Химические связи, химическое равновесие и принцип Ле Шателье. Экзотермические и эндотермические реакции.

Соединение различных веществ приводит к их химическому преобразова­нию, в результате чего из одних исходных веществ получаются другие — продукты химических реакций.

Химическими реакциями являются превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу или строению. Общее число атомов каждого данного элемента, а также сами химические элементы, составляющие вещества, остаются неизменными. Химические реакции осуществляются при взаимодействии веществ между собой или при внешних воздействиях на них температуры, давления, электрических и магнитных полей и т. п. В ходе химических реакций одни вещества (реагенты) превращаются в другие (продукты реакций). Каждая химическая реакция характеризуется стехиометрическим соотношением — численным соотношением между массами или объемами реагирующих веществ и скоростью химической реакции — количеством продуктов реакции, возникающих в результате реакции за единицу времени в единице объема (если реакция гомогенна, т. е. распространена по всему объему реагирующих веществ) или на единице площади поверхности (если реакция гетерогенна, т. е. распространена только по поверхностям реагирующих тел). Для исходных веществ аналогичным образом определяется скорость их расходования.

Количества реагирующих веществ обычно выражают в молях. Моль — единица количества вещества, содержащая столько структурных единиц (атомов, молекул или их конгломератов) сколько их содержится в нуклиде углерода массой 12 г., т.е. 6,022- 10²³ (число Авогадро). Моль (грамм-молекула) — число граммов вещества, равное его молекулярной массе. Например, поскольку молекулярная масса воды равна 18, то ее моль равен 18 г.

Химические соединения — это химические вещества, молекулы которых состоят из нескольких атомов, соединенных химическими связями. Основные типы химических связей — ковалентная и ионная. В первой из них орбитали электронов соседних атомов объединяются в общую молекулярную орбиталь; во второй — орбитали смещаются как результат ионизации атомов в молекуле, но не объединяются.

Экзотермические реакции — это химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты. Таким реакциями являются горение, нейтрализация, большинство реакций образования химических соединений из простых веществ.

Частным случаем экзотермической реакции является взрыв — процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. В результате взрыва химическое вещество превращается в сильно нагретый газ с очень высоким давлением.

Взрывчатые вещества делятся на инициирующие и бризантные. Инициирующие ВВ задействуются от механического удара или от луча пламени. Бризантные ВВ более мощные, но они менее чувствительны к слабым воздействиям. Задействуются они только от инициирующих ВВ.

Эндотермические реакции — реакции, идущие с поглощением тепла. К таким реакциям относятся реакции разложения молекул на свободные атомы, восстановление металлов из руд, фотосинтез в растениях и образование некоторых сложных соединений из простых веществ.

Принцип Ле-Шателье-Брауна устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Так, при нагревании равновесной системы в ней происходят изменения (напр. хим. реакции), идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении — изменения, протекающие с выделениемтеплоты. При увеличении давления смешение равновесия связанос уменьшением общего объема системы, а уменьшению давления сопутствуютфизическиеили химические процессы, приводящие к увеличению давления.

16.2 Проблема отражения — фундаментальное свойство взаимодействия мате­риальных объектов. Простейшим примером отражения является след, оставленный человеком на дороге. Но то же самое происходит в природе повсеместно, так как сам факт взаимодействия тел — это передача и запоминание влияния одного материального тела на другое. В технике это взаимодействие используется во многих направлениях, в частности, для запоминания информации.

Существует множество способов запоминания и накапливания информа­ции. Одним из наиболее перспективных для запоминания изображений явля­ется метод голографии.

Голография — метод получения объемного изображения, основанная на интерференции волн. Идея голографии впервые была высказана Д. Габором (Англия) в 1948 г.

Если в процессе обычной фотографии на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности волн (амплитуд всех попавших в каждую точку волн), то с помощью голографии на фотопластинке фиксируется не только амплитуда, но и фаза каждой волны света, рассеянного объектом. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна) необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света, например, лазера с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна).

