Плазменное состояние вещества

Кроме перечисленных выше трех состоянии вещество может на­ходиться в четвертом агрегатном состоянии – плазменном, кото­рое открыто сравнительно недавно. Состояние плазмы возникает в том случае, если на вещество в газообразном состоянии дейст­вуют такие сильные ионизирующие факторы, как сверхвысокие температуры (в несколько миллионов градусов), мощные электри­ческие разряды или электромагнит-ные излучения. При этом про­исходит разрушение молекул и атомов вещества и превращение его в смесь, состоящую из положительно заряженных ядер и элект­ронов, движущихся с колоссальными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электронно-ядерным газом.

Различают два вида плазмы: изотермическую и газоразряд­ную.

Изотермическая плазма получается при высоких температурах, под влиянием которых имеет место термическая диссоциация ато­мов вещества, и может существовать неограниченно долго. Такой вид плазмы представляет собой вещество звезд, а также шаровых молний. Ионосфера Земли – это также особая разновидность плаз­мы; однако в данном случае ионизация происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца.

Изотермическая плазма играет исключительно важную роль в космических процессах. Три других агрегатных состояния вещест­ва в космическом пространстве являются исключением.

Газоразрядная плазма образуется при электрическом разряде и поэтому устойчива только при наличии электрического поля. Как только прекращается действие внешнего поля, газоразрядная плаз­ма вследствие образования нейтральных атомов из ионов и элект­ронов исчезает в течение 10^–5-10^–4 с.

Одним из замечательных свойств плазмы является ее высокая электрическая проводимость. Чем выше температура плазмы, тем выше ее проводимость. В силу этого через плазму можно пропу­скать токи в сотни тысяч и миллионы ампер.

При пропускании через плазму таких токов можно поднять ее температуру до десятков и даже сотен миллионов градусов, а дав­ление – до десятка гигапаскалей. Подобные условия, как известно, близки к проведению термоядерных реакций синтеза , при которых можно получать колоссальные количества энергии.

Как известно, энергия выделяется не только при делении ядер, но и при их синтезе, т. е. при слиянии более легких ядер в более тяжелые. Задача в этом случае состоит в том, чтобы, преодолев электрическое отталкивание, сблизить легкие ядра на достаточно малые расстояния, где между ними начинают действовать ядерные силы притяжения. Так, например, если бы можно было заставить два протона и два нейтрона объединиться в ядро атома гелия, то при этом выделилась бы огромная энергия. С помощью нагрева до высоких температур в результате обычных столкновений ядра мо­гут сблизиться на столь малые расстояния, что ядерные силы всту­пят в действие и произойдет синтез. Начавшись, процесс синтеза, как показывают расчеты, может дать такое количество теплоты, которое нужно для поддержания высокой температуры, необходи­мой для дальнейших слияний ядер, т.е. процесс будет идти непре­рывно. При этом получается такой мощный источник тепловой энергии, что ее количество можно контролировать только количе­ством необходимого материала. В этом и состоит сущность прове­дения управляемой термоядерной реакции синтеза.

При прохождении через плазму электрический ток создает сильное магнитное поле, которое сжимает поток электронов и ио­нов в плазменный шнур. Этим достигается тепловая изоляция плазмы от стенок сосуда. С увеличением силы тока электромагнит­ное сжатие плазмы проявляется сильнее. В этом заключается сущ­ность так называемого пинч-эффекта. Как показали исследования, пинч-эффект и, силы, создаваемые внешними магнитными полями, меняющимися по определенному закону, можно с успехом исполь­зовать для удержания плазмы в «магнитной бутылке», где проис­ходит реакция синтеза.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Общие положения учения о химической связи. Ковалентная связь

 

Понятие о химической связи является одним из основополагающих в современной науке. Без знания природы взаимодействия атомов невозможно понять механизм образования химических соединений, их состав и реакционную способность, и тем более, прогнозировать свойства новых материалов.

Самые первые и не вполне четкие представления о химической связи ввел Кекуле в 1857 г. Он указывал, что число атомов, связанных с атомом другого элемента, зависит от основности составных частей.

Впервые собственно термин «химическая связь» был введен А.М. Бутлеровым в 1863 г. В создании учения о химической связи большую роль сыграла его теория химического строения, предложенная в 1861 г. Однако, сформулировав основные положения теории, Бутлеров тогда еще не употреблял термина «химическая связь». Положения его учения таковы:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентнос-тью.

3. Свойства веществ зависят не только от состава, но и от их «химического строения», т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния.

Таким образом, свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и внутренней структурой молекул.

В 1863 г. в работе «О различных объяснениях некоторых случаев изомерии» Бутлеров уже говорит о «способе химической связи между атомами», о «химической связи отдельных атомов».

Что же представляет собой термин «химическая связь»?

Можно дать ряд определений этого понятия, но самое очевидное из них то, что химическая связь – это взаимодействие, возникающее между атомами в процессе образования веществ.

Научное объяснение природы химической связи смогло появиться только после возникновения учения о строении атома. В 1916 г. американский ученый физико-химик Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем спаривания электронов, принадлежа-щих различным атомам. Эта идея явилась исходным пунктом для современной теорииковалентной химической связи.

В том же году немецкий ученый Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой – принимает электроны. Электростатическое взаимодействие образующихся ионов и приводит к получению устойчивого соединения. Развитие идей Косселя привело к созданию теории ионной связи.

В любом случае химическая связь имеет электрическое происхождение, т.к. обусловлена, в конечном счете, взаимодействием электронов.

Одной из причин возникновения химической связи является стремление атомов принять более устойчивое состояние. Необходимое условие образования химической связи – уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

При химических реакциях ядра атомов и внутренние электронные оболочки не претерпевают изменений. Химическая связь осуществляется за счет взаимодействия наиболее удаленных от ядра электронов, называемых валентными.

Валентными являются: у s-элементов – s-электроны внешнего энергетического уровня, у р-элементов – s- и р- электроны внешнего энергетического уровня, у d-элементов – s-электроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетических уровней, у f-элементов – s-электроны внешнего и f-электроны третьего снаружи энергетических уровней.

Обычно различают пять основных типов химической связи: ионную, ковалентную, металлическую, водородную, а также межмолекулярные взаимодействия, обусловленные силами Ван - дер - Ваальса, причем три первых типа связи существенно прочнее двух последних.

Современное учение о химической связи основано на квантово-механических представлениях. Для описания химической связи в настоящее время широко используются два метода: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

Метод ВС более прост и нагляден, поэтому рассмотрение теории химической связи начнем именно с него.

Рассмотрим наиболее часто встречающуюся ковалентную химичес-кую связь.

 

Метод валентных связей

В основе метода ВС лежат следующие положения.

1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит одновременно двум атомам. Сами же атомы сохраняют свою индивидуальность.

2. Ковалентная химическая связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

В широком смысле слова ковалентная связь – это химическая связь между атомами, осуществляемая путем обобществления электронов. Ковалентную связь можно рассматривать как универсальный, самый распространенный тип химической связи.

Для точного описания состояния электрона в молекуле необходи-мо решить уравнение Шредингера для соответствующей системы электронов и ядер, задавшись условием минимума энергии. Однако, в настоящее время решение уравнения Шредингера возможно лишь для самых простых систем. Впервые приближенный расчет волновой функции электрона был произведен в 1927 г. Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода.

 

Рис. 4.1. Зависимость энергии системы из двух атомов водорода от

межъядерного расстояния для электронов с параллельными (1) и

антипараллельными (2) спинами.

 

В результате проведенной работы они получили уравнение, связывающее потенциальную энергию системы с расстоянием между ядрами двух атомов водорода. При этом оказалось, что результаты расчетов зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины обоих электронов.

При параллельных спинах сближение атомов приводит к непрерыв-ному возрастанию энергии системы. При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстояния r₀ сопровождается снижением энергии системы, после чего она вновь начинает возрастать (рис. 4.1).

Таким образом, если спины электронов параллельны, образования химической связи по энергетическим причинам не происходит, а в случае же противоположно направленных спинов электронов образуется молекула Н₂ – устойчивая система из двух атомов водорода, расстояние между ядрами которых составляет r_{0 .}

Это расстояние r₀ существенно меньше удвоенного атомного радиуса (для молекулы водорода – соответственно 0, 074 и 0, 106 нм), следовательно, при образовании химической связи происходит взаимное перекрывание электронных облаков, реагирующих атомов (рис. 3.2).

 

 

Рис. 4.2. Схема перекрывания электронных облаков при образовании

молекулы водорода

 

Вследствие перекрывания облаков электронная плотность между ядрами повышается, при этом возрастают силы притяжения между этой областью отрицательного заряда и положительно заряженными ядрами взаимодействующих атомов. Возрастание сил притяжения сопровож-дается выделением энергии, что и приводит к образованию химической связи.

При изображении структурных формул связь обозначают черточкой либо двумя точками (точка обозначает электрон):

Н – Н Н: Н

В рассмотренном случае обобществляются электроны, находящие-ся на s-орбиталях атомов водорода. Других электронов у атома водорода нет. В случае же, например, галогенов у каждого взаимодействующего атома на внешнем энергетическом уровне находятся также по три пары электронов, не участвующие в образовании химической связи (два s-электрона и четыре р-электрона):

 

Химическая связь в молекуле F₂ образуется за счет взаимодейст-вия неспаренных электронов, находящихся на атомных р-орбиталях, осталь-ные электроны участия в образовании химической связи не принимают (часто их называют неподеленными электронными парами).

В образовании молекул H₂ и F₂ принимают участие лишь по одному электрону от каждого атома. Ковалентная связь, образованная одной парой электронов, называется одинарной связью.

Связь, образованная двумя или тремя парами электронов, назы-вается кратной связью. Так, атомы кислорода и азота содержат соот-ветственно два и три неспаренных электрона:

 

 

Следовательно, в образовании молекул О₂ и N₂ принимают участие соответственно два или три электрона от каждого атома. Таким образом, связь в молекуле кислорода двойная, а в молекуле азота – тройная:

О = О N º N

Каким способом может образовываться кратная связь? Все ли связи в этих случаях равноценны? Для ответа на этот и другие сопутствующие вопросы следует рассмотреть основные характеристики ковалентной связи.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. IV. Выезд из Путивля. – Состояние дорог. – Севск. – Воевода. – Угощение им патриарха. – Дальнейший путь. – Земледельческие орудия. – Посевы.
2. Ведомственный и административно-общественный контроль за состоянием охраны труда
3. Вещества, способные задерживать рак
4. Влияние неблагоприятных условий труда на работоспособность и состояние здоровья рабочих.
5. Гипотеза де-Бройля. Волновые свойства вещества
6. Гипсовые вяжущие вещества: сырье, производство, технические свойства, применение в строительстве.
7. Глава 10. Еще раз, что такое состояние
8. Готовность к деятельности и психическое состояние тренера
9. Задача № 3: Температурное состояние тонкостенного насадка сопла.
10. Задачи по теме «Агрегатные состояния вещества»
11. Закон Дальтона. В инженерной практике часто приходится иметь дело с газообразными веществами, близкими по
12. Иногда глаголы состояния употребляются в Present Continuous для придания эмоциональной окраски или для того, чтобы подчеркнуть, что это состояние временное.