Глава 7.1. Первоначальные химические понятия

Соболев А. Д.

Курс лекций по общей и неорганической химии

1 том

Тула 2011 год

 

 

Соболев А. Д. Курс лекций по общей и неорганической химии для учащихся Химического лицея. Т 1. Издание 5-е исправленное и дополненное.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................... 5

Глава 7.1. Первоначальные химические понятия

§7.1.1. Предмет химии. Строение атомов......................................... 7

§7.1.2. Изотопы.................................................................................. 11

§7.1.3. Молекулы............................................................................... 16

§7.1.4. Силы межмолекулярного взаимодействия......................... 20

§7.1.5. Явления физические и химические. Признаки и условия течения химических реакций 24

§7.1.6. Элементарное введение в строение атома.......................... 28

§7.1.7. Электронные конфигурации атомов................................... 32

§7.1.8. Валентность и степень окисления. Формулы бинарных соединений    38

Глава 7.2. Основные понятия и законы химии

§ 7.2.1. Атомно-молекулярное учение и закон сохранения массы. Закон постоянства состава 41

§ 7.2.2. Закон кратных отношений. Закон объемных отношений. Закон Авогадро     45

§ 7.2.3. Основные химические понятия. Атомные и молекулярные массы       47

§ 7.2.4. Закон эквивалентов. Газовые законы................................. 52

§ 7.2.5. Некоторые методы определения атомных масс химических элементов 57

§ 7.2.6. Химические формулы и уравнения.................................... 61

Глава 7.3. Воздух. Инертные газы

§ 7.3.1. Воздух.................................................................................... 67

§ 7.3.2. Вакуум. Жидкий воздух....................................................... 72

§ 7.3.3. Инертные газы. Открытие аргона...................................... 79

§ 7.3.4. Нахождение в природе. Химические свойства. Получение и применение.     84

Глава 7.4. Кислород

§ 7.4.1. Кислород................................................................................ 92

§ 7.4.2. Получение и применение кислорода................................. 96

§ 7.4.3. Озон...................................................................................... 100

§ 7.4.4. Чистое вещество................................................................. 105

§ 7.4.5. Очистка веществ................................................................. 108

Введение

Дорогие лицеисты, я поздравляю Вас. Вы приступаете к изучению химии, одной из самых интересных, загадочных и трудных наук.

Изучение химии потребует от Вас собранности и серьезности. С самого начала нашей совместной работы мы будем относиться к Вам как к взрослым людям, серьезно относящимся к получению качественного естественно-научного образования.

Химию Вы будете изучать на лекционных и семинарских занятиях. В неделю у Вас будет одна двухчасовая лекция и четыре одночасовые семинара. На лекциях Вам будут рассказывать, тот материал, который потом будет отрабатываться на первых двух семинарах и спрашиваться на двух последних. Краткие ответы на теоретические вопросы Вы должны подготовить к устному опросу на последнем семинаре. На первый семинар по химии следующей недели,  Вы должны предоставить решение 30 задач прошлой недели.

На лекциях Вы можете вести конспект, в котором кратко излагается содержание лекции, в конспект могут вносится дополнения знания, полученные Вами из других источников, включая интернет. При подготовке к семинарам и экзаменам, конспект следует вести в общей или блочной тетради, оставляя большие поля. Эту тетрадь следует хранить, по крайней мере, до окончания лицея, были случаи, когда лицеисты пользовались своими конспектами для сдачи коллоквиумов, зачетов и экзаменов в ВУЗах. При подготовке к семинарам следует обратить внимание на вопросы выносимые на семинар и на экзаменационные вопросы, приводимые в конце сборника семинаров. Для подготовки к экзаменам следует завести особую тетрадь ответов на экзаменационные вопросы, в том или ином виде данные вопросы могут повторяться до окончания 11-го класса.

В отличии от обычных школьных заданий, домашнее задание по химии у Вас имеется на весь учебный год, мы рекомендуем начать знакомство с ним в начале недели, чтобы у Вас было время задать учителю вопросы, ответы на которые Вы не нашли в учебниках.

Наш опыт показывает, что Вам лучше иметь дело с преподавателем, ведущим семинарские занятия. Учащиеся, занимающиеся списыванием или привлекающие посторонних учителей химии для выполнения домашних заданий, как правило, досрочно покидают лицей. Вы должны отдавать себе отчет в том, что если Вы списали домашнюю работу и не в состоянии ее воспроизвести, то эта работа бессмысленна.

