Автор: Пользователь скрыл имя, 21 Декабря 2011 в 10:23, реферат
Сами того не замечая, мы живём на дне огромного воздушного океана. Та смесь газов, которая образует атмосферу, необходима для нас более, чем что-либо другое. Человек может прожить несколько недель без пищи, несколько дней без воды, но не может прожить и нескольких минут без воздуха. В воздухе таятся огромные, пока почти неиспользованные запасы энергии: вследствие неодинакового поглощения солнечных лучей различными участками земной поверхности создаётся неравномерный нагрев воздуха и возникают ветры, за счёт которых могут быть получены многие миллиарды киловатт-часов электроэнергии.
При температурах жидкого воздуха свойства многих веществ резко изменяются. Например, жёлтая при обычных условиях сера становится белой, Такие жидкости и газы, как спирт, диоксид углерода и т.п., при соприкосновении с жидким воздухом затвердевают. Свинцовая пластинка после погружения в жидкий воздух издаёт при ударе ясный металлический звон, резина становится настолько хрупкой, что при ударе разбивается на куски, и т.д.
Химические реакции при температуре жидкого воздуха вообще очень сильно замедляются. Однако благодаря большой концентрации в нём кислорода (концентрацией называется количество вещества в единице объёма или массы), смешанные с жидким воздухом горючие вещества горят гораздо энергичнее, чем в обычных условиях. Например, смоченная жидким воздухом вата сгорает со вспышкой подобно бездымному пороху.
На этом основано применение жидкого воздуха для взрывных работ в горном деле, где используются патроны с пропитанными им горючими материалами. Подобное взрывчатое вещество (оксиликвит) по силе взрыва лишь немногим уступает динамиту, при этом оно дешевле и безопасней в обращении. Ещё эффективнее оксиликвиты на основе жидкого кислорода.
В 1893 г. было обращено внимание на несовпадение плотностей азота из воздуха и азота, получаемого при разложении азотных соединений: литр азота из воздуха имел массу 1,257 г, а полученный химическим путём -- 1,251 г. Произведённое для выяснения этого загадочного обстоятельства очень точное изучение состава воздуха показало, что после удаления всего кислорода и азота получался небольшой остаток (около 1%), который ни с чем химически не реагировал. Открытие нового элемента, называемого аргоном (по-гречески недеятельный), представило, таким образом, “торжество третьего знака”. Молекулярный вес аргона оказался равным 39,9. Так как молекула его одноатомна, атомный вес аргона равен молекулярному.
Вопрос об атомности молекулы аргона был разрешён при помощи кинетической теории. Согласно последней, количество тепла, которое нужно затратить для нагревания моля газа на один градус, зависит от числа атомов в его молекуле. При постоянном объёме моль одноатомного газа требует 13 Дж газа, двухатомного -- 21 Дж. Для аргона опыт давал 13,5 Дж, что и указывало на одноатомность его молекулы. То же относится и к другим инертным газам.
Следующий по времени открытия инертный газ -- гелий (“солнечный”) -- был обнаружен на Солнце раньше, чем на Земле. Это оказалось возможным благодаря разработанному в пятидесятых годах прошлого века методу спектрального анализа.
Если тонкий пучок “белого” солнечного света направить на стеклянную призму, он разлагается на лучи различных цветов радуги. Каждый луч может быть охарактеризован определённой длиной волны (l) или частотой колебаний (n), т.е. числом волн, сменяющихся за одну секунду.
Греческие буквы l и n читаются соответственно “лямбда” и “ню”. Выражаемые ими величины легко могут быть переведены друг в друга, так как они связаны соотношением: ln = с, где с -- скорость света (3·1010 см/с). Отсюда следует, что чем меньше l, тем больше n, и обратно.
Для измерения длин световых волн (и других очень малых длин) обычно применяются следующие единицы: микрон (мк, m) = 0,001 мм = 10-4 см; миллимикрон (ммк, mm) = 0,001 мк = 10-7 см; ангстрем (A) = 0,1 ммк = 10-8 см.
По
международному соглашению (1960 г.) при
образовании кратных и дольных единиц
рекомендуется использовать определённые
приставки к основным единицам (м, с и др.).
Ниже приводятся соответствующие множители,
названия отвечающих им приставок, их
русские и латинские обозначения:
1012
109 106 103
102 101 10-1
10-2 10-3 10-6
10-9 10-12
тера гига мега кило гекто дека деци санти милли микро нано пико
Т Г М к г да д с м мк н п
T G M k h da d c m m n p
В этой системе обозначений 1 микрон = 1 мкм, 1 миллимикрон = 1 нм и 1 ангстрем = 0,1 нм = 100 пм.
