массу Земли: Его размер более чем в 100 раз больше размера Земли, радиус Солнца составляет около 700000 км, что почти в 2 раза превышает расстояние от Земли до Луны.

Та светящаяся солнечная поверхность, которую мы видим, это самый глубокий и самый тонкий внутренний слой атмосферы Солнца, названный фотосферой. Фотоснимки Солнца показывают резкую границу очертаний диска Солнца, более напоминающую твердую поверхность, чем поверхность газового шара. Это объясняется тем, что переход от, внешних прозрачных атмосферных слоев Солнца к его непрозрачной внутренней части происходит в сравнительно тонком слое, имеющем толщину около 100 км. Такая «толщина» С Земли почти незаметна, это и есть фотосфера. Температура фотосферы, близка к 60000С. Многолетними наблюдениями установлено, что активность Солнца меняется циклически, средний цикл повторения одинаковых уровней активности составляет примерно 11 лет.

Над фотосферой расположены верхние слои солнечной атмосферы, самый близкий к ней называется хромосферой («цветная сфера» - от греч.). Она представляет собой слой раскаленных газов толщиной 10-15 тыс. км. Температура в ней быстро увеличивается с высотой и достигает в верхней области нескольких десятков тысяч градусов. Во время солнечных затмений хромосфера видна в виде оранжево-красного ободка вокруг Солнца, закрытого лунным диском.

Еще выше находится самая внешняя часть атмосферы Солнца - солнечная корона. Наблюдать ее можно тоже только во время полных солнечных затмений. Она видна над каймой хромосферы как серебристо-жемчужное сияние в виде венца, дополненное радиальными длинными лучами. Эти лучи могут иногда простираться на 10 радиусов Солнца от его поверхности, но наиболее яркая часть короны отстоит от фотосферы не больше чем на радиус Солнца. Температура короны близка к 1 млн. градусов. Это чрезвычайно разреженный ионизированный газ, частицы которого двигаются со скоростями в сотни и тысячи километров в секунду.

Над активными областями хромосферы иногда наблюдаются солнечные вспышки - мощное проявление активности Солнца. Вспышка начинается с того, что резко возрастает яркость некоторой точке над активной областью в атмосфере Солнца, чаще всего над областью фотосферы, где наблюдается скопление солнечных пятен. Процесс нарастания яркости носит взрывной характер. Но после вспышки свечение активной области постепенно ослабляется, в течение часа или чуть больше активность атмосферы возвращается к нормальному уровню.

Есть еще одно проявление солнечной активности, которое можно наблюдать во время солнечного затмения. Когда солнечный диск находится в тени Луны, во внутренней части короны хорошо видны многочисленные выступы над хромосферой. Эти образования называются протуберанцы. Они представляют собой восходящие потоки вещества солнечной атмосферы, появляющиеся в результате мощных вспышек и других взрывных процессов в активных зонах. Форма и размеры их могут быть различными. Они поднимаются на высоту до нескольких десятков, иногда даже сотен тысяч километров над поверхностью фото - сферы при размере очага не более 10000 км. В отдельных случаях высота протуберанцев может быть сравнима с радиусом Солнца, при этом они похожи на газовые фонтаны над хромосферой. Другие протуберанцы образуют над хромосферой области, напоминающие земные облака. Скорость движения газовых потоков в протуберанцах может достигать нескольких сотен километров в секунду.

В результате различных процессов, связанных с активностью Солнца - солнечных пятен, вспышек, протуберанцев, - возникает мощное излучение двух основных типов, которое достигает Земли и оказывает влияние на природные сферы Земли и на сферы деятельности людей. Первый тип - это излучение, состоящее из видимых, ультрафиолетовых, рентгеновских лучей радиоволн. Эта часть излучения первой достигает Земли. Под воздействием увеличивается ионизация верхних слоев атмосферы, что приводит к перерывам в радиопередачах и перебоям радиосвязи в коротковолновом диапазоне. Второй тип - корпускулярные потоки, т. е. потоки заряженных частиц, которые разгоняются магнитными полями при взрывных процессах образованием ударных волн в атмосфере Солнца. Корпускулярные потоки достигают Земли на сутки позже, чем излучения первого типа. Заряженные частицы на высоких скоростях врываются в околоземное пространство, искажают силовые линии магнитного поля Земли. В результате на Земле происходят магнитные бури. Последствиями бурных солнечных явлений становятся на Земле изменения в погоде, скачки атмосферного давления, а главное ухудшение самочувствия людей с различными видами заболеваний, при которых появляется повышенная чувствительности к атмосферным условиям и изменению геомагнитных характеристик.

Возраст Солнце не меньше 5 млрд. лет. За все это время заметных изменений в мощности излучения Солнца не произошло. Но Солнце имеет огромную массу. Расчеты подтверждают, что температура в центре Солнца составляет около 10 млн. градусов. Солнце - рядовая звезда, «желтый карлик» по классификации астрономов.

Контрольные вопросы

  1. Что называется солнечной системой?

  2. На сколько групп делятся все планеты и как называются эти группы?

  3. Что еще кроме планет в ходит в состав солнечной системы?

  4. Назовите гипотезы возникновения солнечной системы

  5. Каковы характеристики естественного спутника Земли?

  6. Желтый карлик это …

ТЕМА: БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ. ВСЕЛЕННАЯ.

План

1. Большой взрыв

2. Происхождение Вселенной

3. Структура Вселенной

- галактики

- звезды


Вселенная в широком смысле – это среда нашего обитания. Поэтому важно помнить: во Вселенной господствуют необратимые физические процессы, и она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии.

Вселеннаяэто весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика – охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта.

Структура Вселенной – предмет изучения космологии, одной из важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др.

Главные составляющие Вселенной – галактикигромадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звёзд и планет галактики содержат разреженный газ и космическую пыль.

Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой, и состоит примерно из 150 миллиардов звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного её края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть её звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено Солнце.

Основное «население» галактик – звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды – раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно происходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 миллиардов раз. Если эту громадную звезду можно было бы поместить в центре нашей планетной системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет – Марса. Юпитера, даже Сатурна – оказались бы внутри такого сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов, существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые из них меньше Земли и её спутника Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Так, если из вещества одного из наиболее плотных белых карликов удалось бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой гире, то на Земле она весила бы 4 тыс. т.

Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды, состоящие главным образом из ядерных частиц-нейтронов. Их диаметр небольшой – всего около 20-30 км, а средняя плотность вещества огромна – более 100 млн. т/см3. Существование нейтронных звезд было предсказано еще в 30-х годах ХХ века. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г. По необычному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды, быстро вращаясь, излучают импульсы. Поэтому они называются пульсарами.

Звезды обладают различными поверхностными температурами – от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различается и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды – с температурой 3 – 4 тыс. градусов – красного цвета. Наше Солнце с поверхностью, «нагретой» до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды – с температурой выше 12 тыс. градусов – белые и голубоватые.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасываю свою газовую оболочку, и в течение нескольких суток выделяют громадное количество энергии – в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность. Так, на месте сверхновой звезды образовалась, например, Крабовидная туманность. Она является мощным источником излучения, что свидетельствует о происходящих внутри неё интенсивных процессах.

Звезды нашей Галактики движутся вокруг её центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью – около 250 км/с – движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за время более 200 млн. лет.

Своеобразные звездные системы в виде небольших туманных пятен наблюдаются на небе Южного полушария. Они удалены они нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Впервые их подробно описал спутник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю астрономии под названием Магеллановых облаков – Большого и Малого. Радиоастрономические исследования последних десятилетий показали, что Магеллановы облака – это спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра.

На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по своим размерам. Туманность Андромеды включает спутники – две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звезд.

По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые и неправильной формы галактики. Почти четверть всех известных галактик относится к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звезды – красные гиганты. К спиральным галактикам относится наша Галактика, Туманность Андромеды и многие другие. В созвездии Центавра наблюдается шаровая галактика, являющаяся источником радиоизлучения. Галактики неправильной формы не имеют центральных ядер; закономерность распределения звезд в них пока не установлена.

Наша Галактика, Туманность Андромеды вместе с другими соседними звездными системами образуют Местную группу галактик. Она объединяет более 20 галактик, расстояние до которых не превышает 1 Мпк. Звездные острова, галактики – типичные объекты вселенной. К настоящему времени известно множество звездных образований, которые таят в себе ещё немало загадок.