Желаю успехов в обучении.

Директор МОУ «Химический лицей», четырежды Соросовский учитель, преподаватель общей и неорганической химии

А. Д. Соболев.

Глава 7.1

Табл. 1.1. Элементарные частицы материи

Частица	Заряд	Масса, а. е. m.	Масса, [m(e^-) = 1].
Протон, p^+	+1	1,00728	1835
Нейтрон, n	0	1,00867	1837
Электрон, e^-	-1	0,000549	1

Атомы состоят из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного одной или несколькими отрицательно заряженными ча­стицами (электронами). В ядре сконцентрирована практически вся масса атома и при этом ядро имеет очень небольшие размеры. Радиус типичного атома составляет приблизительно 100-250 пм (1 пм = 10^-12 м), а радиус ядра имеет величину порядка 10^-3 пм, т.е. радиус ядра в десять тысяч раз меньше радиуса атома. Если бы атом оказался увеличенным до размеров Земли, его ядро имело бы всего 60 м в диаметре и смогло свободно уместиться на небольшом футбольном поле.

Ядро атома состоит из нуклонов (это общее название протонов и нейтронов). Протоны и нейтроны имеют почти одинаковые массы, но отличаются зарядом. У нейтрона нет электрического заряда, заряды протона и электрона одинаковы по величине, но противоположны по знаку, положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом окружающих его электронов.

Табл. 1.2. Состав и свойства некоторых атомов и ионов

Атом или ион	Число е^–	Число р	Число n	Атомный порядковый номер	Атомная масса а.е.м.	Суммарный заряд, единицы электронного заряда
Атом водорода ^1Н или Н	1	1	0	1	1,008	0
Атом дейтерия ^2Н или D	1	1	1	1	2,014	0
Атом трития ^3Н или Т	1	1	2	1	3,016	0
Ион водорода Н^+	0	1	0	1	1,007	+1
Атом гелия 2^4Не	2	2	2	2	4,003	0
Ядро атома гелия или a-частица Не^2^+	0	2	2	2	4,002	+2
Атом лития ^73Li	3	3	4	3	7,016	0
Атом углерода ^126С	6	6	6	6	12,000	0
Атом кислорода ^168О	8	8	8	8	15,995	0
Атом хлора ^3517Cl	17	17	18	17	34,969	0
Атом хлора ^3717Cl	17	17	20	17	36,966	0
Естественная смесь изотопов хлора	17	17	18 или 20	17	35,453	0
Атом урана ^23492U	92	92	142	92	234,04	0
Атом урана ^23592U	92	92	143	92	235,04	0
Атом урана ^23892U	92	92	146	92	238,05	0
Естественная смесь изотопов урана	92	92	Варьирует	92	238,03	0

Изотопы

Молекулы

Образование атомов из элементарных частиц, является предметом рассмотрения ядерной физики.

Когда атомы настолько сближаются друг с другом, что внешние электроны одного атома могут взаимодействовать с внешними электронами других атомов, между атомами возникают силы притяжения, удерживающие их вместе — химическая связь. В простейших случаях связь возникает в результате обобществления двух электронов между парой атомов, причем каждый из связанных атомов поставляет для этого по одному электрону. Связи, возникающие в результате обобществления электронов, называются ковалентными связями, а два или несколько атомов, связанных воедино ковалентными связями, называют молекулой.

Молекула ¾ частица способная к самостоятельному существованию и представляющая совокупность атомов связанных между собой ковалентными связями.

Молекулу можно изобразить в виде химической формулы, которая показывает качественный и количественный состав вещества.

Рис. 1.2. Форма и относительные размеры некоторых простых молекул. Каждая пара связанных атомов как бы проникает друг в друга, потому что их электронные облака перекрываются между собой. Принято изображать молекулы таким образом, что расширяющаяся линия указывает связь, направленную от плоскости рисунка в сторону наблюдателя, а пунктирная линия указывает связь, уходящую за плоскость рисунка в сторону от наблюдателя.

В графических формулах молекул ковалентная связь, возникающая в результате обобществления пары электронов, схематически изображается прямой линией, соединяющей связанные атомы. Так, в молекуле воды один атом кислорода (О) связан с двумя атомами водорода (Н). Графическая формула этой молекулы может быть изображена двумя способами:

Второй вариант графической формулы воды учитывает тот факт, что молекула воды не линейна; две связи Н-О образуют угол 105° друг с другом.