По обе стороны от видимого спектра располагаются невидимые лучи: инфракрасные и ультрафиолетовые, которые могут быть обнаружены и изучены при помощи различных физических методов.
Лежащие за пределами видимого спектра лучи обладают рядом интересных особенностей. Ультрафиолетовые лучи при определённых длинах волн обладают сильным бактерицидным (убивающим бактерии), а при несколько больших -- эритемным (вызывающим загар кожи) действием. Облучение ими в умеренных дозах благотворно влияет на организм человека. Установлено, что насекомые весьма чувствительны к ультрафиолетовым лучам, которые привлекают их даже сильнее, чем обычный видимый свет.
На долю инфракрасных лучей приходится около 50% всей доходящей до Земли солнечной энергии, и они имеют основное значение для жизни растений. Лучи эти почти не задерживаются туманом, что позволяет, в частности, фотографировать земную поверхность сквозь облачный покров. Инфракрасные лучи испускаются всяким нагретым предметом, в том числе каждым теплокровным животным (характерные длины волн порядка 0,01 мм). Исследованием, проведённым на гремучих змеях, было выяснено, что они имеют в передней части головы специальные теплочувствительные органы и при охоте руководствуются главным образом тепловым излучением своих жертв. Высокочувствительные приёмники в инфракрасном диапазоне улавливают разности температур до тысячных долей градуса. Такое “тепловидение” позволяет решать ряд важных задач -- от медицинской диагностики некоторых заболеваний до точного определения местонахождения самолётов в полной темноте.
Если внести в пламя горелки какую-нибудь летучую при нагревании соль натрия, оно окрасится в жёлтый цвет, при внесении летучих соединений меди -- в сине-зелёный цвет и т. д. Каждый химический элемент при достаточном нагревании испускает лучи определённых, характерных для него длин волн.
Определение длин световых волн осуществляется с помощью спектроскопа. Прибор этот и дал возможность по спектру Солнца установить его химический состав. Ещё в 1868 г. были таким путём обнаружены линии, не отвечающие ни одному из известных веществ. Эти линии приписали новому элементу -- гелию. На Земле он был впервые (1895 г.) найден в газах, выделяющихся при нагревании минерала клевеита.
Через несколько лет после открытия аргона и гелия (в 1898 г.) были выделены из воздуха ещё три инертных газа: неон (“новый”), криптон (“скрытый”) и ксенон (“чуждый”). Насколько трудно было их обнаружить, видно из того, что 1 м3 воздуха, наряду с 9,3 л аргона, содержит лишь 18 мл неона, 5 мл гелия, 1 мл ксенона и 0,09 мл ксенона.
Последний инертный газ -- радон -- был открыт в 1900 г. при изучении некоторых минералов. Содержание его в атмосфере составляет лишь 6•10-18 % по объёму (что соответствует 1-2 атомам в кубическом сантиметре). Было подсчитано, что вся земная атмосфера содержит лишь 374 л радона.
Для инертных газов характерно полное (He, Ne, Ar) или почти полное (Kr, Xe, Rn) отсутствие химической активности. В периодической системе они образуют особую группу (VIII). Разделение инертных газов основано на различии их химических свойств.
Вскоре после открытия инертных газов образованная ими в периодической системе группа была названа нулевой, чтобы подчеркнуть этим нулевую валентность данных элементов, т. е. отсутствие у них химической активности. Такое название часто применяется и в настоящее время, однако по существу периодического закона правильнее считать группу инертных газов восьмой, так как этими элементами соответствующие периоды не начинаются, а заканчиваются.
Для физической характеристики того или иного вещества наибольшее значение обычно имеет выяснение тех условий, при которых происходит изменение его агрегатного состояния (газообразного, жидкого или твёрдого). В твёрдом виде каждое вещество характеризуется некоторым строго закономерным расположением составляющих его частиц, в газообразном и жидком -- более или менее беспорядочным. При последовательном нагревании твёрдого вещества энергия колебательного движения его частиц всё время увеличивается, в результате чего усиливается и их взаимное расталкивание. Рано или поздно достигается такая температура (температура плавления), при которой притяжение частиц друг к другу уже не может обеспечить сохранение строгого порядка в их расположении: вещество плавится.
Однако в жидкости взаимное притяжение молекул ещё достаточно, чтобы удержать их вместе, и лишь отдельным, наиболее быстро в данный момент движущимся молекулам удаётся оторваться от поверхности. При дальнейшем нагревании число таких молекул всё возрастает, т. е. увеличивается давление пара данного вещества. Наконец, достигается для каждого вещества температура (температура кипения), при которой давление его пара становится равным внешнему давлению, парообразование начинает идти не только с поверхности, но и в массе жидкости -- последняя “закипает”.