Интерференционная картина (чередование темных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, т. е. об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется голограммой.

Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же волной, которая использовалась при ее получении. В простейшем случае — интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) голограмма представляет собой дифракционную решетку.

В результате просвечивания голограммы наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, видит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съемке.

Если наблюдатель смотрит на голограмму с разных сторон; он соответственно получает отраженный свет с изменением фаз, соответствующих повороту объекта.

В настоящее время разработаны методы голография, позволяющие освещать голограммы обычным светом и тем не менее получать поднос объемное изображение предметов.

Качество голографического изображения зависит от разрешающей способности фотоматериалов.

Поскольку изображение каждой точки запоминается на всей поверхности голограммы, то отрезание части голограммы не уничтожает изображения, а только ухудшает качество изображения.

Голография нашла широкое применение в технике для фиксированиясамых разнообразных процессов. Импульсная голография (освещение предмета коротким импульсом) нашла применение при изучении изменений быстропротекающих процессов. Высокая разрешающая способность современных фотоматериалов позволяет применить голографию для запоминания больших массивов информации, в том числе цифровой информации, видео и звуковой информации. В перспективе возможно создание на этой основе объемного телевидения.

17.1 Представления об устройстве Вселенной. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество, из которого впоследствии образовалась Вселенная, с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлетелось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там в последствии и образовались звёзды и даже целые галактики.

Вселенная — фундаментальное понятие астрономии, строго не определяемое, включает в себя весь окружающий мир. На практике под Вселенной часто понимают часть материального мира, доступную изучению естественнонаучными методами. Вселенная в пределах космологического горизонта представляет собой самую крупную из известных науке систем. В процессе своего развития Вселенная создает определенные подсистемы, характеризующиеся различными масштабами, открытостью и неравновесностью. Одно из важнейших свойств Вселенной — она расширяется, причём ускоренно. Чем дальше расположен объект от нашей галактики, тем быстрее он от нас удаляется. Видимое вещество во Вселенной структурировано в звёздные скопления — галактики. Галактики образуют группы, которые, в свою очередь, входят в сверхскопления галактик. Космологические парадоксы — затруднения (противоречия), возникающие при распространении законов физики на Вселенную в целом или достаточно большие её области. Фотометрический парадокс состоит в том, что классическая физика затрудняется объяснить, почему ночью темно: если повсюду в бесконечном пространстве стационарной Вселенной (или хотя бы в достаточно большой её области) имеются излучающие звёзды, то в любом направлении на луче зрения должна оказаться какая-нибудь звезда и вся поверхность неба должна представляться ослепительно яркой, подобной, например, поверхности Солнца. Это противоречие с тем, что наблюдается в действительности, и называлось фотометрическим парадоксом. Гравитационный парадокс состоит в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не даёт какого-либо разумного ответа на вопрос о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс. Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — правило физической космологии, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.На каждый миллион парсек расстояния до объекта его скорость убегания увеличивается приблизительно на 75 км/с.Космологическое (метагалактическое) красное смещение — наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, то есть о нестационарности (расширении) Метагалактики.Образование космологического красного смещения можно представить так: рассмотрим свет — электромагнитную волну, идущую от далёкой галактики. В то время как свет летит через космос, пространство расширяется. Вместе ним расширяется и волновой пакет. Соответственно, изменяется и длина волны. Если за время полёта света пространство расширилось в два раза, то и длина волны и волновой пакет увеличивается в два раза.Интерпретация наблюдаемого красного смещения как результат эффекта Доплера (изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника) означает наличие у галактик реальных скоростей, направленных от нас, причём и чем дальше находится галактика, тем больше её скорость, приближаясь к скорости света. То есть наблюдается картина, похожая на взрыв. Такая картина означает, что позиция Солнца, нашей галактики является выделенной, что противоречит космологическому принципу, который в свою очередь подтверждается наблюдаемой изотропностью Вселенной. Таким образом, интерпретация красного смещения с помощью эффекта Доплера не может объяснить наблюдения: высокую изотропность и однородность крупномасштабной структуры Вселенной.