Молекулы газообразного водорода, сероводорода, аммиака, метана и метанола (метилового спирта) имеют следующие структурные формулы:

      

Графические формулы указывают только связи между атомами молекулы. Они не дают сведений о трехмерной структуре (или форме) молекул. Рис.1.2 дает представление о форме и относительном объеме нескольких молекул. Угол между связями в молекулах, содержащих более двух атомов, может принимать различные значения. В молекуле сероводорода равен 92°; четыре атома, присоединенных к центральному атому углерода в метане, направлены к четырем вершинам тетраэдра.

Графическая формула неразветвленного октана, одного из компонентов бензина, такова:

Каждая из указанных выше графических формул может быть сведена к сжатой молекулярной формуле, которая показывает, сколько атомов каж­дого элемента имеется в молекуле, но совсем или почти совсем не дает сведений о том, как эти атомы соединены между собой. Молекулярная формула водорода Н₂, воды Н₂О, сероводорода H₂S, аммиака NН₃, мета­на СН₄, метанола (метилового спирта) СН₃ОН или СH₄О, а октана C₈H₁₈. Формула октана может быть также записана в такой форме:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃

Табл. 1.3. Температуры плавления и кипения некоторых веществ молекулярного строения

Вещество	Молекулярная формула	tпл., °С	tкип., °С
Газы
Водород	H2	-259,1	-252,5
Кислород	O2	-218,4	-183,0
Метан	CH4	-182,5	-164,0
Сероводород	H2S	-85,5	-60,7
Хлор	Cl2	-101,0	-34,6
Аммиак	NH3	-77,7	-33,4
Жидкости
Бром	Br2	-7,2	+58,8
Метанол	CH3OH	-93,9	+65,0
Вода	H2O	0	+100
н-Октан	C8H18	-56,8	+125,7
Кристаллы
Иод	I2	+113,5	+184,4
Сахароза	C12H22O11	+185	разл.

На температуры плавления и кипения сильное влияние оказывают вандерваальсовы силы межмолекулярного взаимодействия связанные с полярностью мо­лекул. Если два атома связаны друг с другом ковалентной связью в результате обобществления пары электронов и неодинаково сильно притягивают к себе эти электроны, то электронная пара смещается в сто­рону того атома, который притягивает ее сильнее. На этом атоме возникает некоторый избыток отрицательного заряда, записываемый символом d^- (а не знаком минус, который означает полный электронный за­ряд), а на соседнем атоме появляется небольшой положительный заряд d⁺. По­скольку способность притягивать электроны кислорода (электроотрицательность) больше, чем у водорода, атом кислорода в молекуле воды или ме­тилового спирта несет на себе небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — небольшие положительные заряды (рис. 1.4). Такие моле­кулы называются полярными, они ведут себя как крошечные электрические диполи. Отрицательный заряд на атоме кислорода притягивает расположенные поблизости положительные за­ряды, а положительно заряженные атомы водорода притягивают другие отрицательные заряды. Так возникает еще один тип сил притяжения меж­ду молекулами, помимо вандерваальсовых сил притяжения. Из-за наличия дополнительных сил взаимодействия между полярными молекулами метанола (метилового спирта) он плавится и кипит при гораздо более вы­соких температурах, чем метан, который имеет сходные с метанолом раз­меры молекул. При комнатной температуре метанол представляет собой жидкость, а метан — газ.

В воде силы притяжения между атомами водорода и кислорода, принадлежащими различным молекулам, столь велики, что получили название водородных связей (H -связь). H-связи играют чрезвы­чайно важную роль в белках и других гигантских молекулах, из которых построены живые организмы. Если бы не полярность молекул воды и на­личие между ними H-связей, вода плавилась бы и кипела при более низких температурах, чем даже сероводород. При комнатной температуре она находилась бы в газообразном состоянии, а не в виде наиболее распространенной на Земле жидкости.

Рис. 1.4. Связи О-Н в молекулах во­ды и метанола (метилового спирта) полярны, потому что атом кислорода сильнее притягивает электронную па­ру и перемещает к себе ее отрица­тельный заряд; при этом на атоме во­дорода возникает частичный положи­тельный заряд. Полярность связей играет очень важную роль во взаимо­действиях между молекулами.