Очевидно, что температура кипения должна сильно зависеть от внешнего давления. Напротив, температура плавления при небольших его количествах заметно не изменяется.
Наиболее
практически важно знание тех температурных
условий, которые отвечают изменениям
агрегатного состояния при нормальном
атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Они
обычно и указываются как температуры
или “точки” плавления (т. пл.) и кипения
(т. кип.) рассматриваемого вещества. Значения
их для инертных газов видны из приводимого
ниже сопоставления:
| Не | Ne | Ar | Kr | Xe | Rn | ||
| Атомный номер | 2 | 10 | 18 | 36 | 54 | 86 | |
| Атомная масса | 4,00260 | 20,179 | 39,948 | 83,80 | 131,3 | 222 | |
| Температура плавления, °С | -271 | -249 | -189 | -157 | -112 | -71 | |
| Температура кипения, °С | -269 | -246 | -186 | -153 | -108 | -62 |
Твёрдое состояние гелия устойчиво под давлением не ниже 25 атм.
Количество
тепла, необходимое для перевода вещества
из твёрдого состояния в жидкое, носит
название теплоты плавления, а для
перевода из жидкого состояния в парообразное
-- теплоты испарения
рассматриваемого вещества. Обе величины
относят к переходам, происходящим под
нормальным давлением. Для инертных газов
они имеют следующие значения (кДж/моль):
| He | Ne | Ar | Kr | Xe | Rn | |
| Теплота плавления | 0,008 | 0,33 | 1,2 | 1,6 | 2,3 | 2,9 |
| Теплота испарения | 0,08 | 1,8 | 6,5 | 9,0 | 12,6 | 16,8 |
Как видно из приведённых данных, теплоты испарения во всех случаях гораздо больше теплот плавления. И те, и другие величины возрастают вместе с повышением температур плавления и кипения инертных газов.
Значения
плотности инертных газов в жидком состоянии
(при температуре кипения) и их относительные
теплопроводности (при 0 °С) равны:
| He | Ne | Ar | Kr | Xe | |
| Плотность, г/см3 | 0,13 | 1,2 | 1,4 | 2,6 | 3,1 |
| Относительная теплопроводность (воздух = 1) | 6,0 | 1,96 | 0,73 | 0,38 | 0,22 |
Ниже
сопоставлены критические температуры
инертных газов и те давления, которые
необходимы и достаточны для их перевода
при этих температурах из газообразного
состояния в жидкое, -- критические давления:
При температурах жидкого воздуха свойства многих веществ резко изменяются. Например, жёлтая при обычных условиях сера становится белой, Такие жидкости и газы, как спирт, диоксид углерода и т.п., при соприкосновении с жидким воздухом затвердевают. Свинцовая пластинка после погружения в жидкий воздух издаёт при ударе ясный металлический звон, резина становится настолько хрупкой, что при ударе разбивается на куски, и т.д.
Химические реакции при температуре жидкого воздуха вообще очень сильно замедляются. Однако благодаря большой концентрации в нём кислорода (концентрацией называется количество вещества в единице объёма или массы), смешанные с жидким воздухом горючие вещества горят гораздо энергичнее, чем в обычных условиях. Например, смоченная жидким воздухом вата сгорает со вспышкой подобно бездымному пороху.
На этом основано применение жидкого воздуха для взрывных работ в горном деле, где используются патроны с пропитанными им горючими материалами. Подобное взрывчатое вещество (оксиликвит) по силе взрыва лишь немногим уступает динамиту, при этом оно дешевле и безопасней в обращении. Ещё эффективнее оксиликвиты на основе жидкого кислорода.
В 1893 г. было обращено внимание на несовпадение плотностей азота из воздуха и азота, получаемого при разложении азотных соединений: литр азота из воздуха имел массу 1,257 г, а полученный химическим путём -- 1,251 г. Произведённое для выяснения этого загадочного обстоятельства очень точное изучение состава воздуха показало, что после удаления всего кислорода и азота получался небольшой остаток (около 1%), который ни с чем химически не реагировал. Открытие нового элемента, называемого аргоном (по-гречески недеятельный), представило, таким образом, “торжество третьего знака”. Молекулярный вес аргона оказался равным 39,9. Так как молекула его одноатомна, атомный вес аргона равен молекулярному.
