Макромир что это такое
Макромир
От микромира к макромиру
Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образования химических соединений — более сложного молекулярного уровня организации вещественной материи по сравнению с элементной атомной формой.
Квантовая механика позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атоме и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов.
При построении этих схем ученые исходили из общих соображений об устойчивости различных комбинаций электронов. И естественно, что путеводной нитью служил им периодический закон Менделеева.
При разработке схем строения атомов всех элементов учитывалось следующее. Во-первых, принималось, что число электронов в атоме равно заряду атомного ядра, т. е. порядковому номеру элементов в периодической системе.
Во-вторых, вся электронная оболочка распадается на несколько слоев, соответствующих определенным энергетическим уровням n = 1, 2, 3, 4… В-третьих, на каждом уровне n может находиться не более N электронов, где N = 2n².
В-четвертых, состояние каждого электрона в атоме определяется совокупностью четырех квантовых чисел n, ℓ, m и s.
В соответствии с принципом Паули все электроны в атоме отличаются друг от друга хотя бы одним квантовым числом. В атоме нет двух электронов, у которых были бы одинаковы все квантовые числа. В соответствии с указанными замечаниями построены упрощенные схемы строения атомов, изображенные на рисунке для первых трех периодов таблицы Менделеева.
Несмотря на условность и простоту этих схем, они, тем не менее, достаточны для многих химических целей.
Так, например, на первом энергетическом уровне (n = 1, l = 0, m = 0) могут находиться только два электрона, отличающиеся своими спиновыми числами при n = 1 быть не может. Это соответствует тому, что если на первом уровне имеется один электрон, то это — атом водорода, если два электрона, то это — атом гелия. Оба эти элемента заполняют первый ряд таблицы Менделеева.
Второй ряд таблицы Менделеева занимают элементы, электроны которых расположены на втором энергетическом уровне (n = 2). Всего на этом уровне может быть восемь электронов (N = 2 · 2² = 8).
Действительно, при n = 2 могут быть следующие состояния: если l = 0 и m = 0, то может быть два электрона с противоположными спинами; если l = 1, то квантовое число m может принимать три значения: –1; 0; + 1, и каждому значению m соответствует также по два электрона с разными спинами. Таким образом, всего будет восемь электронов.
Второй ряд элементов таблицы Менделеева, у которых последовательно добавляется по одному электрону на втором уровне, следующий — литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон.
При главном квантовом числе n = 3 квантовое число l может принимать три значения: 0; 1; 2, и каждому соответствует несколько значений квантового числа m:
Так как всего может быть девять значений квантового числа m, а каждому состоянию m соответствуют два электрона со значениями
Третий ряд таблицы Менделеева соответствует последовательному заполнению электронами внешнего уровня у следующих элементов — натрия, магния, алюминия, кремния, фосфора, серы, хлора, аргона.
Следующие ряды периодической системы соответствуют более сложным правилам заполнения внешних уровней атомов электронами, поскольку при увеличении общего числа электронов в атомах начинают проявляться коллективные взаимодействия между разными группами электронов, расположенных на разных уровнях атомов.
Это приводит к необходимости учитывать ряд более тонких эффектов, что и сделано для всех атомов периодической системы Менделеева.
Выяснение строения электронных оболочек атомов оказало влияние и на саму структуру периодической системы, несколько изменив существовавшее до тех пор подразделение элементов на периоды. Прежде каждый период начинался с инертного газа, причем водород оставался вне периодов.
Теория строения атомов разрешила также вопрос о положении в периодической системе редкоземельных элементов, которые ввиду их большого сходства друг с другом нельзя было распределить по различным группам.
Атомы этих элементов отличаются друг от друга строением одного из глубже лежащих электронных слоев, в то время как число электронов в наружном слое, от которого главным образом зависят химические свойства элемента, у них одинаково. По этой причине все редкоземельные элементы (лантаноиды) помещены теперь вне общей таблицы.