Квантовые числа

Главное квантовое число (n) — определяет общую энергию электрона в слое, это номер слоя. На номер слоя налагаются такие же ограничения, как и на номер Вашей квартиры, номер может быть только целым и положительным числом от 1 до бесконечности. При n равном бесконечности электрон уже не принадлежит данному атому.

Рис. 1.5. Формы электронных облаков s-, p- и d-орбиталей.

Каждый электронный слой в атоме имеет свою емкость, т. е. может содержать не больше определенного числа электронов, причем, чем дальше слой от ядра, тем электронов в нем может быть больше, максимальное число электронов в слое можно рассчитать по формуле:

N = 2n²

n	1	2	3	4	5
N	2	8	18	32	50

Каждое значение главного квантового числа это как бы этаж в доме, а на каждом этаже есть квартиры, состоящие из разного числа комнат. Чисто квартир на этаже определяет орбитальное квантовое число l.

Орбитальное квантовое число l. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n–1 (l = 0, 1,..., n–1). Обычно численные значения l принято обозначать следующими буквенными символами:

Значение l	0	1	2	3
Буквенное обозначение	s	p	d	f

В этом случае говорят о s-, p-, d-, f-состояниях электронов, или о s-, p-, d-, f-орбиталях, квартиры в доме состоят из разного числа комнат (атомных орбиталей), на одной атомной орбитали могут располагаться не более двух электронов.

Атомная орбиталь (АО) — область пространства в котором вероятность нахождение электрона максимальна и равна 90%. АО можно представить в виде электронных облаков различной формы.

Форма электронного облака зависит от значения орбитального квантового числа l.

При l = 0 (s-орбиталь) электронное облако имеет шаровидную форму (сферическая симметрия) и не обладает направленностью в пространстве (рис. 1.5).

При l = 1 (p-орбиталь), электронное облако имеет форму гантели, т. е. форму тела вращения, полученного из «восьмерки» (рис. 1.5). Формы электронных облаков d- и f-электронов намного сложнее, они показаны на рис. 1.5 и 1.6.

Магнитное квантовое число m_l. Оно может принимать значения целых чисел, как положительных, так и отрицательных, от - l до + l, включая 0, т. е. всего (2 l + 1) значений. Каждое значение m_l определяет атомную орбиталь, поэтому для s-электронов l = 0, m_l = 0 одна орбиталь, для p-электронов l = 1, m_l = 0, ±1 три орбитали, для d-электронов l = 2, m_l = 0, ±1, ±2 пять орбиталей, для f-электронов l = 3, m_l = 0, ±1, ±2, ±3 семь орбиталей.

Спиновое квантовое число, является индивидуальной характеристикой электрона. При движении электрона (заряженной частицы) возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитными полями других электронов, как полюса магнита ¾ одинаковые отталкиваются, разноименные притягиваются. Спиновое квантовое число имеет два значения +¹/₂ и -¹/₂.

Рис. 1.6. Некоторые формы электронных облаков f-орбиталей.

Глава 7.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Табл. 2.1. Состав (по массе) оксидов азота

	Состав (% по массе)		m(N): m(O) [m(N) = 1]
Оксид	азот	Кислород	азот	кислород
Гемиоксид азота, N2O	63,7	36,3	1	0,57
Монооксид азота, NO	46,7	53,3	1	1,14
Сесквиоксид азота, N2O3	36,9	63,1	1	1,71
Диоксид азота, NO2	30,5	69,5	1	2,28
Гемипентаоксид азота, N2O5	25,9	74,1	1	2,85

Массовые части кислорода, приходящихся в этих соединениях на одну массовую часть азота, относится между собой как 0,57: 1,14: 1,71: 2,28: 2,85 = 1: 2: 3: 4: 5.

Современная формулировка закона: если два химических элемента образуют между собой несколько соединений, то на одну и ту же массу одного элемента в этих соединениях, приходятся такие массы другого элемента, которые относятся между собой, как небольшие целые числа.

То, что элементы вступают в соединения определенными порциями, явилось ещё одним подтверждением правильности атомистического учения и объяснения с его позиций химических процессов.

Но, атомистические представления сами по себе не могли объяснить, например, количественных соотношений, которые наблюдаются в химических реакциях между газами.

Французский учёный Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) в 1808 году, изучая химические реакции между газообразными веществами, обратил внимание на соотношения объёмов реагирующих газов и газообразных продуктов реакции и установил, что 1 л хлора (Cl₂) целиком вступает в реакцию с 1 л водорода (H₂) с образованием 2 л хлороводорода (HCl); 1 л кислорода (O₂) взаимодействует без остатка с 2 л водорода (H­₂), образуя 2 л водяного пара (H₂O). Эти опытные данные Гей-Люссак обобщил в законе объёмных отношений:

Химические уравнения. Выражение реакции при помощи химических формул называется химическим уравнением. Химические уравнения показывают, какие вещества вступают в химическую реакцию и какие вещества образуются в результате этой реакции. Уравнение составляется на основе закона сохранения массы и показывает количественные соотношения веществ, участвующих в химической реакции.

В качестве примера рассмотрим взаимодействие гидроксида калия с фосфорной кислотой:

Н₃РО₄ + 3 КОН = К₃РО₄ + 3 Н₂О.

Из уравнения видно, что 1 моль ортофосфорной кислоты (98 г) реагирует с 3 моль гидроксида калия (3·56 г). В результате реакции образуется 1 моль фосфата калия (212 г) и 3 моль воды (3·18 г).

Подписав под формулами веществ, принимавших участие в реакции их массы:

Н₃РО₄ + 3 КОН = К₃РО₄ + 3 Н₂О

98      168   212       54

98 + 168 = 266 г; 212 + 54 = 266 гвидим, что масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. Уравнения химической реакции позволяет производить различные расчёты, связанные с данной реакцией.

Пример 14. Определить массу фосфата калия, который получится при нейтрализации фосфорной кислоты гидроксидом калия массой 42 г.

В соответствии с приведённым выше химическим уравнением вычислим число молей гидроксида калия пошедшего на нейтрализацию:

n(KOH) = 42/56 = 0,75 (моль),

следовательно: n(K₃PO₄) = 1/3n(KOH) = 0,25 (моль),

m(K₃PO₄) = (39·3 + 31 + 16·4)·0,25 = 212·0,25 = 53 г.

В уравнении реакции коэффициенты перед газообразными веществами показывают не только соотношение масс реагирующих газов, но и их объёмные соотношения. Это позволяет рассчитать объёмы участвующих в реакции газов непосредственно по уравнению минуя вычисления массы газа.

Пример 15. При взаимодействии металлического натрия с водой выделилось 280 мл водорода (при н. у.). Сколько граммов натрия вступило в реакцию?

Запишем уравнение реакции взаимодействия натрия с водой:

2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂­

n(H₂) = 0,28/22,4 = 0,0125 (моль) = 1/2n(Na)

n(Na) = 0,025 моль, m(Na) = 23·0,025 = 0,575 г.

Воздух

Сами того не замечая, мы живем 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 ежегодно.

Общая масса атмосферы равна 5,2·10¹⁵ т, т. е. составляет менее одной миллионной от массы всего земного шара (6,0·10²¹ т). Однако на долю каждого человека всё же приходится более 1,5 млн. т воздуха. Около 90% массы атмосферы заключено в слое высотой до 16 км и лишь одна миллионная — выше 100 км.

В древности воздух считался индивидуальным веществом. По учению греческого философа Анаксимена, воздух является началом всего сущего, а позднее он стал рассматриваться в качестве одного из основных элементов природы. То обстоятельство, что воздух имеет массу, было известно уже Аристотелю.

Александрийский учёный Герон (62-150 гг. н. э.) писал о воздухе следующее: «Сосуды, которые кажутся большинству людей пустыми, на самом деле не пусты, а наполнены воздухом... Воздух образован частицами маленькими и лёгкими, в своём большинстве невидимыми... Отсюда должно быть принято, что воздух материален. Приведённый в движение, он становится ветром (так как ветер есть нечто иное, как воздух в движении)».

Первые указания на сложность состава воздуха имеются в сочинениях древних китайских химиков. Из европейцев такое мнение впервые высказал Леонардо да Винчи (конец XV века). Оно было подтверждено опытным путём и стало общепринятым лишь около XVIII века.

О силе ветра. Сила ветра измеряется специальными приборами (анемометрами) и обычно оценивается по 12-бальной шкале. Тихий ветер (1) лишь отклоняет дым из трубы, при сильном (6) качаются верхушки деревьев, а ураган (12) причиняет большие разрушения.

Воздух имеет сложный состав. Его основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относятся кислород (около 21% по объёму), азот (около 78%) и так называемые инертные газы (около 1%). Содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02-0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, — аммиака и т. д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.