Вопрос об атомности молекулы аргона был разрешён при помощи кинетической теории. Согласно последней, количество тепла, которое нужно затратить для нагревания моля газа на один градус, зависит от числа атомов в его молекуле. При постоянном объёме моль одноатомного газа требует 13 Дж газа, двухатомного -- 21 Дж. Для аргона опыт давал 13,5 Дж, что и указывало на одноатомность его молекулы. То же относится и к другим инертным газам.
Следующий по времени открытия инертный газ -- гелий (“солнечный”) -- был обнаружен на Солнце раньше, чем на Земле. Это оказалось возможным благодаря разработанному в пятидесятых годах прошлого века методу спектрального анализа.
Если тонкий пучок “белого” солнечного света направить на стеклянную призму, он разлагается на лучи различных цветов радуги. Каждый луч может быть охарактеризован определённой длиной волны (l) или частотой колебаний (n), т.е. числом волн, сменяющихся за одну секунду.
Греческие буквы l и n читаются соответственно “лямбда” и “ню”. Выражаемые ими величины легко могут быть переведены друг в друга, так как они связаны соотношением: ln = с, где с -- скорость света (3·1010 см/с). Отсюда следует, что чем меньше l, тем больше n, и обратно.
Для измерения длин световых волн (и других очень малых длин) обычно применяются следующие единицы: микрон (мк, m) = 0,001 мм = 10-4 см; миллимикрон (ммк, mm) = 0,001 мк = 10-7 см; ангстрем (A) = 0,1 ммк = 10-8 см.
По
международному соглашению (1960 г.) при
образовании кратных и дольных единиц
рекомендуется использовать определённые
приставки к основным единицам (м, с и др.).
Ниже приводятся соответствующие множители,
названия отвечающих им приставок, их
русские и латинские обозначения:
1012
109 106 103
102 101 10-1
10-2 10-3 10-6
10-9 10-12
тера гига мега кило гекто дека деци санти милли микро нано пико
Т Г М к г да д с м мк н п
T G M k h da d c m m n p
В этой системе обозначений 1 микрон = 1 мкм, 1 миллимикрон = 1 нм и 1 ангстрем = 0,1 нм = 100 пм.
По обе стороны от видимого спектра располагаются невидимые лучи: инфракрасные и ультрафиолетовые, которые могут быть обнаружены и изучены при помощи различных физических методов.
Лежащие за пределами видимого спектра лучи обладают рядом интересных особенностей. Ультрафиолетовые лучи при определённых длинах волн обладают сильным бактерицидным (убивающим бактерии), а при несколько больших -- эритемным (вызывающим загар кожи) действием. Облучение ими в умеренных дозах благотворно влияет на организм человека. Установлено, что насекомые весьма чувствительны к ультрафиолетовым лучам, которые привлекают их даже сильнее, чем обычный видимый свет.
На долю инфракрасных лучей приходится около 50% всей доходящей до Земли солнечной энергии, и они имеют основное значение для жизни растений. Лучи эти почти не задерживаются туманом, что позволяет, в частности, фотографировать земную поверхность сквозь облачный покров. Инфракрасные лучи испускаются всяким нагретым предметом, в том числе каждым теплокровным животным (характерные длины волн порядка 0,01 мм). Исследованием, проведённым на гремучих змеях, было выяснено, что они имеют в передней части головы специальные теплочувствительные органы и при охоте руководствуются главным образом тепловым излучением своих жертв. Высокочувствительные приёмники в инфракрасном диапазоне улавливают разности температур до тысячных долей градуса. Такое “тепловидение” позволяет решать ряд важных задач -- от медицинской диагностики некоторых заболеваний до точного определения местонахождения самолётов в полной темноте.
Если внести в пламя горелки какую-нибудь летучую при нагревании соль натрия, оно окрасится в жёлтый цвет, при внесении летучих соединений меди -- в сине-зелёный цвет и т. д. Каждый химический элемент при достаточном нагревании испускает лучи определённых, характерных для него длин волн.
Определение длин световых волн осуществляется с помощью спектроскопа. Прибор этот и дал возможность по спектру Солнца установить его химический состав. Ещё в 1868 г. были таким путём обнаружены линии, не отвечающие ни одному из известных веществ. Эти линии приписали новому элементу -- гелию. На Земле он был впервые (1895 г.) найден в газах, выделяющихся при нагревании минерала клевеита.
Через несколько лет после открытия аргона и гелия (в 1898 г.) были выделены из воздуха ещё три инертных газа: неон (“новый”), криптон (“скрытый”) и ксенон (“чуждый”). Насколько трудно было их обнаружить, видно из того, что 1 м3 воздуха, наряду с 9,3 л аргона, содержит лишь 18 мл неона, 5 мл гелия, 1 мл ксенона и 0,09 мл ксенона.
Последний инертный газ -- радон -- был открыт в 1900 г. при изучении некоторых минералов. Содержание его в атмосфере составляет лишь 6•10-18 % по объёму (что соответствует 1-2 атомам в кубическом сантиметре). Было подсчитано, что вся земная атмосфера содержит лишь 374 л радона.
Для инертных газов характерно полное (He, Ne, Ar) или почти полное (Kr, Xe, Rn) отсутствие химической активности. В периодической системе они образуют особую группу (VIII). Разделение инертных газов основано на различии их химических свойств.
Вскоре после открытия инертных газов образованная ими в периодической системе группа была названа нулевой, чтобы подчеркнуть этим нулевую валентность данных элементов, т. е. отсутствие у них химической активности. Такое название часто применяется и в настоящее время, однако по существу периодического закона правильнее считать группу инертных газов восьмой, так как этими элементами соответствующие периоды не начинаются, а заканчиваются.
Для физической характеристики того или иного вещества наибольшее значение обычно имеет выяснение тех условий, при которых происходит изменение его агрегатного состояния (газообразного, жидкого или твёрдого). В твёрдом виде каждое вещество характеризуется некоторым строго закономерным расположением составляющих его частиц, в газообразном и жидком -- более или менее беспорядочным. При последовательном нагревании твёрдого вещества энергия колебательного движения его частиц всё время увеличивается, в результате чего усиливается и их взаимное расталкивание. Рано или поздно достигается такая температура (температура плавления), при которой притяжение частиц друг к другу уже не может обеспечить сохранение строгого порядка в их расположении: вещество плавится.
Однако в жидкости взаимное притяжение молекул ещё достаточно, чтобы удержать их вместе, и лишь отдельным, наиболее быстро в данный момент движущимся молекулам удаётся оторваться от поверхности. При дальнейшем нагревании число таких молекул всё возрастает, т. е. увеличивается давление пара данного вещества. Наконец, достигается для каждого вещества температура (температура кипения), при которой давление его пара становится равным внешнему давлению, парообразование начинает идти не только с поверхности, но и в массе жидкости -- последняя “закипает”.
Очевидно, что температура кипения должна сильно зависеть от внешнего давления. Напротив, температура плавления при небольших его количествах заметно не изменяется.
Наиболее
практически важно знание тех температурных
условий, которые отвечают изменениям
агрегатного состояния при нормальном
атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Они
обычно и указываются как температуры
или “точки” плавления (т. пл.) и кипения
(т. кип.) рассматриваемого вещества. Значения
их для инертных газов видны из приводимого
ниже сопоставления:
| Не | Ne | Ar | Kr | Xe | Rn | ||
| Атомный номер | 2 | 10 | 18 | 36 | 54 | 86 | |
| Атомная масса | 4,00260 | 20,179 | 39,948 | 83,80 | 131,3 | 222 | |
| Температура плавления, °С | -271 | -249 | -189 | -157 | -112 | -71 | |
| Температура кипения, °С | -269 | -246 | -186 | -153 | -108 | -62 |
Твёрдое состояние гелия устойчиво под давлением не ниже 25 атм.
Количество
тепла, необходимое для перевода вещества
из твёрдого состояния в жидкое, носит
название теплоты плавления, а для
перевода из жидкого состояния в парообразное
-- теплоты испарения
рассматриваемого вещества. Обе величины
относят к переходам, происходящим под
нормальным давлением. Для инертных газов
они имеют следующие значения (кДж/моль):
| He | Ne | Ar | Kr | Xe | Rn | |
| Теплота плавления | 0,008 | 0,33 | 1,2 | 1,6 | 2,3 | 2,9 |
| Теплота испарения | 0,08 | 1,8 | 6,5 | 9,0 | 12,6 | 16,8 |
Как видно из приведённых данных, теплоты испарения во всех случаях гораздо больше теплот плавления. И те, и другие величины возрастают вместе с повышением температур плавления и кипения инертных газов.
Значения
плотности инертных газов в жидком состоянии
(при температуре кипения) и их относительные
теплопроводности (при 0 °С) равны:
| He | Ne | Ar | Kr | Xe | |
| Плотность, г/см3 | 0,13 | 1,2 | 1,4 | 2,6 | 3,1 |
| Относительная теплопроводность (воздух = 1) | 6,0 | 1,96 | 0,73 | 0,38 | 0,22 |
Ниже
сопоставлены критические температуры
инертных газов и те давления, которые
необходимы и достаточны для их перевода
при этих температурах из газообразного
состояния в жидкое, -- критические давления: