Второй уровень химического знания. Структурная химия

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеж-

дению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это - углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Сам термин «структурная химия» - понятие условное. В нем, прежде всего, подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Бер-целиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин - сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, прису-

щее данному химическому элементу, Кекуле назвал вагентностыо. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения - как уже известного, так и еще неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Часто придуманная химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ, вступавших в химическую реакцию.

Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало создание теории химического строения органических соединений русским химиком А.М. Бутлеровым. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и молекулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860-1880-е гг. и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых - безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

1) синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

2) создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому кристаллы с заданными свойства-

ми выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что, наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

Состав атома.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки .

Ядро атома состоит из протонов (p + ) и нейтронов (n 0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.

Число протонов N (p + ) равно заряду ядра (Z ) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

N (p +) = Z

Сумма числа нейтронов N (n 0), обозначаемого просто буквой N , и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А .

A = Z + N

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е -).

Число электронов N (e -) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.

Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.

Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.

Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).

Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).

Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.

Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например: .

Строение электронной оболочки атома

Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако.

Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s , p , d и f .

Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.

Примечание : иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью".

Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень , их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.

Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:
s -подуровень (состоит из одной s -орбитали), условное обозначение - .
p -подуровень (состоит из трех p
d -подуровень (состоит из пяти d -орбиталей), условное обозначение - .
f -подуровень (состоит из семи f -орбиталей), условное обозначение - .

Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.

При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s , 3p , 5d означает s -подуровень второго уровня, p -подуровень третьего уровня, d -подуровень пятого уровня.

Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n . Общее число орбиталей на одном уровне равно n 2 . Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n 2 .

Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).

Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):

1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.

2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов.

3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.

Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n 2 .

Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):

1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f , 5d , 6p , 7s , 5f , 6d , 7p ...

Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:

Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев ("электронная схема").

Примеры электронного строения атомов:

Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s 2 , они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s 2 , но у него есть 3d 6 , следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s 2 , а атома железа - 4s 2 3d 6 .

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)

Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.

Периодическая система - графическое выражение периодического закона.

Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.

Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.

В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).

Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные ), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.

У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.

Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).

В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично.

Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.

В периодах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,
• увеличивается число внешних электронов,
• уменьшается радиус атомов,
• увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
• увеличивается электроотрицательность,
• усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),
• ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),
• ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
• возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.

В группах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,
• увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
• уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
• уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
• ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),
• усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),
• возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
• ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
• снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).

Задачи и тесты по теме "Тема 9. "Строение атома. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ)"."

• Периодический закон - Периодический закон и строение атомов 8–9 класс
  Вы должны знать: законы заполнения орбиталей электронами (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда), структуру периодической системы элементов.

  Вы должны уметь: определять состав атома по положению элемента в периодической системе, и, наоборот, находить элемент в периодической системе, зная его состав; изображать схему строения, электронную конфигурацию атома, иона, и, наоборот, определять по схеме и электронной конфигурации положение химического элемента в ПСХЭ; давать характеристику элемента и образуемых им веществ по его положению в ПСХЭ; определять изменения радиуса атомов, свойств химических элементов и образуемых ими веществ в пределах одного периода и одной главной подгруппы периодической системы.

  Пример 1. Определите количество орбиталей на третьем электронном уровне. Какие это орбитали?
  Для определения количества орбиталей воспользуемся формулой N орбиталей = n 2 , где n - номер уровня. N орбиталей = 3 2 = 9. Одна 3s -, три 3p - и пять 3d -орбиталей.

  Пример 2. Определите, у атома какого элемента электронная формула 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
  Для того, чтобы определить, кокой это элемент, надо выяснить его порядковый номер, который равен суммарному числу электронов атома. В данном случае: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Это алюминий.

  Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий. Желаем успехов.

  
  Рекомендованная литература:
  • О. С. Габриелян и др. Химия 11 кл. М., Дрофа, 2002;
  • Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 11 кл. М., Просвещение, 2001.

Мы выяснили, что сердце атома - это его ядро. Вокруг него располагаются электроны. Они не могут быть неподвижны, так как немедленно упали бы на ядро.

В начале XX в. была принята планетарная модель строения атома, согласно которой вокруг очень малого по размерам положительного ядра движутся электроны, подобно тому как вращаются планеты вокруг Солнца. Дальнейшие исследования показали, что строение атома значительно сложнее. Проблема строения атома остаётся актуальной и для современной науки.

Элементарные частицы, атом, молекула - всё это объекты микромира, не наблюдаемого нами. В нём действуют иные законы, чем в макромире, объекты которого мы можем наблюдать или непосредственно, или с помощью приборов (микроскоп, телескоп и т. д.). Поэтому, обсуждая далее строение электронных оболочек атомов, будем понимать, что мы создаём своё представление (модель), которое в значительной степени соответствует современным взглядам, хотя и не является абсолютно таким же, как у учёного-химика. Наша модель упрощена.

Электроны, двигаясь вокруг ядра атома, образуют в совокупности его электронную оболочку. Число электронов в оболочке атома равно, как вы уже знаете, числу протонов в ядре атома, ему соответствует порядковый, или атомный, номер элемента в таблице Д. И. Менделеева. Так, электронная оболочка атома водорода состоит из одного электрона, хлора - из семнадцати, золота - из семидесяти девяти.

Как же движутся электроны? Хаотически, подобно мошкам вокруг горящей лампочки? Или же в каком-то определённом порядке? Оказывается, именно в определённом порядке.

Электроны в атоме различаются своей энергией. Как показывают опыты, одни из них притягиваются к ядру сильнее, другие - слабее. Главная причина этого заключается в разном удалении электронов от ядра атома. Чем ближе электроны к ядру, тем они прочнее связаны с ним и их труднее вырвать из электронной оболочки, а вот чем дальше они от ядер, тем легче их оторвать. Очевидно, что по мере удаления от ядра атома запас энергии электрона (Е) увеличивается (рис. 38).

Рис. 38.
Максимальное число электронов на энергетическом уровне

Электроны, движущиеся вблизи ядра, как бы загораживают (экранируют) ядро от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и движутся на большем удалении от него. Так образуются электронные слои в электронной оболочке атома. Каждый электронный слой состоит из электронов с близкими значениями энергии,

поэтому электронные слои называют ещё энергетическими уровнями. Далее мы так и будем говорить: «Электрон находится на определённом энергетическом уровне».

Число заполняемых электронами энергетических уровней в атоме равно номеру периода в таблице Д. И. Менделеева, в котором находится химический элемент. Значит, электронная оболочка атомов 1-го периода содержит один энергетический уровень, 2-го периода - два, 3-го - три и т. д. Например, в атоме азота она состоит из двух энергетических уровней, а в атоме магния - из трёх:

Максимальное (наибольшее) число электронов, находящихся на энергетическом уровне, можно определить по формуле: 2n 2 , где n - номер уровня. Следовательно, первый энергетический уровень заполнен при наличии на нём двух электронов (2×1 2 = 2); второй - при наличии восьми электронов (2×2 2 = 8); третий - восемнадцати (2×З 2 = 18) и т. д. В курсе химии 8-9 классов мы будем рассматривать элементы только первых трёх периодов, поэтому с завершённым третьим энергетическим уровнем у атомов мы не встретимся.

Число электронов на внешнем энергетическом уровне электронной оболочки атома для химических элементов главных подгрупп равно номеру группы.

Теперь мы можем составить схемы строения электронных оболочек атомов, руководствуясь планом:

1. определим общее число электронов на оболочке по порядковому номеру элемента;
2. определим число заполняемых электронами энергетических уровней в электронной оболочке по номеру периода;
3. определим число электронов на каждом энергетическом уровне (на 1-м - не больше двух; на 2-м - не больше восьми, на внешнем уровне число электронов равно номеру группы - для элементов главных подгрупп).

Ядро атома водорода имеет заряд +1, т. е. содержит только один протон, соответственно только один электрон на единственном энергетическом уровне:

Это записывают с помощью электронной формулы следующим образом:

Следующий элемент 1-го периода гелий. Ядро атома гелия имеет заряд +2. У него на первом энергетическом уровне имеются уже два электрона:

На первом энергетическом уровне могут поместиться только два электрона и никак не больше - он полностью завершён. Потому-то 1-й период таблицы Д. И. Менделеева и состоит из двух элементов.

У атома лития, элемента 2-го периода, появляется ещё один энергетический уровень, на который и «отправится» третий электрон:

У атома бериллия на второй уровень «попадает» ещё один электрон:

Атом бора на внешнем уровне имеет три электрона, а атом углерода - четыре электрона... атом фтора - семь электронов, атом неона - восемь электронов:

Второй уровень может вместить только восемь электронов, и поэтому он завершён у неона.

У атома натрия, элемента 3-го периода, появляется третий энергетический уровень (обратите внимание - атом элемента 3-го периода содержит три энергетических уровня!), и на нём находится один электрон:

Обратите внимание: натрий - элемент I группы, на внешнем энергетическом уровне у него один электрон!

Очевидно, нетрудно будет записать строение энергетических уровней для атома серы, элемента VIA группы 3-го периода:

Завершает 3-й период аргон:

Атомы элементов 4-го периода конечно же имеют четвёртый уровень, на котором у атома калия находится один электрон, а у атома кальция - два электрона.

Теперь, когда мы познакомились с упрощёнными представлениями о строении атомов элементов 1-го и 2-го периодов Периодической системы Д. И. Менделеева, можно внести уточнения, приближающие нас к более верному взгляду на строение атома.

Начнём с аналогии. Подобно тому как быстро движущаяся игла швейной машинки, пронзая ткань, вышивает на ней узор, так и неизмеримо быстрее движущийся в пространстве вокруг атомного ядра электрон «вышивает», только не плоский, а объёмный рисунок электронного облака. Так как скорость движения электрона в сотни тысяч раз больше скорости движения швейной иглы, то говорят о вероятности нахождения электрона в том или ином месте пространства. Допустим, что нам удалось, как на спортивном фотофинише, установить положение электрона в каком-то месте около ядра и отметить это положение точкой. Если такой «фотофиниш» сделать сотни, тысячи раз, то получится модель электронного облака.

Иногда электронные облака называют орбиталями. Поступим так и мы. В зависимости от энергии электронные облака, или орбитали, отличаются размерами. Понятно, что чем меньше запас энергии электрона, тем сильнее притягивается он к ядру и тем меньше по размерам его орбиталь.

Электронные облака (орбитали) могут иметь разную форму. Каждый энергетический уровень в атоме начинается с s-орбитали, имеющей сферическую форму. На втором и последующих уровнях после одной s-орбитали появляются р-орбитали гантелеобразной формы (рис. 39). Таких орбиталей три. Любую орбиталь занимают не более двух электронов. Следовательно, на s-орбитали их может быть только два, а на трёх р-орбиталях - шесть.

Рис. 39.
Формы s- и р-орбиталей (электронных облаков)

Используя для обозначения уровня арабские цифры и обозначая орбитали буквами s и р, а число электронов данной орбитали арабской цифрой вверху справа над буквой, мы можем изобразить строение атомов более полными электронными формулами.

Запишем электронные формулы атомов 1-го и 2-го периодов:

Если элементы имеют сходные по строению внешние энергетические уровни, то и свойства этих элементов сходны. Например, аргон и неон содержат на внешнем уровне по восемь электронов, и потому они инертны, т. е. почти не вступают в химические реакции. В свободном виде аргон и неон - газы, молекулы которых одноатомны. Атомы лития, натрия и калия содержат на внешнем уровне по одному электрону и обладают сходными свойствами, поэтому они помещены в одну и ту же группу Периодической системы Д. И. Менделеева.

Сделаем обобщение: одинаковое строение внешних энергетических уровней периодически повторяется, поэтому периодически повторяются и свойства химических элементов. Эта закономерность отражена в названии Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Ключевые слова и словосочетания

1. Электроны в атомах располагаются на энергетических уровнях.
2. На первом энергетическом уровне могут находиться только два электрона, на втором - восемь. Такие уровни называют завершёнными.
3. Число заполняемых энергетических уровней равно номеру периода, в котором находится элемент.
4. Число электронов на внешнем уровне атома химического элемента равно номеру его группы (для элементов главных подгрупп).
5. Свойства химических элементов периодически повторяются, так как периодически повторяется строение внешних энергетических уровней у их атомов.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

Наиплотнейшая материя, то есть видимая Земля, показалась бы ему центром шара подобно желтку, являющемуся центром яйца. Вокруг этого ядра он наблюдал бы более тонкую материю, расположенную по отношению к центральной массе так же, как белок яйца расположен вокруг желтка. Предприняв более тщательное исследование, он обнаружил бы, что второй вид субстанции пронизывает твердую землю до самого центра подобно крови, просачивающейся сквозь твердые части нашей плоти. На внешней поверхности обоих смешивающихся слоев он нашел бы еще более тонкий слой, соответствующий скорлупе яйца за исключением того, что третий слой - самый тонкий из трех видов материи и пронизывает оба внутренних слоя.

Как уже было сказано, центральная масса, видимая духовным взором, есть наш внешний мир, состоящий из твердых тел, жидкостей и газов. Они образуют Землю, ее атмосферу, а также эфир, о котором наша физическая наука гипотетически говорит как о наполняющем атомную субстанцию всех химических элементов. Второй слой материи называется Миром Желаний, а слой самый дальний от центра называется Миром Мысли.

По недолгом размышлении над предметом становится ясно, что точно такую же градацию необходимо учитывать для рассмотрения фактов жизни, которые мы видим. Все окружающие нас в мире формы построены из химической субстанции: твердых тел, жидкостей и газов, но чтобы они могли двигаться, они подчиняются определенным отдельным импульсам, а если побуждающая энергия отсутствует, форма становится инертной. Паровая машина вращается благодаря толчкам невидимого газа, называемого паром. Пока пар не наполнит машинные цилиндры, она стоит, и когда побуждающая сила прекращает свое движение, она вновь останавливается. Динамо вращается под действием еще более тонкого влияния электрического тока, который может вызвать щелканье телеграфных тумблеров или заставит зазвенеть звонок; но динамо перестает вращаться и звонок замолкает, когда невидимое электричество отключается. Формы птицы, животного и человеческого существа также прекращают свое движение, когда внутренняя сила, которую мы называем жизнью, улетает своим невидимым путем.

Все формы побуждаются к движению желанием; птицы и животные странствуют по земле, желая найти пищу и пристанище или с целью размножения. Человек также побуждается своими желаниями, но вдобавок имеет и другие, более высокие стимулы, побуждающие к действию; среди них есть желание быстрого движения, которое привело его к созданию паровой машины и других устройств, которые движутся, подчиняясь его желанию.

Если бы в горах не было железа, человек не смог бы строить машин. Если бы в почве не было глины, было бы невозможно создать кости скелета, а если бы не было Физического Мира с его твердыми телами, жидкостями и газами, наши плотные тела никогда не пришли бы в существование. Рассуждая подобным образом, понимаешь, что если бы не было Мира Желания, состоящего из вещества желания , у нас бы не было способа формировать чувства, эмоции и желания. Планета, состоящая только из материалов, постигаемых нашим физическим глазом, без всяких иных субстанций, была бы домом растений, растущих бессознательно и лишенных желания, побуждающего их к движению. Человеческое же и животное царства на такой планете не смогли бы существовать.

Кроме того, в мире существует огромное число вещей, от простейших и наиболее грубых инструментов до самых замысловатых и искусных устройств, созданных руками человека. Они свидетельствуют о человеческой мысли и изобретательности. Мысль должна иметь источник, так же как форма и чувство. Мы видели, что для создания паровой машины или тела требуется необходимый материал, и пришли к выводу, что для того, чтобы получить материал для выражения желания, должен существовать мир, состоящий из вещества желания. Доводя свои доводы до логического вывода, мы приходим и к тому, что если Мир Мысли не будет содержать резервуара умственного вещества, которым можно было бы пользоваться, то у нас не было бы возможности думать и исследовать.

Таким образом становится ясно, что деление Планеты на миры объясняется не причудливой метафизической спекуляцией, а логически необходимо в экономике природы. Поэтому такое деление неизбежно должно рассматриваться тем, кто учится, и помогает пониманию внутренней природы вещей. Когда мы видим трамваи, движущиеся по улицам, нам ничего не говорит тот факт, что мотор приводится в движение электричеством в столько-то ампер и вольт. Такие слова только запутывают до тех пор, пока мы основательно не изучим науку электричества; а затем мы обнаружим, что тайна углубляется, так как если трамваи относятся к миру инертных форм, которые мы видим, то электрический ток, который их двигает, присущ области силы, невидимому Миру Желаний, а мысль, которая создает и руководит этим миром, приходит из еще более тонкого Мира Мысли, который является домом человеческого Духа, Эго.

Можно возразить, что такие доводы делают простой предмет чрезвычайно запутанным, но стоит немного поразмышлять, и мы поймем ошибочность данного утверждения. Смотря поверхностно на любую науку, приходишь к выводу, что она чрезвычайно проста: анатомически мы можем разделить тело на плоть и кости, химически мы можем провести простое деление на твердые тела, жидкости и газы, но для того, чтобы основательно овладеть наукой анатомией, необходимо провести годы в тщательном изучении всех малых нервов, суставов, сочленяющих различные части костной структуры, изучать различные виды тканей и их расположение в нашей системе, где они образуют кости, мускулы, железы, и т. д., которые в совокупности составляют человеческое тело. Соответственно для того, чтобы понять науку химию, мы должны изучать валентность атома, которая определяется способностью вступать в связь с различными элементами, вместе с прочими тонкостями, такими как атомный вес, плотность и т. д. Наиболее опытные химики постоянно совершают чудеса благодаря тому, что хорошо поняли необъятность избранной ими науки.

Молодой юрист, недавно закончивший институт, полагает, что знает о сложнейших делах намного больше, чем судьи Верховного Суда, которые провели долгие часы, недели и месяцы, серьезно обдумывая свои решения. Но те, кто, не учась, думают, что понимают величайшую из всех наук, науку Жизни и Бытия, и могут вести публичные о ней беседы, совершают б"ольшую ошибку. По прошествии многих лет терпеливого изучения, святой жизни, проведенной в тщательном исследовании, человек неоднократно попадает в тупик от необъятности изучаемого предмета. Он обнаруживает, что последний настолько раздвигается при исследовании как большого, так и малого, что не поддается описанию, что недостаточно слов и язык должен онеметь. Поэтому мы утверждаем (и утверждение наше основано на знании, добытом годами скрупулезного изучения и исследования), что тонкие нюансы, которые мы привели и будем приводить, вовсе не своевольны, а абсолютно необходимы, как и деления и различия, проводимые в анатомии или химии.

Ни одна форма в физическом мире не обладает чувствами в истинном смысле этого слова. Чувствует именно обитающая в ней жизнь, как можно видеть из того факта, что тело, которое откликается на малейшее прикосновение, когда преисполнено жизнью, остается нечувствительным даже тогда, когда его режут на куски, после того как его покинула жизнь. Учеными, в частности профессором Бозе из Калькутты, было продемонстрировано, что ткань умершего животного и даже олово и другие металлы чувствительны, но мы утверждаем, что диаграммы, которые, похоже, подкрепляют его выводы, в действительности демонстрируют только отклик на толчок, подобный отскоку резинового мяча, и что их не надо путать с такими чувствами, как любовь, ненависть, симпатия и неприязнь. Гёте в романе "Избирательное сродство" (Wahlverwandtschaft) также приводит несколько прекрасных иллюстраций, в которых дает пример кажущейся любви и ненависти атомов, основанный на том, что некоторые элементы соединяются легко, в то время как другие субстанции отказываются вступать в связь, - каковое явление вызывается различной скоростью вибрации элементов и разным наклоном их осей. Только там, где есть чувствующая жизнь, могут существовать чувства удовольствия и боли, страдания или радости.

Эфирный слой

Вдобавок к твердым телам, жидкостям и газам, составляющим Химический Слой Физического Мира, существует более тонкая градация материи, называемая эфиром, которая - согласно науке - наполняет атомную структуру земли и ее атмосферу. Ученые никогда не видели этой субстанции, не взвешивали, не измеряли и не анализировали ее, но они приходят к выводу, что она должна существовать, чтобы отвечать за передачу света и различные другие явления. Если бы нам было возможно жить в комнате с выкачанным воздухом, то как бы громко мы ни говорили, как бы громко ни звонили в самый большой колокол, и если бы даже выстрелили из пушки у самого уха, мы бы не услышали звука, так как воздух является посредником, передающим звуковые вибрации барабанной перепонке нашего уха. Но если бы горел электрический свет, мы бы сразу заметили его лучи, так как он освещал бы комнату, несмотря на отсутствие воздуха. Следовательно, в комнате должна находится субстанция, способная переносить вибрацию электрического света к нашему глазу. Этого посредника ученые называют эфиром, но он столь тонок, что не разработано инструмента, посредством которого он может быть измерен или проанализирован, поэтому у ученых нет информации об эфире, хотя они и постулировали его существование.

Мы не стремимся преуменьшить достижений современных ученых. Мы ими глубоко восхищаемся и ожидаем от них новых открытий, но мы осознаем, что все открытия прошлого были сделаны благодаря искусному применению прекрасных инструментов для решения казалось бы неразрешимых и трудных проблем. Сила науки по праву объясняется инструментами, и ученый может сказать: "Возьми стекла, обработанные определенным образом, вставь их в трубу, направь трубу на определенную точку в небе, где пока ничего не видно невооруженным глазом. И ты увидишь прекрасную звезду под названием Уран". Если последовать этим указаниям, можно быстро и без подготовки убедиться в истинности утверждения ученого. Но если инструменты науки являются бастионом ее силы, то они же отмечают и границу, на которой заканчивается область исследования, потому что с духовным миром невозможно контактировать при помощи физических инструментов; поэтому исследования оккультистов начинаются там, где физический ученый подходит к своему пределу, и осуществляются они духовными способами.

Такие исследования так же доскональны и так же различны, как и исследования материалистических ученых, но их не так легко продемонстрировать широкой публике. Духовные способности дремлют в каждом человеческом существе, и когда они пробуждаются, то заменяют и телескоп, и микроскоп. Они позволяют тем, кто ими обладает, исследовать предметы, находящиеся за завесой материи, но развиваются они только благодаря терпеливому применению и многолетней безупречности, и мало тех, у кого хватает веры, чтобы встать на путь достижения, или настойчивости, чтобы пройти через суровые испытания. Поэтому утверждения оккультистов не имеют широкого признания.

Нетрудно увидеть, что достижению должно предшествовать длительное испытание, так как человек, оснащенный духовным зрением, способен проникать сквозь стены домов так же легко, как мы передвигаемся в атмосфере, способен читать самые сокровенные мысли тех, кто его окружает, и если он не побуждается чистыми и бескорыстными мотивами, то принесет большое бедствие человечеству. Поэтому такие способности охраняются подобно тому, как мы охраняем динамитную бомбу от анархиста или от невежественного человека, пусть и исполненного благими намерениями, или прячем спички и порох от детей.

В руках опытного инженера динамитная бомба может быть использована при прокладке скоростной трассы, а разумный фермер может использовать черный порох для очищения поля от пней, но в руках злонамеренного преступника или невежественного ребенка взрывчатое вещество может принести большие разрушения и оборвать многие жизни. Сила одна и та же, но используя ее по-разному, в соответствии со способностями или намерениями пользователя, можно вызвать диаметрально противоположные результаты. Так же обстоит дело и с духовными способностями. Они на время заперты под замок, как заперт банковский сейф; к ним нет доступа никому, пока люди их не заслужат и не подойдет время для их использования.

Как уже упоминалось, эфир является физической материей и подчиняется тем же законам, что управляют и другими физическими субстанциями на этом плане существования. Поэтому достаточно незначительного расширения физического зрения для того, чтобы видеть эфиры (их четыре степени плотности); голубая дымка, видимая в горных каньонах, является в действительности эфиром, известным оккультным исследователям как химический эфир. Многие, видящие этот эфир, неосведомлены о том, что они обладают способностью, которая есть не у всех, а другие, развившие духовное зрение, не наделены эфирным видением - каковой факт кажется ненормальным до тех пор, пока предмет ясновидения не понят в совершенстве.

Причина заключается в том, что, поскольку эфир есть физическая материя, эфирное зрение зависит от чувствительности оптического нерва, тогда как духовное зрение приобретается развитием скрытых вибрационных способностей двух маленьких органов, находящихся в мозге: гипофиза и шишковидной железы. Даже близорукие люди могут обладать эфирным зрением. Хотя они не способны читать печатную книгу, они могут "видеть сквозь стены" благодаря тому, что их оптический нерв быстрей откликается на тонкие вибрации, чем на грубые.

Когда кто-то смотрит на объект эфирным зрением, он видит через этот объект подобно тому, как рентгеновские лучи проникают через светонепроницаемую субстанцию. Если он посмотрит на швейную машину, то сперва увидит внешнюю, ближнюю к нему часть, затем внутреннее устройство, наконец, самую дальнюю часть.

Если он развил духовное видение до такой степени, что ему открылся Мир Желаний, и взглянет на тот же предмет, он увидит его как внутри, так и снаружи. Если он вглядится пристальней, то заметит каждый атом, вращающийся вокруг своей оси, и ни одна часть или частица не ускользнет от его взгляда.

Но если его духовное зрение развито до такой степени, что он способен видеть швейную машину зрением, присущим Миру Мысли, он заметит полость там, где раньше видел форму.

Предметы, видимые эфирным зрением, очень сходны по своему цвету. Они красновато-голубые, пурпурные или фиолетовые в соответствии с плотностью эфира, но когда мы видим предмет духовным зрением, свойственным Миру Желаний, он сверкает и блестит тысячами изменчивых цветов столь неописуемой красоты, что их можно сравнить только с жизненным огнем. Поэтому автор называет данную степень видения цветовым зрением; когда же посредником восприятия является духовное зрение Мира Мысли, видящий, кроме еще более прекрасных цветов, обнаруживает постоянный поток определенного гармонического тона, исходящий из упомянутой полости. Таким образом мир, в котором мы сейчас сознательно живем и который постигаем посредством наших физических чувств, является преимущественно миром формы, Мир Желаний - главным образом миром цвета, а Мир Мысли - сферой тона.

В зависимости от степени отдаленности этих миров, статуя, например, будучи формой, выдерживает разрушение времени в течение тысячелетий, но краски на картине блекнут гораздо раньше, так как они приходят из Мира Желаний; музыка же, присущая наиболее удаленному от нас миру - Миру Мысли, похожа на нечто неуловимое, чего нельзя ни поймать, ни удержать, она пропадает сразу после своего звучания. Но цвета и музыка компенсируют такую мимолетность.

Статуя холодна и безжизненна как минерал, из которого она состоит, и пленяет немногих, хотя ее форма реально ощутима.

Формы на картине иллюзорны, но тем не менее они выражают жизнь по причине цветов, которые доходят до нас из области, где нет ничего инертного и безжизненного. Поэтому картина захватывает многих.

Музыка неосязаема и эфемерна, но она доносится из мира Духа, и хотя она мимолетна, она признается Духом как душевная речь, струящаяся из небесных сфер, эхо нашего дома, откуда мы были изгнаны. Поэтому она затрагивает струну в нашем существе независимо от того, сознаем ли мы истинную причину или нет.

Таким образом мы видим, что существуют различные степени духовного видения, соответствующие той сверхфизической сфере, которую они открывают нашему восприятию: эфирное зрение, цветное зрение и тональное зрение.

Оккультный исследователь обнаруживает, что эфир бывает четырех родов, или степеней плотности: Химический Эфир, Жизненный Эфир, Световой Эфир и Отражающий Эфир.

Химический Эфир есть средство выражения сил, обеспечивающих усвоение, рост и поддержание формы.

Жизненный Эфир является полем действия сил, работающих над воспроизведением или построением новых форм.

Световой Эфир передает мотивирующее могущество Солнца по различным нервам живых тел и делает возможным движение.

Отражающий Эфир принимает впечатления от всего, что существует, живет и движется. Он также записывает каждое изменение подобно пленке в кинокамере. По этим записям медиумы и психометристы могут читать прошлое по тому же принципу, по какому кинокадры при соответствующих условиях воспроизводятся вновь и вновь.

Мы говорим об эфире как об арене действия сил, - каковое слово не имеет смысла для среднего ума, потому что сила невидима. Но для оккультного исследователя силы - не просто названия, такие как пар, электричество и т. д. Он находит, что они являются разумными существами различных степеней, как до-, так и сверхчеловеческими. Так называемые "законы природы" являются Великими Разумными Существами, которые руководят более элементальными существами в соответствии с определенными правилами, разработанными для продвижения их эволюции.

В средние века, когда много людей были еще наделены остаточным негативным ясновидением, говорили о гномах, эльфах и феях, бродящих по горам и лесам. То были земные духи. Говорили также об ундинах, или водных духах, обитающих в реках и ручьях, о сильфах, которые, как считалось, парили над рвами и вересковыми пустошами как воздушные духи. Но меньше говорилось о саламандрах, так как они являются огненными духами, поэтому их не так легко обнаружить и они не так доступны большинству людей.

Древние сказания сейчас считаются суевериями, но на самом деле тот, кто обладает эфирным зрением, может увидеть маленьких гномов, встраивающих зеленый хлорофилл в листья растений и придающих цветам множество нежных оттенков, которые нас восхищают.

Ученые вновь и вновь пытаются предложить адекватное объяснение явлению ветра и шторма, но они терпят неудачу и не могут достичь успеха, потому что стремятся дать механическое объяснение того, что в действительности является манифестацией жизни. Увидь они воинство сильфов, летающих туда-сюда, они узнали бы, кто и что ответственно за переменчивость ветра; понаблюдай они за морским штормом с эфирной точки зрения, они могли бы постичь, что "война элементов" - не пустая фраза, потому что вздымающееся море является поистине ратным полем сильфов и ундин, а завывающая буря - это воинственный крик духов в воздухе.

Саламандр также можно найти повсюду, и нет огня, который не горел бы без их помощи. Однако они активны главным образом под землей, будучи ответственны за взрывы и вулканические извержения.

Классы существ, которые мы упомянули, являются дочеловеческими, но все со временем достигнут стадии эволюции, соответствующей человеческой, хотя и при обстоятельствах, отличающихся от тех, в которых эволюционируем мы. Но в нынешнее время прекрасные Разумные Существа, о которых мы говорим как о законах природы, ведут армии менее развитых упомянутых существ.

Для лучшего понимания того, чем эти существа являются и какова их связь с нами, можно привести следующую иллюстрацию. Предположим, механик собирает машину, а тем временем за ним наблюдает собака. Она видит человека за работой, как он использует различные инструменты, чтобы придать определенную форму материалам, и как из грубого железа, стали, латуни и прочих металлов машина медленно принимает очертания. Собака - это существо низшей эволюции и не осознает цели механика, но она видит рабочего, его работу и результат, который проявляется в машине.

Теперь предположим, что собака, которая могла видеть материалы, медленно меняющие свои очертания, собирающиеся вместе и становящиеся машиной, не могла видеть рабочего и работу, которую он выполнял. Собака находилась бы по отношению к механику в том же положении, в каком находимся и мы по отношению к великим Мыслящим Существам, которые мы называем законами природы, и к их помощникам, природным духам, потому что замечаем проявления их работы как силу, двигающую материю различными способами, но всегда при неизменных условиях.

В эфире мы также можем наблюдать Ангелов, чье наиплотнейшее тело состоит из этого материала, как наше тело образовано из газов, жидкостей и твердых тел. Эти Существа находятся на шаг впереди человеческой стадии, так же как мы на ступень опережаем животную эволюцию. Однако мы никогда не были животными, подобным животным нашей фауны, но на предыдущей стадии развития планеты у нас была животноподобная конституция. Ангелы были людьми, хотя они никогда не обладали таким плотным телом, как у нас, и никогда не функционировали в материале более плотном, чем эфир. Когда-нибудь в будущем земля вновь станет эфирной. Тогда человек будет подобен Ангелам. Поэтому Библия говорит нам, что человек не много унижен пред Ангелами (Евр, 2:7).

Поскольку эфир является ареной действия жизненных созидающих сил и Ангелы являются опытными строителями эфира, легко понять, что они наиболее пригодны для обеспечения сил воспроизведения в растении, животном и человеке. Их, занятых сим делом, мы встречаем во всей Библии: два Ангела пришли к Аврааму и провозгласили рождение Исаака, они обещали сына человеку, который послушен Богу. Позже те же Ангелы разрушили Содом из-за злоупотребления созидающей силой. Ангелы предсказали рождение Самуила и Самсона родителям этих гигантов мозга и мускулов. К Елизавете пришел Ангел (не Архангел) Гавриил и провозгласил рождение Иоанна; позже он явился и Марии с посланием, что она избрана родить Иисуса.

Реферат

по предмету «Основы общей химии»

Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы

Введение

1. Особенности атмосферы Земли

2. Основные понятия

3. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере

4. Фотохимические реакции с участием метана

5. Фотохимические процессы оксидов азота

Заключение

Список литературы

Введение

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологические процессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода (II), образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.

Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

1. Особенности атмосферы Земли

В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2 S. Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичное вещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глаз и токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.

Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении кванта видимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергией химических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение – либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.

2. Основные понятия

Атмосфера – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

Верхние слои атмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу, термосферу и ионосферу.

Мезосфера – слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном.

В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.

Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.

Ионосфера – верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.

Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаются фотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействием светового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в 1-й трети XX в. Первые фотохимические закономерности были установлены в XIX в. Основным закон фотохимии стал закон квантовой эквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера (1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой.

Важнейшим параметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, который определяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённых квантов:

γ = число фотохимических превращений/число поглощённых квантов

В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.

Типы фотохимических реакций:

1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетона CH3(CO)CH3 → CO + другие продукты.

2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:

Фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация: O2 -O+O; фотосинтез: O2 +O-O3

Фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:

6CO2 + 6H2 O - C6 H12 O6 + 6O2 ,

который идет только под действием световой энергии и в присутствии хлорофилла.

3. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере

Наиболее типичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциация молекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённые молекулы

O2 *: O2 + hν - O2* ,

диссоциируют на атомы: O2* - O + O. Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2 - O3. Образование озона проходит по обратимой реакции: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3 .

Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0о С) самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.

Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечной радиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слоя озона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя - озоносферы - на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновый слой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.

4. Фотохимические реакции с участием метана

Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.

Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.

Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:

ОН + СН4 = Н2 О + СН3

Радикал ОН - одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Под действием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):

О3 + hν = О2 + О*

Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:

О* + Н2 О = 2ОН

Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:

ОН + СН4 = Н2 О + СН3 ,

CH3 + O2 = CH3 O2 ,

CH3 O2 + NO = CH3 O + NO2 ,

CH3 O + O2 = CH2 O + HO2 ,

НО2 + NO = OH + NО2 ,

CH4 + 4O2 = CH2 O + H2 O + 2O3

Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:

CH2 O + hν = H2 + CO,

СН2 O + hν = Н + НСO,

CH2 O + OH = HCO + H2 O

Вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидов азота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:

CH2 O + OH = HCO + H2 O,

CH2 O + 2O2 + hν = CO + O3 + H2 O

Таким образом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшого количества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.

5. Фотохимические процессы оксидов азота

NO и NO2 всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Земле является результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результат сгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.

Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:

O + NO2 - NO + O2

NO + O3 - NO2 + O2

Исследования последних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота в атмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2 O в атмосфере около 180 лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют пути естественного стока N2 O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:

N2 O + O - N2 + O2 ,

Итак, оксид азота - важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество является и мощным внутренним биорегулятором.

Заключение

Таким образом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержании постоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами в нижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфере они составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, является основой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живых организмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода под действием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектр достигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекая коротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живые организмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя с кислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон. В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. При высокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие на центральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного света диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращает кислород О2 опять же в озон О3 .

Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1 10–5 % (по объему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальная концентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его роль сложно переоценить.

Список литературы

1) Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.

2) Бажин Н.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.

3) Прокофьева И.. Атмосферный озон, М.-Л., 1951

4) Зеленин К.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10.

5) Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.

6) Уэйн Р. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991