Кроме перечисленных газов воздух постоянно содержит следы (т. е. ничтожные количества) озона, водорода, метана, аммиака, оксидов азота и угарного газа. По мере совершенствования методов газового анализа число таких, практически незаметных составных частей воздуха постепенно возрастает.

Атмосферная пыль содержит частицы диаметром от 10^-7 до 10^-2 см (из которых наиболее мелкие не оседают даже в неподвижном воздухе). Помимо пылинок, возникающих на земной поверхности (частиц почвы, дыма, пыльцы растений и т.д.), некоторое значение имеют пылинки вулканического и даже космического происхождения. Подсчитано, что на Землю ежегодно оседает около 5 млн. т космической пыли, (поверхность Земли равна 510 млн. км²), поэтому на квадратный метр приходится лишь сотая доля грамма.

Абсолютная запылённость воздуха может быть в отдельных местах очень различной. Его относительная запылённость быстро уменьшается с высотой.

Высота, км	0,1	1	2	3	4	5	6
Число пылинок в 1 см^3	45000	6000	700	200	100	50	20

Кубический сантиметр комнатного воздуха обычно содержит миллионы пылинок.

Общая запылённость воздуха возрастает. Было установлено, что за десятилетие с 1957 по 1967 г. помутнение атмосферы над Тихим океаном увеличилось на 30%. Количество пыли, выпадающей в большом городе, огромно. Было подсчитано, что на каждый м² в Нью-Йорке ежемесячно выпадает до 17 г пыли, а в Токио — даже вдвое больше. Каждый кубический сантиметр воздуха городов содержит несколько тысяч микроорганизмов.

Освобождение от пыли является первой стадией получения кондиционированного воздуха, который, помимо чистоты, характеризуется постоянными температурой и влажностью. Кондиционирование воздуха важно для некоторых отраслей промышленности, а также картинных галерей, музеев и т. д.

Находящийся над Землей воздух давит на неё с силой более одного килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эту величину легко подсчитать, зная, что нормальное атмосферное давление уравновешивается столбом ртути (r(Hg) = 13,6 г/см³) высотой 760 мм. Общее давление атмосферы может быть разложено на давления отдельных составляющих её газов — в этом случае говорят об их парциальных (частичных) давлениях. Например, из общей величины в 101325 Па на долю кислорода приходится 101,325·0,21 = 21,28 кПа.

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы с высотой почти не меняется.

Вся жизнь на земной поверхности развивалась в условиях атмосферного давления, поэтому мы не замечаем его, подобно тому как глубоководные рыбы не замечают колоссальных давлений на больших глубинах океана, тогда как на глубине 11 км давление превышает 1,01·10⁸ Па. Изменение среднего атмосферного давления с высотой над уровнем моря:

Высота, км	0	1	2	3	4	5	10	20	50	100
Давление, мм рт. ст.	760	673	594	524	461	405	210	42	0,76	0,0006

Налагаемая атмосферным давлением на живые организмы нагрузка гораздо значительнее, чем это представляется с первого взгляда. Общая поверхность человеческого тела составляет в среднем около 20 тыс. см². Это значит, что человек незаметно для себя испытывает постоянную нагрузку в размере примерно 20 т.

Непосредственно примыкающий к поверхности Земли слой атмосферы характеризуется довольно закономерным изменением температуры — последняя понижается примерно на 6 град с каждым километром высоты. Слой этот — тропосфера — простирается на высоту около 18 км у экватора и 7 км у полюсов. Между ним и Землёй существует известная разность потенциалов, причём тропосфера заряжена положительно, а земная поверхность отрицательно. Основное значение для поддержания разности потенциалов имеет постоянное поступление в атмосферу множества мельчайших капелек морской воды, срываемых с гребней океанских волн и приобретающих при этом значительный положительный заряд.

Более высокие слои атмосферы принято делить на стратосферу (приблизительно до 40 км), мезосферу (40-80 км), термосферу (80-800 км) и экзосферу (выше 800 км). Границы между этими слоями не являются чёткими и несколько изменяются в зависимости от широты местности, времени года и общего состояния атмосферы. Верхняя граница того или иного слоя носит название соответствующей «паузы». Так, граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. На высотах порядка нескольких тысяч километров экзосфера постепенно переходит в межпланетный газ.

Помимо приведённой выше общей классификации атмосферных слоёв, для некоторых из них применяются другие названия. Так, слой высотой 30-80 км, в котором преимущественно протекают химические реакции под действием солнечных лучей, иногда называют хемосферой, слой выше 80 км, характеризующийся большим относительным содержанием заряженных частиц — ионосферой.

Основной химический состав атмосферы примерно до 1000 км остаётся азотно-кислородным. В противоположность монотонно уменьшающемуся давлению, температурная кривая имеет минимум на высоте около 20 км, максимум около 50 км и новый минимум в мезопаузе. После этого температура начинает расти, достигая примерно 900 °С уже на высоте 200 км. Плотность атмосферы на больших высотах последовательно уменьшается.

Общий характер высотного изменения температуры воздуха был предугадан Аристотелем. Он делил атмосферу на три слоя, из которых прилегающий к Земле пригоден для жизни, следующий сильно охлажден, а самый верхний, наоборот, сильно нагрет.

Рис. 3.1. Основныехарактеристики вакуума.

По молекулярно-кинетической теории температура газа определяется средней энергией движения составляющих его частиц. «Совершенно очевидно, что имеется достаточное основание теплоты в движении. А так как движение не может происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи», — писал в 1745 г. М. В. Ломоносов.

Термометр изоли­рован от излучений, он показал бы очень низкую температуру, ниже -200 °С. Дело в том, что термометр (дающий практически интересующие нас оценки) регистрирует не энергию движения каждой отдельной частицы, а общую энергию, сообщаемую ему ударами окружающих частиц. Таких ударов за единицу времени тем больше, чем больше молекул в единице объема газа. Каждый кубический сантиметр воздуха земной поверхности содержит 2,7·10¹⁹ молекул.

Вакуум. Жидкий воздух

Обычно достигаемый в лабораториях вакуум («пустота»), при котором столкновения молекул между собой уже сравнительно редки, соответствует давлению примерно в 0,13 Па. При каком вакууме в каждом кубическом сантиметре разреженного газа остается еще около 3·10¹³ частиц. Даже с помощью самых совершенных методов современной техники не удается достигнуть вакуума, при котором в кубическом сантиметре газа оставалось бы менее 1000 частиц. Между тем кубический сантиметр межпланетного пространства содержит лишь десятки частиц, а межзвездного — еще гораздо меньше. Именно поэтому «межзвездное пространство одновременно и исключительно холодно и чрезвычайно горячо» (Эддингтон).

Фактическая температура находящегося в межпланетном пространстве тела соответствует средней энергии движения его собственных частиц. Она определяется в основном лучепоглощением и лучеиспусканием этого тела. Например, обращенная к Солнцу сторона Луны (на ее экваторе) нагревается до +120 °С, а обратная осаждается до -150 °С. Так как одни поверхности (особенно-зеркальная) сильно затрудняют обмен лучистой энергией, а другие (особенно — шероховатая черная) такому обмену очень способствуют, путем изменения характера направленных к Солнцу и от него поверхностей находящегося в межпланетном пространстве тела можно регулировать его температуру.

Масса литра воздуха при нормальных условиях (1,293 г), а его средняя молярная масса воздуха равна 22,4·1,293 = 29 г/моль.

Пример 1. Вычислим плотность хлора по отношению к воздуху. Молекулярная формула хлора — Cl₂, молярная масса — 35,5·2 = 71. Как вытекает из закона Авогадро, данный газ во столько раз тяжелее (легче) воздуха, во сколько раз его молярная масса больше (меньше) средней молярной массы воздуха. Следовательно, плотность хлора по отношению к воздуху будет 71:29 = 2,45, т. е. хлор приблизительно в 2,5 раза тяжелее воздуха.

При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.

Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около -190 °С. Состав его непостоянен, так как азот улетучивается быстрее кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).

До XIX века считали, что газы являются таковыми по самой своей природе, и вопрос о их сжижении даже не возникал. Лишь в 20-х годах XIX века, применяя значительные давления, удалось получить в жидком состоянии хлор, аммиак, диоксид углерода и ряд других веществ «газообразной природы». Однако оставались еще многие, в частности основные газы воздуха — кислород и азот, которые, несмотря на все усилия, не сжижались. На них перенесли то представление, которое раньше было общим и стали считать их «постоянными» газами. Только в 1877 г. впервые удалось получить в жидком состоянии один из этих «постоянных» газов — кислород. Вслед за тем были сжижены и все другие.