Контрольная работа по предмету "Концепции современного естествознания"

Молекула как  система атомов. Взаимодействие между  атомами

 

Молекула – это наименьшая частица  данного вещества, обладающая его  химическими свойствами. Свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Каждая молекула состоит из атомов. Атом – наименьшая частица химического  элемента, входящая в состав молекул  простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атомов. Число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений атомов (порядка миллиона). Число атомов равно числу химических элементов (116)

Атомы разных наименований веществ  различаются атомной массой. При  обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединяться, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные – молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молекулы при любой химической реакции изменяются.

Согласно современным представлениям, атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного  атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

 Молекулы, находясь в непрерывном  движении, сталкиваются друг с другом электронными оболочками. Так как электронные оболочки молекул отталкиваются, то они при столкновении отскакивают. Если соударения сильные, то может высвободиться достаточное количество энергии для перегруппировки электронов в столкнувшихся молекулах. При этом происходит формирование нового набора связей между атомов, т.е. образование новых соединений. Так, согласно атомно-молекулярного учения, происходят химические реакции.

Химическая  связь

Химическая связь – это взаимодействие, которое связывает отдельные  атомы в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы.

Основным условием образования  химической связи является понижением полной энергии многоатомной системы  по сравнению с энергией изолированных  атомов, т.е. ЕАВ<ЕА+ЕВ в случае образования  вещества АВ из А и В. Более точно химическую связь можно определить как взаимодействие атомов, обусловленное перекрыванием их электронных облаков, и сопровождается уменьшением полной энергии системы.

Основными параметрами химической связи является её длина, прочность  и валентные углы, характеризующие строение веществ, которые образованы из отдельных атомов.

Длина связи – это межъядерное  расстояние между химическими связанными атомами.

Угол между воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически  связанных атомов, называется валентным углом. Энергия связи – энергия, необходимая для разрыва такой связи.

 

Энергия химической связи

Согласно принципу наименьшей энергии, внутренняя энергия молекулы по сравнению с суммой внутренних энергий образующих ее атомов должна понижаться. Внутренняя энергия молекулы включает сумму энергий взаимодействия каждого электрона с каждым ядром, каждого электрона с каждым другим электроном, каждого ядра с каждым другим ядром. Притяжение должно превалировать над отталкиванием.

Важнейшей характеристикой связи является энергия, определяющая ее прочность. Мерой прочности связи может служить как количество энергии, затрачиваемой на ее разрыв (энергия диссоциации связи), так и величина, которая при суммировании по всем связям дает энергию образования молекулы из элементарных атомов. Энергия разрыва связи всегда положительна. Энергия образования связи по величине та же, но имеет отрицательный знак.

Для двухатомной молекулы энергия связи численно равна  энергии диссоциации молекулы на атомы и энергии образования молекулы из атомов. Например, энергия связи в молекуле НВr равна количеству энергии, выделяющейся в процессе Н + Вr = НВr. Очевидно, что энергия связи НВr больше количества энергии, выделяющейся при образовании НВr из газообразного молекулярного водорода и жидкого брома:

1/2Н2 (г.) + 1/2Вr2 (ж.) = НBr (г.),

на величину энергии  испарения 1/2 моль Вr2 и на величины энергий  разложения 1/2 моль Н2 и 1/2 моль Вr2 на свободные  атомы.

Какие электроны  участвуют в образовании химической связи

В химии свойства изолированных атомов, как правило, не изучаются, так как почти все атомы, входя в состав различных веществ, образуют химические связи. Химические связи образуются при взаимодействии электронных оболочек атомов. У всех атомов (кроме водорода) в образовании химических связей принимают участие не все электроны: у бора – три электрона из пяти, у углерода – четыре из шести, а, например, у бария – два из пятидесяти шести. Эти "активные"электроны называются валентными электронами.

Валентные электроны  – электроны, которые могут принимать участие в образовании атомом химических связей.

Иногда валентные электроны  путают с внешними электронами, а  это не одно и то же.

Внешние электроны –  электроны внешнего электронного слоя.

Электронные облака внешних  электронов имеют максимальный радиус (и максимальное значение главного квантового числа). 

Именно внешние электроны  принимают участие в образовании  связи в первую очередь, хотя бы потому, что при сближении атомов электронные  облака, образованные этими электронами, приходят в соприкосновение, прежде всего. Но вместе с ними участие в образовании связи может принимать и часть электронов предвнешнего (предпоследнего) слоя, но только в том случае, если они обладают энергией, не сильно отличающейся от энергии внешних электронов. И те и другие электроны атома являются валентными. (У лантаноидов и актиноидов валентными являются даже некоторые "предвнешние" электроны) 
Энергия валентных электронов намного больше, чем энергия других электронов атома, а друг от друга валентные электроны по энергии отличаются существенно меньше.  
Внешние электроны – всегда валентные только в том случае, если атом вообще может образовывать химические связи. Так, оба электрона атома гелия – внешние, но назвать их валентными нельзя, так как атом гелия вообще никаких химических связей не образует. 
Валентные электроны занимают валентные орбитали, которые в свою очередь образуют валентные подуровни.

 

Типы химической связи,  краткое пояснение их сущности , примеры

Химическая связь, осуществляемая за счет образования общих (связывающих) электронных пар, называется ковалентной.1) Разберем пример образования химической связи между атомами с одинаковой электроотрицательностью, например, молекулы водорода Н2 Образование химической связи в молекуле водорода можно представить в виде двух точек: Н- + -Н -> Н : Н или черточкой, которая символизирует пару электронов: H-H Ковалентная связь, образованная атомами с одинаковой электроотрицательностью называется неполярной. Такую связь образуют двухатомные молекулы, состоящие из атомов одного химического элемента: H 2 , Cl 2 и др.2) Образование ковалентной связи между атомами, электроотрицательность которых различается незначительно. Ковалентная связь, образованная атомами с различной электроотрицательностью, называется полярной. При ковалентной полярной связи электронная плотность от общей пары электронов смещена к атому с большей электроотрицательностью. Примерами могут служить молекулы Н2О, NH3, H2S, CH3Cl. Ковалентная (полярная и неполярная) связь в наших примерах образовалась за счет неспаренных электронов связывающихся атомов. Такой механизм образования ковалентной связи называется обменным. Другой механизм образования ковалентной связи — донорно-акцепторный. В этом случае связь возникает за счет двух спаренных электронов одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептор). Хорошо известный пример — образование иона аммония: Н++:NH 3 -> [ Н : NH3 | + <=====> NH4+ акцептор донор ион аммония электронов. При образовании иона аммония электронная пара азота становится общей для атомов N и Н, то есть возникает четвертая связь, которая не отличается от остальных трех. Их изображают одинаково:

Н+

 

H-N-H

  Н

 

 

Ионная связь возникает  между атомами, электроотрицательность которых резко различается Рассмотрим способ образования на примере хлорида натрия NaCl. Электронную конфигурацию атомов натрия и хлора можно представить: 11 Na ls2 2s2 2p 6 3s1; 17 Cl ls2 2p 6 Зs2 3р5 Как это атомы с незавершенными энергетическими уровнями. Очевидно, для их завершения атому натрия легче отдать один электрон, чем присоединить семь, а атому хлора легче присоединить один электрон, чем отдать семь. При химическом взаимодействии атом натрия полностью отдает один электрон, а атом хлора принимает его. Схематично это можно записать так: Na. — l е —> Na+ ион натрия, устойчивая восьмиэлектронная 1s2 2s2 2p6 оболочка за счет второго энергетического уровня. :Cl + 1е --> .Cl - ион хлора, устойчивая восьмиэлектронная оболочка. Между ионами Na+ и Cl- возникают силы электростатического притяжения, в результате чего образуется соединение.

 

Химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения между ионами, называется ионной связью. Соединения, образованные путем притяжения ионов называются ионными. Ионные соединения состоят из отдельных молекул только в парообразном состоянии. В твердом (кристаллическом) состоянии ионные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. Молекулы в этом случае отсутствуют. Ионные соединения образуют резко различные по величине электроотрицательности элементы главных подгрупп I и II групп и главных подгрупп VI и VII групп. Ионных соединений сравнительно немного. Например, неорганические соли: NH4Cl (ион аммония NH4 + и ион хлора Cl-), а также солеобразные органические соединения: алкоголяты соли карбоновых кислот, соли аминов Неполярная ковалентная связь и ионная связь — два предельных случая распределения электронной плотности. Неполярной связи отвечает равномерное распределение связующего двух электронного облака между одинаковыми атомами. Наоборот, при ионной связи связующие электронное облако практически полностью принадлежит одному из атомов. В большинстве же соединений химические связи оказывают промежуточными между этими видами связи, то есть в них осуществляется полярная ковалентная связь.

 

Металлическая связь существует в металлах, в твердом, в жидком состоянии. В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов (1-3 электрона) и низкую энергию ионизации (отрыва электрона). Поэтому валентные электроны слабо удерживаются в атоме, легко отрываются и имеют возможность перемещаться по всему кристаллу. В узлах кристаллической решетки металлов находятся свободные атомы, положительно заряженные коны, а часть валентных электронов, свободно перемещаясь в объеме кристаллической решетки, образует «электронный газ», обеспечивающий связь между атомами металла. Связь, которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металлов в кристаллической решетке, называется металлической связью. Металлическая связь возникает за счет обобществления атомами валентных электронов. Однако между этими видами связи есть существенное различие. Электроны, осуществляющие ковалентную связь, в основном пребывают в непосредственной близости от двух соединенных атомов. В случае металлической связи электроны, осуществляющие связь, перемещаются по всему куску металла. Этим определяются общие признаки металлов: металлический блеск, хорошая проводимость теплоты и электричества, ковкость, пластичность и т. д. Общим химическим свойством металлов является их относительно высокая восстановительная способность.

№146

Механизмы эволюции (адаптационные  и катастрофические), в чем их сущность.

Законы эволюции (закон дивергенции, принцип гомеостаза, закон необратимости и процесс автоматизации онтогенеза).

 Механизмы эволюции (адаптационные и катастрофические), в чем их сущность.

Адаптационные механизмы

 
Адаптация означает приспособление организмов к окружающей среде. 
 
Адаптационный механизм эволюции — это логическая цепочка, которая приспосабливает данную систему (или организм) к окружающей среде. Конечно же, сюда входят дарвиновские механизмы естественного отбора. Подобные же механизмы действуют и в физических и в химических процессах, используются в технике и общественном строе. 
 
Основная особенность адаптационных механизмов — это то, что они позволяют нам в принципе предвидеть результаты действия механизма, т.е. развитие событий, а значит, прогнозировать эти события. Это происходит потому, что адаптация, т.е. самонастройка, обеспечивает развивающейся системе определенную стабильность в данных конкретных условиях внешней среды. Это значит, что, изучая особенности среды, мы можем представить, предвидеть тенденцию в изменении параметров системы, которые будут происходить под действием этих механизмов. Этим пользуются селекционеры, формируя отбор должным образом. В физике и технике используются механизмы обратной связи, о которых мы будем говорить позднее. 
 
Свойства адаптационных механизмов эволюции: 
 
1. Никакие внешние и внутренние возмущения не способны вывести систему за пределы того обозримого коридора, того канала эволюции, который заготовила природа для развития этой системы. 
 
2. Под действием механизмов адаптационного типа границы этого коридора очерчены объективными законами нашего мира, более или менее близки друг к другу и достаточно обозримы в перспективе. 
 
3. Путь развития в этом случае предсказуем с достаточной степенью точности. 
Катастрофические, или пороговые, механизмы эволюции

 
Катастрофические, или пороговые, механизмы эволюции имеют совершенно другую природу, но для них тоже дарвиновская триада полностью сохраняет свой смысл. Суть этих механизмов: существует некоторое критическое значение внешнего воздействия (эффект «последней капли»), выше которого прежняя форма уже существовать не может. Старая организация системы разрушается, т.е. физическая система обладает пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов, к изменению организации. Причем переход системы в новое состояние в этой пороговой ситуации не однозначен, так же, как неоднозначен и характер ее новой организации. То есть существует целое множество возможных структур, в рамках которых будет развиваться система. И предсказать заранее, какая из структур реализуется, нельзя. Предсказать нельзя в принципе, так как это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий внешней среды, которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять отбор. 
 
Главная особенность рассматриваемого типа механизмов — это неопределенность будущего, которая является следствием того, что будущее состояние системы при переходе ее характеристик через пороговое состояние определяется, прежде всего, случайностью, а она присутствует везде. Система как бы забывает свое прошлое. В этой точке как бы происходит разветвление путей эволюции, и предсказать, по какой ветви пойдет развитие дальше, нельзя. Обратного хода эволюции уже нет (разбитая чашка, даже склеенная, есть разбитая чашка). Пороговые механизмы свойственны не только неживой природе, но и процессам, протекающим в мире живой природы и общества. 
 
Учеными, например, установлено, что на Земле более или менее регулярно происходит повышение солнечной активности (существует 11-летний цикл солнечной активности), в результате которого резко меняются условия жизни на Земле, появляются мутанты. Повышение фоновой радиации после Чернобыльской катастрофы также привело к резкому возрастанию числа мутантов. Повышение солнечной активности стимулировало быстрое вымирание старых видов растений и животных и появление новых. Поэтому катастрофические состояния биосферы — столь же естественные элементы эволюционного процесса, как и адаптация, и внутривидовая борьба.