Звезды

Звезды - мелкие зернышки вещества, затерянные в необозримом космосе. Мы видим свет, который они посылают, и понимаем, что они излучают вокруг себя огромную энергию так же, как это делает Солнце, самая близкая к нам звезда. Остается вопрос, откуда они берут эту энергию?

Все звезды, которые мы можем наблюдать на небе, отличаются по блеску и окраске. Причина этому - размеры звезд, температура их поверхности, которая зависит от температуры внутри звезд и расстояния до них. Все эти параметры могут меняться. Особенно расстояние. Но для определения расстояние современной астрономии существуют различные методы. Если известно расстояние до звезды и известно, как зависит светимость звезды от расстояния, то можно сравнивать светимость различных звезд, как бы далеко от нас они ни находи­лись. Анализ светимостей и некоторых других характеристик звезд позволяет определить их массы и температуры поверхности в результате установлено, что массы большинства звезд составляют от 0,05 до 80 солнечных масс. Температура поверхности самых горячих звезд может достигать 30 0000С, самые холодные имеют температуру поверхности около 30000 С - по нашим понятиям это тоже не слишком холодно. Значит, существует большое разнообразие звезд. Почему могут быть разные звезды! Как они появляются (загораются)? Ведь нельзя же предположить, что они существуют неограниченно долго. Даже при огромной массе, которой обладают звезды, запас энергии для их горения должен быть ограничен, поэтому они рождаются и умирают.

Все тот же закон всемирного тяготения, который управляет движением планет в Солнечной системе, предсказывает, что межзвездный газ космоса не может быть распределен однородно в пространстве. Он будет образовывать сгущения в виде газовых и газово-пылевых облаков. Возможно, из таких сгущений и появляются звезды.

В средине ХХ в. на фоне звезд Млечного Пути были обнаружены небольшие круглые темные пятнышки - глобулы. Исследования глобул показали, что они представляют собой огромные холодные шары, содержащие скопления пыли и газа. Их размеры в среднем в десятки раз превышают размеры Солнечной системы. Глобулы, имеющие большие размеры, имеют большую прозрачность, чем мелкие. Это означает, что мелкие глобулы обладают большей плотностью (хуже пропускают свет). Почему это так? В качестве ответа следует предположение, что большие глобулы постепенно сжимаются и уплотняются. В чем причина их сжатия? Глобулы (газово-пылевые облака) имеют большую массу, чем окружающие области пространства. А значит, сила притяжения частиц внутри глобул больше. Под действием этой силы частицы и газ, из которых они состоят, будет двигаться к общему центру масс, т. е. сближаться. Опять закон всемирного тяготения!

Может ли глобула, сжимаясь, превратиться в звезду? Расчеты показали, что если глобула состоит в основном из газа с небольшой примесью пыли и если ее общая масса в несколько раз превышает солнечную массу, то при постепенном сжатии она может образовать одну или даже несколько звезд.

Но как быть с температурой? Глобула (или «протозвезда», как ее можно назвать) имеет температуру, близкую к темпеpaтypе межзвездного пространства, т. е. почти абсолютный нуль, (-2730С). Правда, эта температура соответствует началу сжатия, когда протозвезда еще не очень сильно отличается от межзвездного пространства. Сам процесс сжатия производится силой все мирного тяготения (гравитационной силой), она совершает работу сжатия. Чем меньше становится объем протозвезды, тем большая работа произведена гравитационной силой. Эта работа, согласно закону сохранения энергии, не может просто исчезнуть, она должна перейти в другой вид энергии - в тепловую энергию. Выделяется тепло, в результате в протозвезде растет температура Чем меньше размеры протозвезды, тем выше ее температура Можно посчитать, что при сжатии до размера нашего Солнца (или чуть большего размера, если масса глобулы была большая, или чуть меньшего размера, если масса глобулы была невелика) температура в центре вновь образовавшейся звезды повышается до нескольких миллионов градусов! Выделяющееся тепло поступает в поверхностные слои вновь образовавшейся звезды, нагревает их до нескольких тысяч градусов, и поверхность звезды начинает светиться.

Казалось бы, мы поняли, как загорается звезда и какая энергия дает ей возможность излучать тепло и свет. Причиной всего является закон всемирного тяготения: он приводит к образованию сгустков вещества в космосе, управляет процессом их сжатия и поставляет энергию для нагрева и горения образовавшейся звезды. Все это без сомнения справедливо. Однако если бы звезда светилась только за счет энергии сжатия, время ее жизни составляло бы не более сотен тысяч лет. Этого явно недостаточно нужен дополнительный намного более мощный источник

Энергии.

В средине ХХ в. наука, которая занималась исследованием строения вещества, открыла способы управления поведением мельчайших частиц материи - ядер атомов. Оказалось, что ядра содержат внутри себя энергию особого типа, количество которой неизмеримо больше, чем все, что было известно до того. Это энергия выделяется и может быть использована при распаде (делении) тяжелых ядер (т. е. ядер атомов тяжелых элементов - актиния, тория, урана) или при синтезе (слиянии) легких ядер (ядер атомов легких элементов - водорода, гелия, лития и т. д.). В результате энергетика развитых стран получила исторический стимул - начали работать и давать электрический ток первые электростанции на ядерном топливе. В тот же период времени были разработаны и испытаны совершенно новые виды оружия, В которых использовалась внутриядерная энергия для создания ядерных зарядов, обладающих огромной разрушительной силой.

Возник естественный вопрос: не может ли ядерная энергия, которая содержится в самом веществе, являться его внутренним почти неограниченным энергетическим ресурсом, быть дополнительным источником энергии звезд? Но на Солнце (и на других звездах) почти нет тяжелых элементов. Поэтому деление очень малого количества тяжелых ядер не может дать заметного увеличения срока жизни звезды. Зато Солнце почти на 100 % состоит из атомов водорода и гелия, при синтезе ядер которых также выделяется ядерная энергия. Чтобы ядра атомов водорода - протоны - при лобовом столкновении образовали связанное состояние (слились бы), их необходимо разогнать почти до световых скоростей. При этом происходит превращение, которое называется термоядерной реакцией. Два протона образуют единое новое ядро, состоящее уже из двух частиц. Условия, при которых могут сталкиваться протоны, т. е. необходимые для этого скорости частиц, достижимы при температуре примерно 10 млн. градусов. При образовании звезд из газовых глобул (закон всемирного тяготения!) такие температуры возможны - чем больше сжатие, тем выше температура! Значит, уже можно представить себе процесс рождения и дальнейшей жизни звезды!

Итак, первая стадия - результат действия сил гравитации: образование сгущений рассеянного в космосе межзвездного газа, формирование глобул, сжатие глобул, образование протозвезд, дальнейшее сжатие протозвезд и постепенное повышение температуры в центральных их областях, Эта стадия занимает согласно расчетам несколько миллионов лет.

Вторая стадия: температура внутри протозвезды повышается настолько, что вступают в действие термоядерные реакции, при которых выделяется энергия, сопутствующая рождению новы более тяжелых ядер атомов. Вот он, дополнительный источник энергии! Становясь самосветящейся, протозвезда превращается в настоящую звезду. Выделяющаяся в виде излучения ядерная энергия обеспечивает звезде длительную жизнь.

Все же нужны некоторые уточнения. Сила тяготения сжимала протозвезду до начала действия термоядерных реакций. Эта же сила продолжает действовать и после того, как звезда «зажглась» Не будет ли происходить дальнейшее сжатие самосветящейся звезды, т. е. плавное, постепенное уменьшение ее размеров? Нет, выделяющаяся в термоядерных реакциях энергия настолько велика, что, образуя сквозь толщу вещества звезды, восходящие потоки излучения, она препятствует гравитационному сжатию. Давление, которое оказывает сила тяжести сверху на нижележащие слои, компенсируется давлением излучения снизу вверх. Размеры звезды стабилизируются на тот период времени, пока действует звездный протон-протонный «термоядерный реактор». Запасы водорода, который обеспечивает солнечный термоядерный реактор необходимым горючим, достаточны, чтобы Солнце (или любая другая звезда, имеющая близкие к Солнцу размеры и массу) могло бы стабильно существовать в привычном для нас состоянии около 10 млрд. лет. Половина этого срока Солнцем уже прожита. Но впереди еще не менее 5 млрд. лет, нам, видимо, не о чем беспокоиться.

Вместе с тем, кроме Солнца, существуют другие звезды, которые прожили большую часть своей жизни. Остается вопрос, что же с ними происходит дальше, когда водород частично или полностью израсходован?

Термоядерные реакции протон-протонного цикла постепенно приводят к накоплению более тяжелых ядер, состоящих из двух ядерных частиц. Эти ядра также могут сталкиваться, образуя еще более тяжелые ядра, в которых сосуществуют уже четыре частицы. Ядро, масса которого в 4 раза больше массы ядра водорода, - это ядро атома гелия (4 Не). Конечно, процесс образования ядер атомов гелия не так прост, он содержит несколько промежуточных стадий, включающих различные превращения внутриядерных частиц. Но если не останавливаться на подробностях и суммировать все, что происходит в недрах звезды, то можно сказать, что водород постепенно превращается в гелий. Или, как часто говорят физики-ядерщики, водород «выгорает», а гелий накапливается. Горение в данном случае понимается не как химическое горение водорода, которое можно описать химической реакцией соединения водорода и кислорода. Термоядерное «горение» водорода - это цепочка ядерных процессов с выделением энергии в сотни тысяч раз большей, чем тепло, выделяемое в процессе химического сгорания водорода образовавшийся гелий - не последнее вещество, которое может синтезироваться при термоядерных реакциях. Ядра атомов гелия тоже могут сталкиваться между собой и, сливаясь, образовывать еще более тяжелые ядра, при надлежащие атомам элементов находящихся в следующих клетках периодической системы элементов. И так далее. Все более тяжелые ядра при столкновениях должны давать ядра атомов элементов, еще дальше расположенных в периодической системе. Оказывается только что, для прохождения термоядерных реакций между тяжелыми ядрами температуры в 10 млн. градусов недостаточно. Чем, тяжелея, частица, тем меньшую скорость она набирает при одной и той же температуре. Поэтому снижение количества водорода внутри звезды приводит к снижению интенсивности термоядерных реакций. Количество выделяемой ядерной энергии снижается, уменьшается давление излучения на верхние слои вещества звезды. А сила тяготения действует по-прежнему. Нарушение баланса сил должно привести к дальнейшему сжатию звезды

Высказанные соображения и численные расчеты дали возможность описать (предположительный) сценарий последнего этапа жизни звезд типа Солнца. На этом этапе (примерно через пять миллиардов лет для нашего Солнца) за счет протон -протонной термоядерной реакции в центре звезды образуется гелиевое ядро, составляющее около 10 % массы звезды. На этой стадии водород будет превращаться в гелий только в тонком слое, примыкающем к очень горячему гелиевому ядру. Само же ядро, постепенно сжимаясь (под действием силы тяжести) и разогреваясь, достигнет такого состояния, при котором гелий начнет (при температуре выше 15 млн градусов) превращаться в углерод и следующие за ним элементы. Наступит критическое время в жизни звезды. Внешняя оболочка звезды станет расширяться, сама звезда будет распухать, увеличиваться в размерах. Температура внешнего слоя станет падать, поверхность приобретет красный цвет. Звезды такого типа наблюдаются на небе, их называют «красные гиганты». То же самое должно произойти с нашим Солнцем. За несколько десятков тысяч лет внешняя оболочка Солнца, расширяясь, пройдет через орбиту Земли. На месте Солнца останется его ядро - горячая белая звезда, или «белый карлик». Когда внешняя оболочка Солнца достигнет земной орбиты, температур, на Земле возрастет до тысяч градусов, а потом постепенно начнет уменьшаться до абсолютного нуля (-2730С). Ученые, считаю, что такой финал неизбежен - состояние «белого карлика» есть одна из конечных стадий в жизни звезд. Затем рано или поздно «белый карлик» превратится в темное, не светящееся в видимых лучах тело, так называемый труп когда-то светившейся звезды. Так рисует современная теория звездной эволюции будущее Солнца и ему подобных звезд с массой, не более чем в 1,5 раза превышающей солнечную.

Как проходит жизнь и что происходит со звездами, имеющими массу, отличающуюся от солнечной? Если масса звезды уступает солнечной, ее эволюция растягивается на более длительные сроки. Такие звезды остаются стабильными в течение всего времени своего существования. Ничего катастрофического с ними не происходит, они постепенно остывают от стадии небольшой звезды оранжевого цвета до погасшего звездного трупа.

Намного драматичнее складывается жизнь звезд, имеющих большие массы. Если звезда в начале своего развития обладает массой от 1,5 до двух солнечных, то начальные два этапа жизни для нее проходят так же, как для Солнца. Но на последних этапах эволюции она теряет устойчивость и взрывается наподобие ядерной бомбы. Заранее оговоримся, что масштабы взрыва звезды не идут ни в какое сравнение со взрывами ядерных зарядов любой мощности. Эти явления человеческий разум не может себе представить. Взрыв звезды за несколько месяцев может выделить энергию, которую Солнце излучает за несколько миллиардов лет.

С Земли такой момент наблюдается как неожиданное появление на небе незнакомой звезды. По традиции такие звезды называют «сверхновыми». Внезапно вспыхнув и посветив некоторое время (несколько дней или месяцев), сверхновые постепенно гаснут. Обычно на месте их появления и потом удается различить слабосветящиеся звездные объекты. Но в некоторых случаях сверхновая как бы исчезает из поля зрения исследователей, проваливается в бездонное космическое пространство. При взрыве звезда сбрасывает в окружающее пространство свои газовые оболочки, которые расширяются подобно фронту взрывной волны, а затем постепенно рассеиваются в космической среде

Типичным примером результата взрыва сверхновой является Карабовидная туманность в созвездии Тельца. Китайские и японские хроники XI в. описали появление на небе яркой неизвестной звезды. Она была столь яркой, что в течение двух недель ее можно было наблюдать даже днем. Было установлено, что это произошло в 1054 г. На месте, где вспыхнула звезда описанная в хрониках (в созвездии Тельца), в настоящее время наблюдается небольшая туманность неправильной формы. Эта туманность представляет собой расширяющиеся до сих пор разреженные газовые оболочки, которые были выброшены звездой во время взрыва. Остаток сверхновой можно и теперь наблюдать как очень слабую звездочку в центре этой туманности. По размеру Крабовидной туманности можно оценить скорость с которой разлетается вещество после взрыва сверхновой. Эта скорость составляет несколько тысяч километров в секунду!

А какова судьба оставшейся маленькой звездочки после взрыва сверхновой? Считается, что ядерные реакции синтеза в ней уже перестали протекать, так как легкие элементы (точнее, ядра атомов легких элементов) уже «выгорели». Звезда начинает сжиматься, при этом ее недра разогреваются до нескольких миллиардов градусов. На этой стадии главным источником энергии становится гравитационное сжатие, которому не может противостоять больше никакая сила. Звезда сжимается и превращается в очень маленькую сверхплотную, так называемую нейтронную звезду. Такое название присвоено звездным остаткам сверхновых, так как предполагается, что они целиком представляют собой тесно расположенные ядерные частицы, только не протоны, а нейтроны. Плотность вещества в них такая же, как в атомных ядрах - миллиард тонн на один кубический сантиметр. Они и напоминают исполинские атомные· ядра, перенасыщенные нейтронами. Нейтронные звезды одни из самых удивительных объектов звездного мира. Их по перечник вследствие огромной плотности составляет всего около 20 КМ.

Самая необычная судьба складывается у звезд, масса которых более чем в 2 раза превосходит массу Солнца. Когда в та кой звезде заканчиваются все термоядерные реакции, поддерживающие ее излучение, звезда начинает неограниченно сжиматься. Сила тяжести такой массивной звезды оказывается настолько большой, что теоретически сжатие может продолжаться, пока звезда не превратится в точку. Но это в теории, а на практике ...

В космонавтике есть такое понятие - вторая космическая скорость (скорость убегания). Это минимальная скорость, до которой надо разогнать тело (ракету), чтобы оно навсегда покинуло Землю. Эта скорость равна 11,2 км/с, она зависит от массы Земли и от ее радиуса (определяется скорость убегания опять же с помощью закона всемирного тяготения). Если, сохраняя массу Земли, уменьшать ее радиус, то вторая космическая скорость будет расти. Когда радиус Земли станет равным 0,44 см (сверх плотная Земля!), вторая космическая скорость станет равной скорости света. Радиус планеты (или звезды), соответствующий такому значению скорости убегания, называется гравитационным радиусом. Для Земли он близок к половине сантиметра, для Солнца - равен трем километрам.

Если радиус тела равен или меньше гравитационного радиуса, никакое излучение покинуть его не в состоянии - не хватает скорости, так как скорость убегания равна скорости света. Скорость света - предельная, большей скорости не существует (теория относительности А. Эйнштейна). А чтобы покинуть тело, нужна именно скорость, которой в природе не существует. Таким образом, тело превращается в то, что физики называют, черной дырой. Подобное тело ничего не излучает, увидеть его мы тоже не можем. Лишь его гравитационное поле (поле тяготения) позволяет обнаружить его присутствие, так как, обладает собственной массой, оно притягивает к себе другие тела. Тело, попавшее в зону притяжения черной дыры, падает на черную дыру и исчезает из нашего поля зрения. Больше мы его увидеть не сможем.

Неограниченное сжатие тел под действием силы тяжести получило название гравитационного коллапса. Звезды с массой, в двое и более превышающей массу Солнца, после «выгорания» термоядерного горючего обязательно переходят неустойчивое состояние и, испытав гравитационный коллапс, превращаются в черные дыры. Черные дыры - совершенно непривычные для нас объекты, обладающие абсолютно невозможными свойствами. О них немного известно, но в космосе уже наблюдаются отдельные эффекты, которые свидетельствуют в пользу существования черных дыр. Неисчерпаемая тема для обсуждения. Но не для нас, это может увести нас далеко в сторону от попыток взглянуть на весь мир сразу. Хорошо все-таки, что наше Солнце не слишком массивная звезда.

Экскурсия в недра звезд показала, что звезды рождаются, живут и умирают. У каждой звезды своя судьба. Маленькие звезды светят не очень ярко, но зато долго живут, и жизнь их проходит без катастрофических явлений с постепенным угасанием в старости.

Звезды, похожие на Солнце, дают уже больше света и тепла. Во всяком случае, нам его хватает и, видимо, будет хватать еще очень долго. Но в конце жизни такие звезды могут испытывать серьезные потрясения - менять размеры и цвет, сбрасывать внешние газовые оболочки, образовывать сильно нагретые внутренние ядра - «белые карлики». Правда, в дальнейшем все равно остается только остывший темный сгусток вещества, не принимающий активного участия в космических процессах.

Массивным звездам отпущено меньше времени на существование. Судьба их более насыщена событиями. На пороге старости накопленная внутри энергия взрывает их. Значительная часть вещества такой звезды рассеивается в космическом пространстве. То, что осталось, конденсируется под действием силы тяжести в сверхплотное ядро - нейтронную звезду, или, если масса исходной звезды была больше некоторой критической величины, образуется странный фантом - черная дыра.

О чем еще свидетельствуют процессы жизнедеятельности звезд? На каждом этапе своего существования при переносе тепла из внутренних областей звезд наружу происходят бурные процессы, сопровождающиеся выносом в пространство какой-то части звездного вещества. Это вещество образует межзвездную среду, которая в последующем опять может образовывать сгустки, глобулы, протозвезды. И далее снова могут рождаться звезды, звезды следующего поколения, которые будут светить, излучать энергию, взрываться, рассеивать в пространстве звездное вещество, а затем гаснуть и умирать. Кроме звезд межзвездная среда может порождать планеты, которые образуют планетные системы вокруг звезд, подобные нашей Солнечной системе.

Таким образом, все, что существует во Вселенной - и звезды, и планеты, и все, что нас окружает на Земле, - все буквально состоит из вещества, которое образовалось внутри звезд в процессе термоядерных реакций. Все элементы периодической системы образовались при звездном термоядерном синтезе, За исключением водорода и гелия, которые стоят в начале цепочки ядерных реакций и являются «прародителями» остальных 90 элементов.

Элементы, образовавшиеся на звездах, сформировали планеты, в том числе и нашу Землю. Что дальше? Законы движения тел и великий закон всемирного тяготения таковы, что на образовавшихся малых телах, на планетах, температура не достигает высоких значений, энергии для развития ядерных реакций не хватает. Элементы уже не могут переходить друг в друга, как это происходило на звездах, Элементы остаются неизменными. Но происходит соединение разнородных атомов, это возможно даже при очень низких температурах. Происходит образование химических соединений из различных элементов, пришедших со звезд.

Количество химических соединений, веществ, в природе очень велико, ведь из 92 элементов (92 сортов атомов) можно составить очень большое количество комбинаций. Какие закон этим управляют, как это происходит и какие вещества получаются - это вопросы, которыми занимается область естествознания под названием химия.

Звезды - это фабрики элементов, из которых состоят вещества нашего мира. Планеты (и Земля в особенности) - фабрики веществ, построенных из звездных элементов. Мы сами состоим из земного вещества, содержащего звездные элементы.

Контрольные вопросы

  1. Как произошел большой взрыв?

  2. Что такое вселенная?

  3. Какую структуру имеет Вселенная?

  4. Классифицируйте галактики?

  5. Назовите основное «население »галактик

ТЕМА: ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

План

    1. Основные понятия.

    2. Изменение внутренней энергии в процессе теплообмена.

    3. Первый закон термодинамики.

  1. Термодинамика – это наука о тепловых явлениях.

  2. Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Важным свойством термодинамически равновесной системы является выравнивание температуры всех ее частей.

  3. Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

  4. Так как, молекулы и атомы идеального газа не взаимодействуют то, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении.

  5. hello_html_m64a466ca.gif, где N- число молекул;

  6. Ек – средняя кинетическая энергия их движения;

  7. hello_html_84986c1.gifhello_html_m4855e294.gifhello_html_17661018.gif - для одной молекулы.

Молекулы реальных газов взаимодействуют между собой и поэтому обладают потенциальной энергией. Следовательно, внутренняя энергия реального газа равна сумме кинетических энергий хаотического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия: U = Ek + Ep.

Определение: Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы.

Определение: Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой.

Перечислим основные параметры состояния вещества:

Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами.

Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой.

Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:

T [K] = t [°C] + 273.15

где: T - температура в Кельвинах, t – температура в градусах Цельсия.

Давление - представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.

Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль (Па).

Соотношение между единицами:

1 бар = 105 Па

1 кг/см2 (атмосфера) = 9.8067×104 Па

1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133 Па

1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) =  9.8067 Па

Плотность – отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом.

hello_html_32d1c19e.png

Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе.

hello_html_m1c7a4c62.png

2. Изменение внутренней энергии в процессе теплообмена

Рассмотрим изменение внутренней энергии тела.

Изменение внутренней энергии тела всегда связано с взаимодействием с другими телами и с окружающей средой.

Внутренняя энергия тела может изменяться вследствие теплообмена. При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а внутренняя энергия другого – уменьшаться.

Передача энергии от одного тела другому в форме тепла может происходить только при наличии разности температур между ними.

Энергию, переданную в процессе теплообмена, называют количеством теплоты Q.

Тепловой поток всегда направлен от горячего тела к холодному.

Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).

Обозначим внутреннюю энергию тела в начальном состоянии U1, а в конечном - U2. Тогда количество теплоты Q , переданное в процессе теплообмена равна изменению внутренней энергии тела:

hello_html_230990e4.gif.

Работа в этом случае не совершается.

Процесс теплопередачи может происходить не только при контакте двух тел, но и через излучения.

Изменение внутренней энергии тела прямо пропорционально его массе и изменению температуры тела hello_html_2e20f4a.gif:

hello_html_m3d21d44c.gifили hello_html_6abc2b00.gif,

где с – коэффициент пропорциональности, показывающий зависимость Q от рода вещества, от внешних условий, от агрегатного состояния вещества и называется удельной теплоемкостью вещества.

.

Уравнение теплового баланса при теплообмене

При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, внутренняя энергия которых увеличивается: hello_html_23f825bf.gifотд = hello_html_23f825bf.gifполуч

Коэффициент полезного действия (КПД) можно рассчитать по формуле: hello_html_2ed1a345.gif.

Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния: F (P, V, Т). Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:

P × v = R × T

где: P - давление; v – удельный объем; T – температура; R – газовая постоянная (у каждого газа свое значение).

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные изтрех Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)

Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики.

Закон возрастания энтропии в изолированной системе

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах - 2-й закон термодинамики.

Формулировки второго закона термодинамики:

  1. Вечный двигатель второго рода не возможен (под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1). 

  2. Стопроцентное превращение теплоты в работу посредством тепловой машины - двигателя невозможно. Условия работы тепловых машин:

  3. Тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходим иметь по крайней мере 1 источник теплоты, и 1 приемник теплоты).

  4. Любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.

Энтальпия

В прошлом столетии Гибсс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию - энтальпию.

Определение: Энтальпия это сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем:

I = U + PV;

где: I – энтальпия; U –внутреней энергия; P – давление; V -объем.

Удельная энтальпия i это отношение энтальпии тела к его массе. Удельная энтальпия это параметр состояния. Значение удельной энтальпии пара и воды при определенном давлении и температуре можно найти в справочнике. Пользуясь этими данными, можно определить количество теплоты участвующее в процессе или работу процесса.

Энтропия

Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия обозначается S размерность [Дж/К]

S = Q/T , или приведенная теплота называется энтропия

где dS – дифференциал энтропии; dQ – дифференциал теплоты; Т – абсолютная температура;

Удельная энтропия - отношение энтропии тела к его массе. Удельная энтропия s является справочной величиной. Удельная энтропия - функция состояния вещества, принимающая для каждого его состояния определенное значение:

s = f (Р, v, Т) [Дж/(кг x K)]


Вопросы для самоконтроля

  1. Чему равна внутренняя энергия идеального газа?

  2. Как можно изменить внутреннюю энергию тела?

  3. Что называется количеством теплоты?

  4. Каким величинам прямо пропорционально изменение внутренней энергии?

  5. Записать уравнение теплового баланса.

  6. Как рассчитать коэффициент полезного действия?

  7. Сформулировать первый закон термодинамики.

Тема: ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

План:

1.История создания периодического закона

2. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

3. Значение периодического закона и периодическое системы Д.И. Менделеева


1. История создания периодического закона

К середине XIX в.— периода завершения второго химико-анали­тического этапа развития химии — было открыто уже более 60 эле­ментов, у большинства которых были изучены физические и хими­ческие свойства (некоторые из элементов к этому времени не были выделены еще в чистом виде).

Открытие новых элементов и изучение свойств элементов и их соединений, с одной стороны, позволили накопить большой факти­ческий материал, а с другой — выявили необходимость его система­тизации. Первыми попытками систематизации элементов следует, по-видимому, считать установление их общих групповых свойств. Так, наиболее резко выраженный основный характер был обнаружен у соединений элементов, названных щелочными металлами, а спо­собность к проявлению кислотных свойств — у соединений галоге­нов. Кроме того, для многих элементов были получены количест­венные характеристики, определяющие их свойства. Среди них наи­больший интерес представляли относительная атомная масса эле­ментов и их валентность, т. е. способность к образованию различ­ных форм соединений.

Ни одна из попыток классифицировать химические элементы не выявила основной закономерности в их расположении и, следова­тельно, не могла привести к созданию естественной системы, охва­тывающей все химические элементы и отражающей природу их сходства и различия. Решение этой задачи оказалось доступно лишь нашему соотечественнику Д. И. Менделееву.

Д. И. Менделеев исходил из убеждения, что в основу клас­сификации должна быть положена фундаментальная количественная характеристика элементов — атомная масса, от которой «должны находиться в зависимости все остальные свойства». Но найти эту зависимость было крайне трудно по двум причинам: 1) далеко не все химические элементы были известны к началу работы Д. И. М е н-делеева; 2) атомные массы некоторых элементов были установ­лены неточно, и их формальное сопоставление приводило к недо­разумениям.

В отличие от всех своих предшественников русский ученый со­поставил между собой несходные элементы, расположив все извест­ные элементы в порядке возрастания атомных масс. Ниже приведе­ны первые 14 элементов этой последовательности:

LiBe—В—С—N—О—FNaMgAlSiPS—С1

При переходе от лития Li к фтору F происходит закономерное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических с одновременным увеличением валентности. Переход от фтора F к сле­дующему по значению атомной массы элементу натрию Na сопровож­дается скачкообразным изменением свойств и валентности, причем натрий во многом повторяет свойства лития, будучи типичным одно­валентным металлом, хотя и более активным. Следующий за натрием магний Mg во многом сходен с бериллием Be (оба двухвалентны, проявляют металлические свойства, но химическая активность обоих выражена слабее, чем у пары LiNa). Алюминий А1, следующий за магнием, напоминает бор В (валентность равна 3). Как близкие родственники похожи друг на друга кремний Si и углерод С, фос­фор Р и азот N, сера S и кислород О, хлор С1 и фтор F. При переходе к следующему за хлором в последовательности увеличения атомной массы элементу калию К опять происходит скачок в изменении ва­лентности и химических свойств. Калий, подобно литию и натрию, открывает ряд элементов (третий по счету), представители которого показывают глубокую аналогию с элементами первых двух рядов.

2 Периодический закон и периодическая система химических элементов

Итак, в естественном ряду элементов (т. е. элементов, располо­женных в порядке возрастания атомной массы) их химические свой­ства изменяются не монотонно, а периодически. Закономерное изме­нение свойств элементов в пределах одного отрезка естественного ряда (LiF) повторяются и у других (Na — С1, К — Вг). Иначе говоря, сходные в химическом отношении элементы встречаются в естест­венном ряду через правильные интервалы и, следовательно, повто­ряются периодически. Эта замечательная закономерность, обнаружен­ная Д. И. Менделеевым и названная им законом периодичности, была сформулирована следующим образом:

Свойства простых тел, а также форма и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атом­ных весов элементов (Менделеев Д. И. Периодический закон.— М., 1958.— С. 4).

Открытый закон периодичности Д. И. Менделеев использовал для создания периодической системы элементов. «Днем рождения» системы Д. И. Менделеева обычно считают 18 февраля 1869 г., когда был составлен первый вариант таблицы. В этой таблице 63 из­вестных Д. И. Менделееву элемента были расположены в по­рядке возрастания атомных масс. Это расположение отражало также периодичность изменения свойств элементов. В таблице были ос­тавлены пустые места для четырех еще не открытых элементов с атом­ными массами 45, 68, 70 и 180. Существование их было предсказано Д. И. Менделеевым.

Закон периодичности и периодическая система элементов сыграли важную конструктивную роль при проверке и уточнении свойств многих элементов. Однако настоящий триумф периодической сис­темы Д. И. Менделеева был связан с открытием предсказан­ных им элементов. В 1875 г. французский химик П. Лекок де Б у а-б о д р а н, исследуя цинковые руды методами спектрального анализа, обнаружил следы неизвестного элемента. Открытие этого элемента, названного галлием, быть может, прошло бы незаметным, если бы некоторое время спустя автор не получил письмо от русского уче­ного, в котором утверждалось, что плотность нового элемента должна

быть равна не 4,7 г/см3, как сообщал П. Лекок де Буабодран, а 5,9—6,0 г/см3. Повторные измерения плотности очищенного от примеси галлия дали значение 5,904 г/см3.

Предсказывая свойства неизвестных элементов, Д. И. Менде­леев использовал вытекавшее из периодического закона правило звездности, в соответствии с которым свойства любого химического элемента (например, Mg) находятся в закономерной связи со свойст­вами соседних элементов, расположенных по горизонтали (Na, A1), вертикали (Be, Са) и диагоналям (Li, Sc и К, В).

Спустя несколько лет шведский ученый Л. Нильсон открыл предсказанный Д. И. Менделеевым экабор, назвав его скандием. Наконец, в 1886 г. немецкий химик К. Винклер открыл новый элемент — германий, свойства которого полностью совпали со свой­ствами, указанными Д. И. Менделеевым для экасилиция. После этого периодический закон получил всемирное признание, а перио­дическая система стала неотъемлемой частью любого учебника по химии.

В настоящее время существует несколько вариантов графического построения периодической системы. Рассмотрим один из них — короткопериодный (см. первый форзац). Эта таблица состоит из 10 го­ризонтальных рядов и 8 вертикальных столбцов, называемых груп­пами. В первом горизонтальном ряду только два элемента — водо­род Н и гелий Не. Второй и третий ряды образуют периоды по 8 элементов, причем каждый из периодов начинается щелочным метал­лом и кончается инертным элементом. Четвертый ряд также начи­нается щелочным металлом (калий), но в отличие от предыдущих рядов он не заканчивается инертным элементом. В пятом ряду про­должается последовательное изменение свойств, начавшееся в четвер­том ряду, так что эти два ряда образуют один так называемый боль­шой период из 18 элементов. Как и предыдущие два, этот период на­чинается щелочным металлом К и кончается инертным элементом криптоном Кг. Один большой период составляют и последующие два ряда — шестой и седьмой (от рубидия Rb до ксенона Хе).

В восьмом ряду дополнительное осложнение связано с тем, что после лантана La идут 14 элементов, чрезвычайно сходные с ним по свойствам, названные лантаноидами. В приведенной таблице они размещены в виде отдельного ряда. Таким образом, восьмой и де­вятый ряды образуют большой период, содержащий 32 элемента (от цезия Cs до радона Rn). Наконец, десятый ряд элементов состав­ляет незавершенный 7-й период. Он содержит лишь 21 элемент, из которых 14, очень сходные по свойствам с актинием Ас, выделены в самостоятельный ряд актиноидов. Как мы теперь знаем, такая струк­тура таблицы является отражением фундаментальных свойств хими­ческих элементов, связанных с особенностями строения их атомов.

В вертикальных столбцах таблицы — группах располагаются эле­менты, обладающие одинаковой валентностью в высших солеобразующих оксидах (она указана римской цифрой). Каждая группа раз­делена на две подгруппы, одна из которых (главная) включает элемен­ты малых периодов и четных рядов больших периодов, а другая (побочная) образована элементами нечетных рядов больших периодов. Различия между главными и побочными подгруппами ярко проявля­ются в крайних группах таблицы (исключая VIII). Так, главная подгруппа I группы включает очень активные щелочные металлы, энергично разлагающие воду, тогда как побочная подгруппа состоит из меди Сu, серебра Ag и золота Аg, малоактивных в химическом отношении. В VII группе главную подгруппу составляют активные неметаллы: фтор F, хлор С1, бром Вг, иод I и астат At, тогда как у элементов побочной подгруппы — марганца Мп, технеция Тс и ре­ния Re — преобладают металлические свойства. VIII группа эле­ментов, занимающая особое положение, состоит из девяти элементов, разделенных на три триады очень сходных друг с другом элементов, и подгруппы благородных газов.

У элементов главных подгрупп при увеличении атомной массы наблюдается усиление металлических свойств и ослабление неметал­лических.

Согласно формулировке закона Д. И. Менделеева периодич­ность изменения свойств касается не только химических элементов, но и образуемых ими простых и сложных веществ. Периодичность изменения обнаружена для молярных объемов, температур плавления и кипения, для магнитных и электрических свойств, для теплот об­разования, теплоемкости и многих других физико-химических свойств, характеризующих простые и сложные вещества.

3. Значение периодического закона и периодический системы химических элементов Д.И. Менделеева

Открытие периодического закона и создание системы химических элементов имело огромное значение не только для химии, но и для всего естествознания в целом. Открытие Д. И. Менделеева обога­тило человеческое знание одной из фундаментальных закономерностей природы. Оценивая значение открытия Д. И. Менделеева, Ф. Энгельс писал: «Менделеев, применив... закон о переходе ко­личества в качество, совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще не известной планеты — Нептуна» (М арке К. и Энгельс Ф. Соч.— Т. 20.— С. 389).

Тема: Теория строения атомов в свете электронных представлений

План:

  1. Строение атома

  2. Периодический закон и строение атома

1 Строение атома

Атом состоит из атомного ядра и электронных оболочек ядра атомов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны их число равно положительному заряду ядра.

А= Z+N

А- массовое число

Z- заряд ядра

N- число нейтронов в ядре

2. Периодический закон и строение атома

Данные о строении ядра и о распределении электронов в атомах позволяют рассмотреть периодическую систему хи­мических элементов Д. И. Менделеева с фундаментальных физических позиций.

Из данных о строении ядра следует, что однозначным призна­ком химического элемента является заряд ядра Z, определяемый числом протонов в ядре и равный атомному номеру элемента в пе­риодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева. Относительные атомные массы элементов, приводимые в периоди­ческой таблице, представляют собой усредненные значения из относительных атомных масс изотопов, составляющих естественную, при­родную смесь.

Общее число электронов в электронейтральных атомах равно числу протонов в ядре, т. е. атомному номеру элемента Z. Чис­ло энергетических уровней, на которых располагаются электроны в атоме, определяется номером периода. Чем больше номер периода, тем больше энергетических уровней, на которых располагаются элект­роны, и тем больше внешние энергетические уровни удалены от

ядра

Число элементов в периоде определяется формулами.

Для нечетных периодов:

Ln = (n+1)2 / 2

для четных периодов:

Ln = (n+2)2 / 2

где Ln - число элементов в периоде, п ~ номер периода.

Приведенные формулы позволяют легко определить, что в 1-м пе­риоде должно содержаться 2 элемента, во 2-м и 3-м — по 8, в 4-м и 5-м — по 18, в 6-м —32, в незавершенном 7-м периоде также должно быть 32 элемента. Итак, число элементов в периодах совпадает с максимальным числом электронов на энергетических уровнях 2—8—18—32 (табл. 5).

Число главных подгрупп также определяется максимальным чис­лом электронов на энергетическом уровне —8. Число переходных элементов в 4-м (от 2lSc до зоZn), 5-м (от 39Y до 48 Cd) и 6-м (57 La и от 72Hf до 80Hg) периодах равно 10 и определяется разностью между максимальными числами электронов на M и L энергетических уров­нях: 18 — 8 = 10, т. е. равно максимальному числу электронов на d-подуровне.

Поскольку в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных са­мостоятельных рядов, должно быть равно разности между макси­мальными числами электронов на N и М энергетических уровнях: 32 — 18=14, т. е. равно максимальному числу электронов на f -под­уровне

Таким образом, строгая периодичность расположения элементов периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева полностью объясняется последовательным характером заполнения энергетических уровней.

Тема: Виды химической связи

План:

  1. Понятие о химической связи

  2. Ковалентная связь

  3. Ионная связь

  4. Металлическая и водородная связь.

  1. Понятие о химической связи

Лишь немногие химические элементы (благородные газы) в при­
родных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Сво­бодные атомы остальных элементов образуют более сложные системы - молекулы, имеющие более стабильные электронные конфигу­рации. Это явление носит название образования химической связи.

Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы на следующие основные вопросы:

  1. Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?

  2. Почему атомы со­единяются друг с другом в определенных соотношениях?

  3. Каковы эти соотношения для различных химических элементов?

  4. Ка­кова геометрическая форма молекул и как она связана с электронной структурой составляющих ее атомов?

2. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ

Итак, среди свободных атомов различных химических элементов наиболее стабильной электронной конфигурацией обладают атомы гелия (Is2) и атомы остальных благородных газов (ns2np6). Можно ожидать, что атомы других химических элементов стремятся при­обрести электронную конфигурацию ближайшего благородного газа как отвечающую минимуму энергии и, следовательно, наиболее ста­бильную. Например, это становится возможным при образовании электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих соединяющим­ся атомам и взаимодополняющих их электронные орбитали до устой­чивой конфигурации типа Is2 или ns2np6. Так образуются, например, все двухатомные молекулы простых веществ:

Сl + Cl = Cl Cl

Ковалентная связь может возникать не только между одинаковы­ми, но и между разными атомами. Например, на одной из стадий реакции между молекулами хлора и водорода происходит взаимо­действие их атомов с образованием ковалентной связи:

Н + Cl =Н Cl

В этом случае образовавшаяся электронная пара испытывает более сильное притяжение со стороны атома хлора. При образова­нии же молекулы СЬ электронная пара в равной степени принадле­жит обоим атомам хлора. Разновидность ковалентной связи, обра­зованной одинаковыми атомами, называется неполярной, а образован­ной двумя разными атомами — полярной или поляризованной.

Полярность молекулы количественно оценивается дипольным мо­ментом μ, который является произведением длины диполя, т. е. расстояния между центрами тяжести электрических зарядов, на зна­чение этих зарядов. В таблице 7 представлены дипольные моменты некоторых двухатомных молекул. Наблюдаемые изменения дипольных моментов обусловлены увеличением сродства к электрону у ато­мов галогенов при переходе от иода к фтору.

Таблица. Дипольные моменты молекул галогеноводородов, Кл-м

Молекулы, состоящие из трех и более атомов, различаются по­лярностью связи и полярностью молекулы. Например, в молекуле оксида углерода (IV) каждая из связей полярная (μ= 9-10~и0 Кл-м), а молекула в целом неполярная (μ, = 0), так как связи С=О расположены на одной прямой и компенсируют дипольные моменты друг друга {1). Наличие дипольного момента в молекуле воды (μ, =6,I х l0-30 Кл-м) означает, что она нелинейная, т. е. связи О—Н распо­ложены под углом, не равным 180°

3. ИОННАЯ СВЯЗЬ

Значение дипольного момента связи дает ценную информацию о поведении молекул. Как правило, чем больше дипольный момент, (т. е. степень ионности связи), тем выше реакционная способность молекул. Для оценки степени ионности связи используют такую характеристику, как электроотрицательностъ (ЭО). Электроотрицательность — это свойство атомов оттягивать к себе электроны, свя­зывающие их с другими атомами.

В таблице 8 приведены значения ЭО для всех элементов перио­дической системы элементов. Как видно из данных таблицы 8, наи­большей способностью притягивать электроны обладает фтор (ЭО= 4,0), а наименьшей — цезий и франций (ЭО = 0,7). Важно подчерк­нуть, что у элементов, расположенных в порядке возрастания атом­ного номера, значение ЭО изменяется периодически.

Степень полярности связи может быть определена разностью ЭО составляющих молекулу элементов: чем больше разность ЭО, тем более полярная связь.

Следовательно, в ряду молекул, образованных фтором с други­ми элементами 2-го периода (F2, OF2, NF3, BF3, BeF2, LiF), полярность связи возрастает, т. е. происходит постепенный переход от ковалент­ной связи (F2) к ионной (LiF).

Ионной называется химическая связь между ионами — заряжен­ными частицами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными соединениями.

Из приведенного в таблице 9 примера следует, что ионную связь можно рассматривать как частный случай ковалентной связи.

Ионная связь образуется только между атомами таких элементов, которые значительно отличаются по своей электроотрицательности (разность ЭО>2,0).

Рассмотрим механизм образования ионной связи. При взаимодей­ствии атомов натрия (Is22s22p63s') с атомами хлора (ls22s22p63s23p5) происходит переход электрона с Зp-орбитали атома натрия на Зр-орбиталь атома хлора. При этом атом натрия превращается в положи­тельно заряженную частицу — ион со стабильной конфигурацией ближайшего благородного газа — неона (ls22s22p6). Атом же хлора принимает этот электрон на Зр-орбиталь, превращаясь в отрица­тельно заряженный ион с электронной конфигурацией Is22s22p63sa3p6, характерной для аргона. Образовавшиеся в результате перехода элект­ронов противоположно заряженные ионы натрия и хлора прочно удер­живаются силами электростатического притяжения.

Этот процесс обозначают схемой:

Na + С1→ [Na]+ [ С1 ]-

Процесс образования ионной связи можно представить как со­вокупность трех элементарных стадий:

1. Потеря атомами натрия электрона, занимающего Зs -орбиталь

2. Присоединение атомом хлора (1s22s22p63s2 Зp5 ) электрона, разлетающегося на орбитали 3р.

3. Электростатическое притяжение образующихся ионов натрия и хлора

4. Энергия, необходимая для удаления электрона от свободного атома натрия, называется энергией ионизации (J). Например, для атома натрия:

NaNa++e- J =— 490 кДж / моль

газ газ

Энергия, выделяемая в результате присоединения атомом элект­рона, называется его сродством к электрону (Е). Например, для ато­ма хлора:

Б=+362 кДж/моль

Следовательно, на образование ионной пары Na+ и С1 следует затратить энергию, равную 128 кДж / моль (JNa+#ci)- Самопроиз­вольное образование соединения Na + Cl объясняется тем, что эта затрата энергии компенсируется энергией электростатического притя­жения ионов Na+ и С1-.

Межионное расстояние, определяемое равновесием сил притяже­ния и отталкивания в кристаллах, рассматривают как сумму радиу­сов аниона и катиона. Размер ионного радиуса связан с положением элемента в периодической системе элементов. В пределах главных подгрупп ионный радиус возрастает при переходе сверху вниз. У изо-электронных ионов, т. е. ионов с одинаковой электронной конфигурацией, радиус уменьшается с увеличением заряда ядра, все больше сжимающего электронную орбиталь (для ионов К+, Са2+, Sc3+ ион­ный радиус равен 0,133, 0,104 и 0,083 нм соответственно).

ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНАЯ СВЯЗЬ

Помимо рассмотренного механизма образования ковалентной свя­зи, согласно которому общая электронная пара возникает при взаи­модействии двух электронов, существует также особый донорно-акцеп-торный механизм. Он заключается в том, что ковалентная связь образуется в результате перехода уже существующей электронной пары донора (поставщика электронов) в общее пользование донора и акцептора.

Вhello_html_f3d5dd8.gifhello_html_f3d5dd8.gif ионе аммония каждый атом водорода связан с атомом азота общей электронной парой, одна из которых реализована по донорно акцепторному механизму. Важно отметить, что связи Н—N, образованные по различным механизмам, никаких различий в свойст­вах (например, в энергии связи, дипольном моменте связей и т. д.) не имеют, т. е. независимо от механизма образования возникающие ковалентные связи равноценны. Указанное явление обусловлено тем, что в момент образования связи орбитали 2s- и 2р-электронов атома азота изменяют свою форму. В итоге возникают четыре совершенно одинаковые по форме орбитали. Поскольку форма этих новых орбиталей есть нечто среднее между формами s- и р-орбиталей, то эти но­вые орбитали принято называть гибридными, а процесс их возникно­вения — гибридизацией атомных орбиталей.

Существуют различные способы гибридизации в зависимости от характера взаимодействующих орбиталей. Так, при образовании молекулы аммиака одна s-орбиталь и три р-орбитали превращаются в четыре одинаковые гибридные орбитали. Это sp3-гибридизация. При этом в молекуле аммиака в образовании связи участвуют три орбитали из четырех равноценных гибридных орбиталей, которые перекрываются с s-орбиталями атомов водорода, а в ионе аммония в образовании связи участвуют все четыре орбитали.

Наличие в молекуле аммиака или в ионе аммония, а также в молекулах метана и воды четырех равноценных гибридных орбита-лей (sр3-гибридизация) предопределяет их равномерное взаимное рас­положение в пространстве по направлениям от центра молекулы к вершинам описанного тетраэдра независимо от соотношения между участвующими в образовании связи незанятыми орбиталями. Из-за слабого отталкивания, существующего между орбиталями, участвующими в образовании связи, и незанятыми орбиталями, валентный угол изменяется от 109°28' в молекуле метана (все четыре гибрид­ные орбитали участвуют в образовании связи) до 107°18' в моле­куле аммиака (одна орбиталь из четырех не занята) и до 104°30' в молекуле воды (не заняты две орбитали из четырех).

Другие возможные типы гибридизации характерны для молекул; фторида бора и фторида бериллия. При взаимодействии атома бора в возбужденном состоянии (Is22s[2p2) с атомами фтора происходит sр2-гибридизация. При этом образуются три равноценные орбитали, которые в результате взаимного отталкивания располагаются под углом 120°, и молекула BF3 имеет плоское строение Атом бериллия в возбужденном состоянии имеет конфигурацию 1s22s12p1. При взаимодействии этого атома с атомами фтора одна 2s- и одна 2р-орбиталь превращаются в две одинаковые гибридные орбитали(sp-гибридизация), направленные под углом 180° друг к другу. Поэтому молекула BeF2 является линейной.

4. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ И ВОДОРОДНАЯ

СВЯЗЬ

Помимо рассмотренных типов связи, особо выделяют металличе­скую связь, которая проявляется при взаимодействии атомов элемен­тов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отноше­нию к числу валентных электронов. При сближении таких атомов, например в результате конденсации пара, электроны приобретают способность свободно перемещаться между ядрами в пространстве именно благодаря относительно высокой «концентрации» свободных орбиталей. В результате этого в решетке металлов возникают свобод­ные электроны (электронный газ), которые непрерывно перемещают­ся между положительными ионами, электростатический их притяги­вают и обеспечивают стабильность решетки металлов. Таков механизм образования металлической связи у непереходных металлов. У пе­реходных металлов механизм ее образования несколько усложняет­ся: часть валентных электронов оказывается локализованной, осу­ществляя направленные ковалентные связи между соседними ато­мами. Поскольку ковалентная связь более прочная, чем металли­ческая, у переходных металлов температуры плавления и кипения выше, чем у щелочных и щелочноземельных металлов, а также у переходных металлов с электронными оболочками, близкими к завер­шению. Это наглядно видно при сопоставлении температур плав­ления и кипения металлов 6-го периода (табл. 10).

Образование рассмотренных выше типов химической связи (ион­ной, ковалентной и металлической) сопровождается перестройкой электронных оболочек взаимодействующих атомов. Кроме этих свя­зей, существуют молекулярная и водородная связи, при образова­нии которых происходит не перестройка электронных оболочек, а главным образом их деформация

Межмолекулярная связь действует между молекулами газообраз­ных и жидких тел. Так как межмолекулярная связь в большинстве случаев слабее обычной химической связи, молекулярные кристаллы плавятся при низких температурах и имеют высокую летучесть. Температуры плавления и кипения повышаются по мере перехода к более тяжелым элементам

Аналогичный эффект повышения температуры плавления моле­кулярных кристаллов и температуры кипения молекулярных жид­костей наблюдается по мере увеличения числа атомов, составляющих молекулы. Например, в ряду метан CH4 — этан C2H6 — пропан С3Н6 — бутан C4H10 температуры кипения повышаются. Эти явления принято связывать с тем, что усложнение электронной структуры атомов облегчает их поляризуемость и увеличивает интенсивность межмолекулярного взаимодействия.

Однако анализ температур кипения водородных соединений элементов IVVI групп указывает на аномальное поведение аммиа­ка NH3, воды Н2 О и фтороводорода HF по сравнению с водород­ными аналогами азота, кислорода и фтора соответственно, что обуслов­лено действием более эффективных межмолекулярных сил, которые носят название водородной связи. Единственный электрон атома во­дорода обусловливает возможность образования им только одной ковалентной связи. Однако если эта связь сильно полярная, например в соединениях водорода с наиболее электроотрицательными элемен­тами (F, О, N), то атом водорода приобретает некоторый поло отель­ный заряд. Это позволяет электронам другого атома приблизитcя к протону и образовать водородную связь. В соединениях же водо­рода с элементами, характеризующимися значением ЭО, близкой ЭО водорода, эта связь не образуется. Например, аномалия температуры кипения метана СН4 по отношению к температурам кипения других водородных соединений элементов IV группы отсутствует .

Итак, образование водородной связи обусловлено спецификой во­дорода как элемента, состоящего из протона и электрона. Действи­тельно, при образовании водородной связи между молекулами воды, чем больше электрон оттянут в сторону атома Од, связанного ковалентной, тем сильнее протон притягивает электроны другого атома Ов, образуя с ним дополнительную связь:

δ+ δ- δ+ δ-

Нhello_html_m6272442c.gifhello_html_4fc52bb3.gif - Ов………….Н - ОА

| 0,16нм |

+H + H

Знаками δ + и δ — обозначены заряды, возникающие на соеди­няющихся атомах из-за смещения электронных пар.

При взаимодействии молекул воды друг с другом положитель­ный конец диполя ОА—Н настолько сильно притягивает свободную электронную пару атома Ов, что она становится общей для атома Ов и протона, принадлежащего диполю Нδ+ — ОАδ-. Следовательно, во­дородная связь имеет слабоковалентный характер. Это подтверждает­ся и тем, что расстояние между ядром атома Ов и протоном, при­надлежащим диполю Нδ+ — ОАδ-, значительно меньше суммы орби­тальных радиусов свободных атомов водорода и кислорода (го + гн = = 0,26 нм). Водородная связь занимает промежуточное положение между другими видами связи и ковалентной связью, довольно прочна и требует для разрыва от 40 до 120 кДж/моль.

Жидкое состояние вещества характеризуется достаточно сильным межмолекулярным взаимодействием, распространяющимся, однако, небольших агрегатов, которые в свою очередь сохраняют аметную подвижность относительно друг друга. «Мгновенное» охлаждение жидкости приводит к заметному изменению ее свойств: высокая подвижность агрегатов молекул друг относительно друга исчезает и вещество приобретает твердость. Вместе с тем такое охлаж­дение жидкости обеспечивает переход многих веществ в метастабильное аморфное состояние, которое характеризуется беспорядочной ориентацией в пространстве отдельных агрегатов молекул. Вещества, находящиеся в аморфном состоянии, стремятся к упорядочению, т. е. к образованию пространственных структур, в которых располо­жение атомов (молекул) соответствует периодическому повторению «узора» в трех измерениях. Такие твердые тела называются кристал­лами, а расположение атомов в них — кристаллической структурой (или кристаллической решеткой, см. с. 9 и схему (g) ).

В зависимости от природы частиц различают четыре вида решеток: 1) ионные (состоят из ионов);. 2) молекулярные (состоят из молекул); 3) атомные (состоят из атомов); 4) металлические (атомы в решетке связаны металлической связью).

Примером ионной кристаллической решетки являются кристал­лы поваренной соли, возникающие при конденсации молекул NaCl, в свою очередь образованных в результате взаимодействия ионов Na+ и С1~. Если в качестве элементарного фрагмента кристалли­ческой решетки выбрать какую-либо простейшую геометрическую фигуру, то кристаллическую структуру NaCl можно изобразить в виде куба, вершины которого (узлы кристаллической решетки) за­няты ионами Na+ и С1~. При этом перемещение по кристалличе­ской решетке в одном из трех направлений, совпадающем с ребрами куба, фиксирует регулярное расположение ионов Na+ и С1~, т. е. чередование положительных и отрицательных зарядов. Сильное взаимное притяжение разноименных ионов обеспечивает высокую прочность ионных кристаллов и объясняет их сравнительно высокие температуры плавления и кипения (табл. 1).

Таблица 1. Температура плавления некоторых галогенидов щелочных металлов

Вещество

Темпера­тура плав­ления, °C

Вещество

Темпера­тура плав­ления, "С

Вещество

Темпера­тура плав­ления, "С

Вещество

Темпера­тура плав­ления, °C

NaP NaCl NaBr Nal

996 801 760 662

KF KCl KBr KI

858 770 730 652

RbF RbCl RbBr Rbl

775 719 682 640

CsF CsCl CsBr Csl

703 645 636 632


Данные таблицы 12 являются также хорошей иллюстрацией периодичности изменения свойств соединений элементов: в вертикальных рядах у соединений с фиксированным катионом (или в горизонтальных с фиксированным анионом) наблюдается закономерное понижение температур плавления.

Примером вещества с атомной решеткой является алмаз. Его кристаллическая решетка состоит из атомов углерода, каждый из которых связан ковалентными связями с четырьмя соседними ато­мами, размещающимися вокруг него в вершинах правильной трех­гранной пирамиды — тетраэдра. Поскольку ковалентная связь обра­зуется в результате перекрывания орбиталей соединяющихся атомов, которые имеют вполне определенную форму и ориентацию в прост­ранстве, то ковалентная связь является строго направленной (в отли­чие от ионной связи). Этим, а также высокой прочностью ковалентной связи объясняется тот факт, что кристаллы, образованные атома­ми, имеют высокую твердость и совершенно непластичны, так как любая деформация вызывает разрушение ковалентной связи (напри­мер, у алмаза). Учитывая, что любые изменения, связанные с раз­рушением ковалентной связи в кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии, можно ожидать, что у та­ких кристаллов температуры плавления и кипения высоки, а ле­тучесть очень мала (например, у алмаза температура плавления составляет 3500 °С, а температура кипения —4200 °С).

Межмолекулярное взаимодействие в молекулярных кристаллах значительно слабее, чем в ионных и атомных кристаллах. Поэтому, как указывалось выше (с. 38), молекулярные кристаллы плавятся при низких температурах и имеют высокую летучесть. Примером веществ с молекулярной решеткой является йод, сахароза, камфара и т. д.

Итак, рассмотренные типы химической связи дают представление о характере взаимодействия, сопровождающего образование мо­лекул.




57 вебинаров для учителей на разные темы
ПЕРЕЙТИ к бесплатному просмотру
(заказ свидетельства о просмотре - только до 11 декабря)

Автор
Дата добавления 14.07.2016
Раздел Другое
Подраздел Конспекты
Просмотров202
Номер материала ДБ-142514
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх