Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

     Строение  атома чем то похоже на строение Солнечной системы: как и в  Солнечной системе большая часть массы всего ядра сосредоточена в центре, электроны находятся подобна планетам на своих «орбитах» энергетических уровнях, у электронов и ядра есть собственный момент вращения (спин) планеты и Солнце тоже вращается вокруг своей оси. Расположение с каждым новым энергетическим уровнем электроны всё дальше от массивного ядра. Но это только в первом, грубом, приближении строение атома очень похоже на строение Солнечной системы даже одна из теорий строения атома была выдвинута опираясь на её структуру. 

     Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей к ядру, именуемые электронными уровнями. Уровни, в свою очередь, могут состоять из близких по энергии подуровней. Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней (3s, 3p и 3d). Четвертый уровень состоит из подуровней 4s, 4p,4d, 4f.

     В электронной оболочке любого атома  ровно столько электронов, сколько  протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем если бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.

     Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей. Каждая орбиталь - это как бы "квартира" для электронов в "доме"-подуровне. Например, любой s-подуровень - это "дом" из одной "квартиры" (s-орбиталь), p-подуровень - "трехквартирный дом" (три p-орбитали), d-подуровень - "дом" из 5 "квартир"-орбиталей, а f-подуровень - "дом" из 7 одинаковых по энергии орбиталей. В каждой "квартире"-орбитали могут "жить" не больше двух электронов. Запрещение электронам "селиться" более чем по-двое на одной орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. "Адрес" каждого электрона в атоме записывается набором квантовых чисел. Здесь мы упомянем лишь о главном квантовом числе n, которое в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон существует.

     В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной  оболочки атома, которую предложил  австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений рассчитывается не траектория движения электрона внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

     Общее у волновой модели Шредингера и планетарной  модели Бора в том, что электроны  в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В  остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%.

     В волновой модели тоже существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами. Области вероятности нахождения s, p, d, f-электронов в атоме могут пересекаться. Впрочем, к необычным свойствам волновой модели следует относиться спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки.

     Во  всех моделях атома электроны  называют s-, p-, d- и f-электронами в  зависимости от подуровня, на котором  они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы. 

ЗАДАЧА.

Для решения  задачи оценим длину волны электрона. h = 6,62·10^-34 Дж·с - постоянная Планка; m = 9,11·10^-31 кг - масса электрона; Т.к. Е = m·V²/2, р = m·V, получаем:

р = (2m·Е)^1/2 = (2·9,11·10^-31·10·1,6·10^-19)^1/2 = 1,71·10^-24 кг·м/с.

л_Б = h/р = h/(2m·Е)^1/2 = 6,62·10^-34/(2·9,11·10^-31·10·1,6·10^-19)^1/2 = 3,88·10^-10 м = 0,388 нм.

Ответ: Импульс электрона равен 0,388 нм.

Полученное  значение длины волны сравнимо с  размером диаметра орбиты электрона. 

     С точки зрения волнового движения говорить о движении его по определенной орбите нельзя. Электрон образует нечто  похожее на облако. 
 

Задание 5. Характеризуйте методы химической кинетики. Какими факторами можно изменить скорость химических реакций? Оцените, за сколько времени произойдет химическая реакция при температуре 70°C, если при температуре 50°C она протекает за 2 мин. 15 с, при этом известно, что в данном температурном интервале g = 3? 

     К методам химической кинетики относят  изменение температуры, изменение  концентрации реагирующих веществ, катализ.

     Скорость  химической реакции можно увеличить  путем выбора химически активных реагентов, повысив концентрации реагентов, увеличив поверхность твердых и жидких реагентов, повысив температуру, введением катализатора.

     Так же скорость химической реакции можно  уменьшить путем выбора химически  неактивных реагентов, понижением концентрации реагентов, уменьшением поверхности твердых и жидких реагентов, понижением температуры, введением ингибиторов. 

ЗАДАЧА. 

 Для решения задачи используем правило Вант-Гоффа. При увеличении температуры с 50 до 70C скорость реакции в соответствии с этим правилом возрастает:

v(t₂)/v(t₁) = g ^{(t2 - t1)/10} = 3^{(70 - 50)/10} = 3² = 9.

Скорость  реакции обратно пропорциональна  времени реакции:

v(t₂) / v(t₁) = Т(t₂) / Т(t₁),

Т - время  реакции при различных температурах.

Переведем время в секунды - 135 с. Выразим  отсюда Т(t₂):

Т(t₂) = Т(t₁)·v(t₂)/v(t₁) = 135·(1/9) = 15 с.

Ответ: Время химической реакции 15с. 
 

Задание 6. Понятие равновесия в механике и статистической термодинамике. Как ведут себя макросистемы вдали от равновесия? Поясните принцип локального равновесия. Используя принцип Ле Шаталье – Брауна ответьте, в какую сторону измениться равновесие в системе H₂ + I₂ « 2HI, при уменьшении концентрации йодоводорода? 

     В механике считается, что система  находится в равновесии, если все действующие на нее силы полностью уравновешены между собой, то есть гасят друг друга.

     Термодинамическое равновесие - состояние системы, при  котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы. Положению равновесия с молекулярно-кинетической точки зрения отвечает состояние максимального хаоса в изолированной системе. По законам термодинамики такая система вернется в положение равновесия; при удалении от него ее состояние становится все более неустойчивым, и даже малые изменения какого-либо параметра могут перевести систему в новое состояние.

     Отличия неравновесной структуры от равновесной  заключается в следующем.

1. Система  реагирует на внешние условия  (гравитационное поле и т. п.).

2. Поведение  случайно и не зависит от  начальных условий, но зависит  от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается.

4. Наличие  бифуркации - переломной точки в  развитии системы.

5. Когерентность:  система ведет себя как единое  целое и как если бы она  была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются, система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

     Различают также области равновесности  и неравновесности, в которых может пребывать система.

     Неравновесная область.

1. Система  «адаптируется» к внешним условиям, изменяя свою структуру.

2. Множественность  стационарных состояний.

3.Чувствительность к флуктуациям (небольшие влияния приводят к большим последствиям, внутренние флуктуации становятся большими).

4. Неравновесность  - источник порядка (все части  действуют согласованно) и сложности.

5. Фундаментальная  неопределенность поведения системы.

     Равновесная область

1. Для  перехода из одной структуры  к другой требуются сильные  возмущения или изменения граничных условий.

2. Одно  стационарное состояние.

3. Нечувствительность  к флуктуациям.

4. Молекулы ведут себя независимо друг от друга.

5. Поведение  системы определяют линейные  зависимости. 

     Будучи  предоставлена самой себе, при  отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию  равновесия - наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры - кристалл. К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых. Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

     Внутренняя  релаксация противостоит процессам, нарушающим равновесие. В случае разреженных  газов - это процессы столкновений. Если возмущающие процессы менее интенсивны, чем релаксационные, то говорят о локальном равновесии, существующем в малом объеме. При этом не обязательно, чтобы в других частях системы состояние было близко к равновесию. Например, газ помещают между плоскостями, нагретыми до разных температур. Процесс теплопроводности крайне медленный, газ находится в неравновесном состоянии, а где-то в системе будет малая область с локальным равновесием. Эта идея, высказанная И.Р. Пригожиным, позволила описывать в такой области состояния теми же параметрами, что и при равновесии. 

     Важное  понятие локального равновесия вводят при медленном изменении внешнего воздействия и для времен, больших характерного времени элементарного релаксационного процесса, формирующего равновесие. Эти условия возникают из статистического рассмотрения процессов. Принцип локального равновесия ограничивает число систем, доступных термодинамическому рассмотрению. Есть также взаимное влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который в формулировке Вейля гласит: «Если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию». Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разного типа не могут быть связаны друг с другом. Так, скалярная величина (химическое сродство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность). 

     Принцип Ле Шателье — Брауна — если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение. При уменьшении концентрации йодоводорода равновесие сместится в сторону образования продуктов (йодоводорода). 

     Задание 7.  Дайте общую характеристику жидкого состояния. Определите картину процессов при явлениях капиллярности, смачивании, вязкости, поверхностном натяжении.  Как объясняют большую теплоемкость воды, большое поверхностное натяжение и свойство капиллярности? Какое значение имеют эти особенности воды  в живой природе? 

     Жидкость — одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.