Но основное значение теории строения атомов заключалось в раскрытии физического смысла периодического закона, который во времена Менделеева был еще неясен.
Достаточно взглянуть на таблицу расположения электронов в атомах химических элементов, чтобы убедиться, что с увеличением зарядов атомных ядер постоянно повторяются одни и те же комбинации электронов в наружном слое атома.
Таким образом, периодическое изменение свойств химических элементов происходит вследствие периодического возвращения к одним и тем же электронным группировкам.
Теперь установим более точно, в какой зависимости от строения электронных оболочек находятся химические свойства атомов.
Рассмотрим сначала изменение свойств в периодах. В пределах каждого периода (кроме первого) металлические свойства, наиболее резко выраженные у первого члена периода, при переходе к последующим членам постепенно ослабевают и уступают место металлоидным свойствам: в начале периода стоит типичный металл, в конце — типичный металлоид и за ним инертный газ.
Закономерное изменение свойств элементов в периодах может быть объяснено следующим образом. Наиболее характерным свойством металлов с химической точки зрения является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, тогда как металлоиды, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов.
Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, которая называется потенциалом (энергией) ионизации.
Потенциал ионизацииимеетнаименьшее значение у элементов, начинающих период, т. е. у водорода и щелочных металлов, и наибольшее — у элементов, заканчивающих период, т. е. у инертных газов. Величина его может служить мерой большей или меньшей “металличности” элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента.
Величина потенциала ионизации зависит от трех причин: от величины заряда ядра, от радиуса атома и от особого рода взаимодействия между электронами в электрическом поле ядра, вызванного их волновыми свойствами. Очевидно, что чем больше заряд ядра и чем меньше радиус атома, тем сильнее притягивается электрон к ядру, тем больше потенциал ионизации.
У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к инертному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Следствием этого и являются постепенное увеличение потенциала ионизации и ослабление металлических свойств.
У инертных газов, хотя радиусы их атомов больше, чем радиусы атомов галогенов, стоящих в том же периоде, потенциалы ионизации больше, чем у галогенов.
В этом случае сильно сказывается действие третьего из вышеупомянутых факторов — взаимодействия между электронами, вследствие чего внешняя электронная оболочка атома инертного газа имеет особую энергетическую устойчивость, и удаление из нее электрона требует значительно большей затраты энергии.
Присоединение электрона к атому металлоида, превращающее его электронную оболочку в устойчивую оболочку атома инертного газа, сопровождается выделением энергии. Величина этой энергии при расчете на 1 грамм-атом элемента служит мерой так называемого сродства к электрону.
Чем больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон. Сродство
атомов металлов к электрону равно нулю — атомы металлов не способны присоединять электроны.
У атомов же металлоидов сродство к электрону тем больше, чем ближе к инертному газу стоит металлоид в периодической системе. Поэтому в пределах периода металлоидные свойства усиливаются по мере приближения к концу периода.
В повседневной жизни нам не приходится иметь дело с атомами. Окружающий нас мир построен из объектов, образованных из гигантского числа атомов, в виде твердых тел, жидкостей, газов.
Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой межатомными химическими связями. Устойчивость молекул свидетельствует о том, что химические связи обусловлены силами взаимодействия, связывающими атомы в молекулу.
Силы межатомного взаимодействия возникают между внешними электронами атомов. Потенциалы ионизации этих электронов значительно меньше, чем у электронов, находящихся на внутренних оболочках.
Нахождение конкретных формул химических соединений значительно упрощается, если воспользоваться понятием валентности элемента, т. е. свойством его атомов присоединять к себе или замещать определенное число атомов другого элемента.
Понятие валентности распространяется не только на отдельные атомы, но и на целые группы атомов, входящих в состав химических соединений и участвующих как одно целое в химических реакциях. Такие группы атомов получили название радикалов.
Физические основы химических связей в молекулах вещества
Природа сил, обусловливающих связь между атомами в молекулах, долгое время оставалась неизвестной. Только с развитием учения о строении атома появились теории, объясняющие причину различной валентности элементов и механизм образования химических соединений на основе представлений об электронных оболочках. Все эти теории основываются на существовании связи между химическими и электрическими явлениями.
Остановимся прежде всего на отношении веществ к электрическому току. Одни вещества являются проводниками электрического тока как в твердом, так и в жидком состоянии: таковы, например, все металлы.
Другие вещества в твердом состоянии ток не проводят, но электропроводны в расплавленном виде. К ним принадлежит огромное большинство солей, а также многие окислы и гидраты окислов.
Наконец, третью группу составляют вещества, не проводящие ток ни в твердом, ни в жидком состоянии. Сюда относятся почти все металлоиды.
Опытным путем установлено, что электропроводность металлов обусловлена движением электронов, а электропроводность расплавленных солей и им подобных соединений — движением ионов, имеющих противоположные заряды.
Например, при прохождении тока через расплавленную поваренную соль к катоду движутся положительно заряженные ионы натрия Na⁺, а к аноду — отрицательно заряженные ионы хлора Сl⁻.
Очевидно, что в солях ионы существуют уже в твердом веществе, расплавление лишь создает условия для их свободного движения. Поэтому такие соединения получили название ионных соединений.
Вещества, практически не проводящие ток, не содержат ионов: они построены из электрически нейтральных молекул или атомов. Таким образом, различное отношение веществ к электрическому току является следствием различного электрического состояния частиц, образующих эти вещества.
Указанным выше типам веществ отвечают два различных типа химической связи:
Ионная связь. Такого типа связь осуществляется между противоположно заряженными ионами и образуется в результате простого электростатического притяжения ионов друг к другу.
Положительные ионы образуются путем отщепления электронов от атомов, отрицательные — путем присоединения электронов к атомам.
Так, например, положительный ион Nа+ образуется при отщеплении от атома натрия одного электрона. Так как в самом внешнем слое атома натрия находится только один электрон, то естественно предположить, что именно этот электрон как наиболее удаленный от ядра и отщепляется от атома натрия при превращении его в ион.
Подобным же образом ионы магния Mg⁺⁺ и алюминия Al⁺⁺⁺ получаются в результате отщепления от атомов магния и алюминия соответственно двух и трех внешних электронов.
Напротив, отрицательные ионы серы и хлора образуются путем присоединения к этим атомам электронов. Поскольку внутренние электронные слои в атомах хлора и серы заполнены, дополнительные электроны в ионах S⁻⁻ и Сl⁻, очевидно, должны были занять места во внешнем слое.
В то же время ионы S⁻⁻ и С1⁻, образующиеся в результате присоединения электронов к атомам серы и хлора, имеют такие же электронные оболочки, как и атомы аргона Ar.
Современная теория химической связи объясняет это тем, что электронные группировки в атомах инертных газов (два электрона в наружном слое атома гелия и восемь электронов в
атомах остальных инертных газов) являются особенно устойчивыми.
Именно вследствие устойчивости этих группировок инертные газы и не способны вступать в соединение с другими элементами. Атомы, имеющие в наружном слое менее восьми электронов, стремятся приобрести структуру инертных газов, отдавая “лишние” электроны или пополняя их число в своем наружном слое до восьми за счет электронов других атомов. Это и происходит при образовании большинства химических соединений, состоящих из ионов.
Процесс образования химического соединения ионного типа из атомов можно представить себе следующим образом.
Сначала атомы превращаются в разноименно заряженные ионы вследствие перехода электронов от одного атома к другому, а затем уже ионы взаимно притягиваются, образуя соединение с ионной связью.
Положим, например, что атомы натрия, имеющие в наружной оболочке только один электрон, встречаются с атомами хлора, наружная оболочка которых содержит семь электронов.
Атомы натрия отдают свои “лишние” электроны атомам хлора, превращаясь в положительные однозарядные ионы с электронной конфигурацией инертного газа неона.
В то же время атомы хлора, присоединившие к своему наружному слою по одному электрону, становятся отрицательными однозарядными ионами со структурой атомов аргона. После этого сила электрического притяжения между разноименными зарядами связывает образовавшиеся ионы друг с другом, в результате чего получается соль — хлористый натрий.
Изложенные выше представления о механизме образования ионных соединений приводят к заключению, что валентность элементов в ионных соединениях характеризуется числом электрических зарядов их ионов. Иначе ее называют электровалентностью.
Величина электровалентности определяется числом электронов, отданных атомом при образовании положительного иона или присоединившихся к нему при образовании отрицательного иона. В первом случае электровалентность считается положительной, во втором — отрицательной.
Способность атомов превращаться в положительные или отрицательные ионы зависит от положения соответствующих элементов в периодической системе. Атомы элементов, стоящих в начале периода, имеют меньший заряд ядра, чем атомы элементов, находящиеся в конце периода.
В первом случае электроны притягиваются слабее, чем во втором, поэтому склонность атомов к превращению в положительные ионы, вообще говоря, уменьшается в периоде в направлении слева направо.
Атомная связь. Предположение об электростатическом притяжении между противоположно заряженными ионами как о причине возникновения химической связи явно неприменимо к молекулам простых веществ (водорода Н₂, кислорода О₂ и др.), а также к молекулам веществ, образованных близкими по химическим свойствам элементами, так как в этом случае трудно допустить возникновение противоположно заряженных ионов.
Поэтому по отношению к таким веществам была выдвинута другая теория их образования, получившая название теории ковалентных связей. При разработке этой теории тоже учитывалась химическая устойчивость атомов инертных газов.
Согласно теории ковалентных связей при образовании молекул (как и при образовании ионных соединений) атомы химических элементов приобретают устойчивые электронные оболочки, подобные оболочкам атомов инертных газов.
Однако устойчивость эта достигается не путем перехода электронов от одних атомов к другим, а путем образования одной или нескольких пар электронов, которые становятся общими для соединяющихся атомов, т. е. входят одновременно в состав электронных оболочек двух атомов. Можно представить себе, что эти “спаренные” электроны вращаются по орбитам, охватывающим ядра обоих атомов, и таким образом связывают атомы в молекулу.
Химическая связь, обусловленная наличием электронных пар, называется ковалентной, или атомной, связью в отличие от электровалентной, или ионной, связи, основанной на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами.
Предположение о паре электронов, как бы “обслуживающей” два ядра, как о причине возникновения ковалентной связи получило обоснование в волновой механике. Два положительно заряженных ядра можно рассматривать как одно ядро с большим зарядом, чем у каждого из ядер в отдельности.
Электрон, вращающийся вокруг такого комбинированного ядра, удерживается более сильно, чем если бы он вращался вокруг одного из ядер. Этим объясняется то, что образование ковалентных связей энергетически более выгодно.
Новая орбита движения электрона в молекуле называется молекулярной.
Движение электронов по молекулярным орбитам подчиняется тому же принципу запрета Паули, что и движение по атомным орбитам. Поэтому на одной и той же молекулярной орбите не может быть больше двух электронов, причем они должны иметь противоположные спины.
Электроны с одинаковыми спинами на одной и той же молекулярной орбите находиться не могут. Вот почему каждая ковалентная связь образована лишь парой электронов.
Образование молекулярных орбит является с точки зрения волновой механики следствием “перекрывания” атомных орбит. В результате такого перекрывания наибольшая электронная плотность в молекулярной орбите, если ее представить как электронное облако, оказывается между ядрами. Это значит, что электроны при движении по орбите наиболее часто попадают в область, находящуюся между ядрами.
Валентность, или, точнее, ковалентность, элемента в данном соединении определяется числом электронов его атома, идущих на образование общих, или “связующих”, электронных пар.
Итак, ковалентная связь между атомами в молекулах обусловливается наличием одной или нескольких общих пар электронов. Так как при образовании ковалентной связи, как правило, не происходит ни потери, ни присоединения электронов к атомам, то понятно, что молекулы с ковалентной связью не содержат ионов.
Одним из элементов, образующих ковалентные связи, является углерод. Углерод участвует в молекулярных структурах почти всегда с четырьмя ковалентными связями.
Большая часть животного и растительного мира образована соединениями углерода С с водородом Н и некоторыми другими элементами, прежде всего с азотом N, кислородом О, фосфором Р и серой S. Эти соединения первоначально называли органическими соединениями, в отличие от ионных (неорганических) соединений, так как по своему химическому составу все животные и растения почти на 98% состоят из указанных шести химических элементов.
Многие молекулы в живой природе, в частности молекулы белков, чрезвычайно сложны. Несмотря на это в последнее время были достигнуты большие успехи в определении состава, структуры и функции этих молекул.
В частности, многое стало известно о структуре ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), несущей генетическую информацию. Хотя ее молекула может содержать до миллиона атомов, ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.
После того как была выяснена природа сил, приводящих к объединению атомов в молекулы, то есть выяснена природа “химизма”, проявляющаяся в огромном многообразии химических превращений вещества, в том числе приводящая к образованию многоатомных сложных молекул, стал ясен механизм первой ступени самоорганизации материи в природе — от более простых атомных систем к гораздо более сложным молекулярным системам.
Диапазон известных молекулярных структур огромен — от двухатомных молекул типа Н₂, О₂ до молекул, состоящих из сотен и тысяч атомов, — макромолекул органических соединений — белков и нуклеиновых кислот.
Из огромной совокупности разных молекул состоит все неживое и живое вещество природы — макротела. Количественные изменения при переходе от микрообъектов (атомов, молекул) к макротелам — большой совокупности микросистем, — приводят к существенным качественным изменениям в поведении и, следовательно, в описании этих объектов исследования.
На макроуровне принято отдельно рассматривать вещественную и полевую материю.
Вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях (твердые тела, жидкости, газы, плазма). Все явления и процессы в макромире связаны с процессами сохранения и преобразования одних форм движения в другие на основе двух всеобъемлющих законов — закона сохранения и превращения энергии и закона возрастания энтропии.
Указанные макропроцессы изучаются в рамках так называемой физической картины мира — в виде законов механики, статистической физики, термодинамики и электродинамики. А всю совокупность явлений макромира изучают многочисленные естественно-научные дисциплины (физика, химия, геология, биология и т. д.).
Макромир: структура, механистическая концепция его описания
Вы будете перенаправлены на Автор24
Характеристика макромира
Макромир составляют объекты, размеры которых соизмеримы с размерами человека. К объектам макромира относится и сам человек, более того, он является главным объектом макромира.
Представления о макромире являются наиболее старым компонентом естествознания. Представления об этом уровне организации возникли еще в донаучный период. Тогда они носили характер натурфилософии, согласно которой все наблюдаемые явления природы объяснялись при помощи философских принципов ввиду отсутствия методов экспериментального изучения. По праву считается, что наибольший вклад в изучение макромира внесли представители классического естествознания.
В 16 веке Галилео Галилей сумел обосновать гелеоцентрическую систему Николая Коперника, выявил закон инерции и тем самым заложил основы механистической картины мира. позже, основываясь на труды Галилея, Исаак Ньютон разработал теорию механики, которая выявляла одинаковые закономерности в движении и небесных, и земных объектов. Таким образом, сложилась механистическая картина мира, в рамках которой сложилась корпускулярная модель мира. предполагалось, что все объекты, материя состоят из атомов, мельчайших неделимых частиц, которые подчиняются строгим законам механики.
Механистическая концепция описания макромира
Все процессы, происходящие во Вселенной, были сведены в рамки корпускулярной модели. Распространение света тоже пытались объяснить в границах этой теории. По мнению Ньютона светящиеся тела испускают мельчайшие частицы, которые осуществляют движение согласно законам механики.
Одновременно с корпускулярной теорией, возникает новая теория, согласно которой между распространением света и распространением волн существует аналогия. Автором этой концепции, получившей название волновой, был Х. Гюйгенс. По его мнению два луча света проходят сквозь друг друга, не рассеиваясь. В тот момент средой распространения света считался эфир.
Опыты Гримальди показали, что луч света имеет способность огибать препятствия так же, как и волна. Такое явление получило название дифракции.
Однако, в области электромагнитных явлений механистическая теория показала свою несостоятельность.
Таким образом, объектом изучения макромира является вещество, материя.
Готовые работы на аналогичную тему
Структурные уровни макромира. Человек как главный объект макромира
Макромир имеет сложную организацию, состоящую из нескольких уровней:
Самым маленьким элементом макромира является атом, а самым большим – планета Земля. В состав макромира входят наряду с неживыми системами живые системы различного уровня. В свою очередь, каждый из этих уровней включает в себя как микроструктуры, так и макроструктуры.
Все вещества состоят из молекул. То есть, такие огромные объекты природы, как океаны и горы – это тоже молекулы, объединенные между собой.
Не только физический уровень макромира, но и химический связан с молекулами. Однако, нужно отметить, что химический уровень гораздо более сложный, он рассматривает не строение вещества и движение, как классическая физика, а сложность химических процессов, реакционную способность вещества.
Биологический уровень макромира включает в себя объекты живой природы, их свойства, их способы жизнедеятельности, взаимосвязи. Существует множество наук, занимающихся изучением объектом живой природы.
Отдельно следует рассмотреть такой объект макромира, как человек. Вопросом о роли человека и его месте во Вселенной интересовались с древнейших времен. Однако в механистической и электромагнитной картине мира человек как объект макромира рассматривался лишь с точки зрения одного из объектов природы. Его специфические черты не интересовали ученых. Считалось, что существование материи, Вселенной никоим образом не зависит от человека, и в случае исчезновения его в мире ничего не изменится, Вселенная продолжит свое существование так же, как и до этого.
В квантово-полевой картине мира отношение к человеку существенным образом поменялось. Человек рассматривался не только как объект природы, но и как субъект, наблюдатель. И именно его субъективное отношение к проводимому эксперименту, субъективное восприятие полученной в ходе наблюдений информации влияет на результат опыта, соответственно, от человека зависит дальнейшее развитие науки.
С другой стороны, человек является объектом биологического уровня макромира, иными словами, человек – это совокупность различных систем: кровеносной, нервной, мышечной, костной и т.д. Кроме таких физиологических составляющих важнейшей характеристикой человека является энергия, которая имеет тесную связь с физиологией.
Энергия может рассматриваться в нескольких смыслах:
Однако, все вышеперечисленные свойства человека не являются уникальными, они присущи многим объектам животного мира. главным, отличительным качеством человека является сознание. Однако ответа на вопрос, что есть сознание, где оно находится, можно ли его рассмотреть не существует, и скорее всего, не будет никогда. Сознание – это нематериальный объект, неотделимый от человека. Однако можно выделить составляющие сознания:
Интеллект является мыслительной и умственной способностью, главной функцией интеллекта является память. Интеллект и память можно развивать, тренировать.
Подсознание – это все полученные навыки. Они складываются из повторяемых однообразных действий.
Сверхсознание – это душа человека. Душа человека является религиозной ценностью.
Человек взаимодействует с другими людьми, осуществляет какую-либо деятельность, принимает участие в различных сферах деятельности общества. Человек является представителем какой-то нации, он живет в семье, является гражданином какого-либо государства, исповедует какую-то религию и т.д. В этом заключается социальная структура макромира.