Ковалентная связь
Ковалентная связь возникает чаще всего между атомами элементов неметаллов. Если атомы неметаллов, образующие ковалентную связь, относятся к разным химическим элементам, такую связь называют ковалентной полярной. Причина такого названия кроется в том, что атомы разных элементов имеют и различную способность притягивать к себе общую электронную пару. Очевидно, что это приводит к смещению общей электронной пары в сторону одного из атомов, в результате чего на нем формируется частичный отрицательный заряд. В свою очередь, на другом атоме формируется частичный положительный заряд. Например, в молекуле хлороводорода электронная пара смещена от атома водорода к атому хлора:
Примеры веществ с ковалентной полярной связью:
СCl4, H2S, CO2, NH3, SiO2 и т.д.
Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметаллов одного химического элемента. Поскольку атомы идентичны, одинакова и их способность оттягивать на себя общие электроны. В связи с этим смещения электронной пары не наблюдается:
Вышеописанный механизм образования ковалентной связи, когда оба атома предоставляют электроны для образования общих электронных пар, называется обменным.
Также существует и донорно-акцепторный механизм.
При образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму общая электронная пара образуется за счет заполненной орбитали одного атома (с двумя электронами) и пустой орбитали другого атома. Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называют донором, а атом со свободной орбиталью – акцептором. В качестве доноров электронных пар выступают атомы, имеющие спаренные электроны, например N, O, P, S.
Например, по донорно-акцепторному механизму происходит образование четвертой ковалентной связи N-H в катионе аммония NH4+:
Помимо полярности ковалентные связи также характеризуются энергией. Энергией связи называют минимальную энергию, необходимую для разрыва связи между атомами.
Энергия связи уменьшается с ростом радиусов связываемых атомов. Так, как мы знаем, атомные радиусы увеличиваются вниз по подгруппам, можно, например, сделать вывод о том, что прочность связи галоген-водород увеличивается в ряду:
HI < HBr < HCl < HF
Также энергия связи зависит от ее кратности – чем больше кратность связи, тем больше ее энергия. Под кратностью связи понимается количество общих электронных пар между двумя атомами.
Шаги
Часть 1
Определите разорванные и образовавшиеся связи
Запишите уравнение для вычисления энергии связи.
Согласно определению, энергия связи представляет собой сумму разорванных связей за вычетом суммы сформированных связей: ΔH = ∑H (разорванные связи) — ∑H (образовавшиеся связи) . ΔH обозначает изменение энергии связи, которое называют также энтальпией связи, а ∑H соответствует сумме энергий связи для обеих частей уравнения химической реакции.
Запишите химическое уравнение и обозначьте все связи между отдельными элементами.
Если дано уравнение реакции в виде химических символов и цифр, полезно переписать его и обозначить все связи между атомами. Такая наглядная запись позволит вам легко посчитать связи, которые разрываются и образуются в ходе данной реакции.
Изучите правила подсчета разорванных и образовавшихся связей.
В большинстве случаев при расчетах используются средние значения энергии связи. Одна и та же связь может иметь немного разную энергию, в зависимости от конкретной молекулы, поэтому обычно используют средние значения энергии связи. .
- Разрывы одинарной, двойной и тройной химической связи рассматриваются как одна разорванная связь. Хотя эти связи обладают разными энергиями, в каждом случае считается, что разрывается одна связь.
- То же самое относится и к образованию одинарной, двойной или тройной связи. Каждый такой случай рассматривается как формирование одной новой связи.
- В нашем примере все связи являются одинарными.
Определите, какие связи разрываются в левой части уравнения.
Левая часть химического уравнения содержит реагирующие вещества, и в ней представлены все связи, которые разрываются в результате реакции. Это эндотермический процесс, то есть для разрыва химических связей необходимо затратить определенную энергию.
К нашем примере левая часть уравнения реакции содержит одну связь H-H и одну связь Br-Br.
Подсчитайте количество образовавшихся связей в правой части уравнения.
Справа указаны продукты реакции. В этой части уравнения представлены все связи, которые образуются в результате химической реакции. Это экзотермический процесс, и он протекает с выделением энергии (обычно в виде тепла).
В нашем примере в правой части уравнения содержатся две связи H-Br.
Часть 2
Рассчитайте энергию связи
-
Найдите необходимые значения энергии связи.
Есть множество таблиц, в которых приведены значения энергии связи для самых разных соединений. Такие таблицы можно найти в интернете или справочнике по химии. Следует помнить, что значения энергии связи всегда приводятся для молекул в газообразном состоянии. -
-
Умножьте значения энергии связи на число разорванных связей.
В ряде реакций одна связь может разрываться несколько раз. Например, если молекула состоит из 4 атомов водорода, то энергию связи водорода следует учесть 4 раза, то есть умножить на 4.- В нашем примере каждая молекула имеет по одной связи, поэтому значения энергии связи просто умножаются на 1.
- H-H = 436 x 1 = 436 кДж/моль
- Br-Br = 193 x 1 = 193 кДж/моль
-
Сложите все энергии разорванных связей.
После того как вы умножите значения энергий связи на соответствующее количество связей в левой части уравнения, необходимо найти общую сумму.Найдем суммарную энергию разорванных связей для нашего примера: H-H + Br-Br = 436 + 193 = 629 кДж/моль.
Абсолютно любого химического вещества состоит из определенного набора протонов и нейтронов. Они удерживаются вместе благодаря тому, что внутри частицы присутствует энергия связи атомного ядра.
Характерной особенностью ядерных сил притяжения является их очень большая мощность на сравнительно маленьких расстояниях (примерно от 10 -13 см). С ростом расстояния между частицами ослабевают и силы притяжения внутри атома.
Дефект массы и энергия связи.
Мы привыкли, что масса тела равна сумме масс частей, из которых оно состоит. В ядерной физике от этой простой мысли приходится отвыкать.
Давайте начнём с примера и возьмём хорошо знакомую нам -частицу ядро . В таблице (например, в задачнике Рымкевича) имеется значение массы нейтрального атома гелия: она равна 4,00260 а. е. м. Для нахождения массы M ядра гелия нужно из массы нейтрального атома вычесть массу двух электронов, находящихся в атоме:
В то же время, суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, из которых состоит ядро гелия, равна:
Мы видим, что сумма масс нуклонов, составляющих ядро, превышает массу ядра на
Величина называется дефектом массы.
В силу формулы Эйнштейна (1)
дефекту массы отвечает изменение энергии:
Величина обозначается также и называется энергией связи ядра . Таким образом, энергия связи -частицы составляет приблизительно 28 МэВ.
Каков же физический смысл энергии связи (и, стало быть, дефекта масс)?
Чтобы расщепить ядро на составляющие его протоны и нейтроны, нужно совершить работу
против действия ядерных сил. Эта работа не меньше определённой величины ; минимальная работа по разрушению ядра совершается в случае, когда высвободившиеся протоны и нейтроны покоятся.
Ну а если над системой совершается работа, то энергия системы возрастает
на величину совершённой работы. Поэтому суммарная энергия покоя нуклонов, составляющих ядро и взятых по отдельности, оказывается больше
энергии покоя ядра на величину .
Следовательно, и суммарная масса нуклонов, из которых состоит ядро, будет больше массы самого ядра. Вот почему возникает дефект массы.
В нашем примере с -частицей суммарная энергия покоя двух протонов и двух нейтронов больше энергии покоя ядра гелия на 28 МэВ. Это значит, что для расщепления ядра на составляющие его нуклоны нужно совершить работу, равную как минимум 28 МэВ. Эту величину мы и назвали энергией связи ядра.
Итак, энергия связи ядра
— это минимальная работа, которую необходимо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.
Энергия связи ядра есть разность энергий покоя нуклонов ядра, взятых по отдельности, и энергии покоя самого ядра. Если ядро массы состоит из протонов и нейтронов, то для энергии связи имеем:
Величина , как мы уже знаем, называется дефектом массы.
Ядерные реакции
Ядерными реакциями называют процессы превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с элементарными частицами.
При записи ядерной реакции слева пишется сумма исходных частиц, затем ставится стрелка, а за ней сумма конечных продуктов. Например,
Эту же реакцию можно записать в более короткой символической форме
При рассмотрении ядерных реакций используются точные законы сохранения:
энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и другие. Если в качестве элементарных частиц в ядерной реакции фигурируют только нейтроны, протоны и γ – кванты, то в процессе реакции сохраняется и число нуклонов. Тогда должны соблюдаться баланс нейтронов и баланс протонов в начальном и конечном состояниях. Для реакции получим:
Число протонов 3 + 1 = 0 + 4;
Число нейтронов 4 + 0 = 1 + 3.
Пользуясь этим правилом можно идентифицировать одного из участников реакции, зная остальных. Достаточно частыми участниками ядерных реакций являются α
– частицы (
— ядра гелия), дейтроны (
— ядра тяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона по одному нейтрону) и тритоны (
— ядра сверхтяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона два нейтрона).
Разность энергий покоя начальных и конечных частиц определяет энергию реакции. Она может быть как больше нуля, так и меньше нуля. В более полной форме рассмотренная выше реакция записывается так:
где Q
– энергия реакции. Для ее расчета с помощью таблиц свойств ядер сравнивают разность суммарной массы исходных участников реакции и суммарной массы продуктов реакции. Затем полученная разность масс (обычно выраженную в а.е.м.) пересчитывается в энергетические единицы (1 а.е.м. соответствует 931,5 МэВ).
Свойства соединений с ковалентной связью
Вещества с ковалентными связями делятся на две неравные группы: молекулярные и атомные (или немолекулярные), которых значительно меньше, чем молекулярных.
Молекулярные соединения в обычных условиях могут находиться в различных агрегатных состояниях: в виде газов (CO2 , NH3 , CH4 , Cl2 , O2 , NH3 ), легколетучих жидкостей (Br2 , H2O, C2H5OH ) или твердых кристаллических веществ, большинство из которых даже при очень незначительном нагревании способны быстро плавиться и легко сублимироваться (S8 , P4 , I2 , сахар С12Н22О 11 , «сухой лед» СО2 ).
Низкие температуры плавления, возгонки и кипения молекулярных веществ объясняются очень слабыми силами межмолекулярного взаимодействия в кристаллах. Именно поэтому для молекулярных кристаллов не присуща большая прочность, твердость и электрическая проводимость (лед или сахар). При этом вещества с полярными молекулами имеют более высокие температуры плавления и кипения, чем с неполярными. Некоторые из них растворимы в воде или других полярных растворителях. А вещества с неполярными молекулами, наоборот, лучше растворяются в неполярных растворителях (бензол, тетрахлорметан). Так, йод, у которого молекулы неполярные, не растворяется в полярной воде, но растворяется в неполярной CCl4 и малополярном спирте.
Немолекулярные (атомные) вещества с ковалентными связями (алмаз, графит, кремний Si, кварц SiO2 , карборунд SiC и другие) образуют чрезвычайно прочные кристаллы, за исключением графита, кристаллическая решетка которого имеет слоистую структуру. Например, кристаллическая решетка алмаза — правильный трехмерный каркас, в котором каждый sр3-гибридизованный атом углерода соединен с четырьмя соседними атомами С σ-связями. По сути весь кристалл алмаза — это одна огромная и очень прочная молекула. Аналогичное строение имеют и кристаллы кремния Si, который широко применяется в радиоэлектронике и электронной технике. Если заменить половину атомов С в алмазе атомами Si, не нарушая каркасную структуру кристалла, то получим кристалл карборунда — карбида кремния SiC — очень твердого вещества, используемого в качестве абразивного материала. А если в кристаллической решетке кремния между каждыми двумя атомами Si вставить по атому О, то образуется кристаллическая структура кварца SiO2 — тоже очень твердого вещества, разновидность которого также используют как абразивный материал.
Кристаллы алмаза, кремния, кварца и подобные им по структуре — это атомные кристаллы, они представляют собой огромные «супермолекулы», поэтому их структурные формулы можно изобразить не полностью, а только в виде отдельного фрагмента, например:
Кристаллы алмаза, кремния, кварца
Немолекулярные (атомные) кристаллы, состоящие из соединенных между собой химическими связями атомов одного или двух элементов, относятся к тугоплавким веществам. Высокие температуры плавления обусловлены необходимостью затраты большого количества энергии для разрыва прочных химических связей при плавлении атомных кристаллов, а не слабого межмолекулярного взаимодействия, как в случае молекулярных веществ. По этой же причине многие атомные кристаллов при нагревании не плавятся, а разлагаются или сразу переходят в парообразное состояние (возгонка), например, графит сублимируется при 3700oС.
Немолекулярные вещества с ковалентными связями нерастворимые в воде и других растворителях, большинство из них не проводит электрический ток (кроме графита, которому присуща электропроводность, и полупроводников — кремния, германия и др.).
Задача №5.
Найти энергию возбуждения, возникающего при захвате ядром 206Pb нейтрона с пренебрежимо малой кинетической энергией.
|
Дано: 207Pb, 206Pb |
Решение: |
|---|---|
|
Найти: ΔE*=? |
Из условия задачи следует, что энергия возбуждения ядра равна энергии отрыва нейтрона из него.
|
ΔE*=Eотр(n1). |
(1) |
Энергией отрыва называется минимальная энергия, необходимая для удаления из ядра наименее связанный с ним нуклон. Внутренняя энергия ядра — это та энергия притяжения, которая удерживает нуклоны в ядре. Эту энергию обычно называют энергией связи ядра. Следовательно, при кинетической энергии нейтрона, равной нулю, закон сохранения энергии имеет вид
|
Eсв(207Pb)=Eотр(n1)+Eсв(206Pb). |
(2) |
Следовательно, энергия возбуждения ядра 207Pb равна
|
ΔE*=E(82Pb207)-E(82Pb206). |
(3) |
Энергия связи ядра равна
|
Eсв(ZXA)=[Zmp+(A—Z)mn—mяд]·531,5Мэв. |
(4) |
В квадратных скобках массы частиц заданы в атомных единицах массы. Если поставим в формуле (3) соответствующие выражения (4) для энергий связи ядер, то получим
|
ΔE*=(mn—m207+m206)·931,5МэВ. |
(5) |
Табличные данные: mn=1,008665а.е.м., m207=206,9759а.е.м., m206=205,97446а.е.м.
Расчет:
Сколько нуклонов помещается в ядре
Выяснено, что количество внутренних нуклонов особенно мало у так называемых легких ядер. А у тех, что относятся к категории самых легких, практически все нуклоны расцениваются как поверхностные. Считается, что энергия связи атомного ядра — это величина, которая должна расти с количеством протонов и нейтронов. Но даже такой рост не может продолжаться до бесконечности. При определенном количестве нуклонов — а это от 50 до 60 — приходит в действие другая сила — их электрическое отталкивание. Оно происходит даже независимо от наличия энергии связи внутри ядра.
Энергия связи атомного ядра в различных веществах используется учеными для того, чтобы высвободить ядерную энергию.
Многих ученых всегда интересовал вопрос: откуда возникает энергия, когда более легкие ядра сливаются в тяжелые? На самом деле, данная ситуация аналогична атомному делению. В процессе слияния легких ядер, точно так же, как это происходит при расщеплении тяжелых, всегда образуются ядра более прочного типа. Чтобы «достать» из легких ядер все находящиеся в них нуклоны, требуется затратить меньше количество энергии, нежели то, что выделяется при их объединении. Обратное утверждение также является верным. На самом деле энергия синтеза, которая приходится на определенную единицу массы, может быть и больше удельной энергии деления.
Удельная энергия связи.
Важной характеристикой прочности ядра является его удельная энергия связи
, равная отношению энергии связи к числу нуклонов:
Удельная энергия связи есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон, и имеет смысл средней работы, которую необходимо совершить для удаления нуклона из ядра.
На рис. 1 представлена зависимость удельной энергии связи естественных (то есть встречающихся в природе 1
) изотопов химических элементов от массового числа A.
Рис. 1. Удельная энергия связи естественных изотопов
Элементы с массовыми числами 210–231, 233, 236, 237 в естественных условиях не встречаются. Этим объясняются пробелы в конце графика.
У лёгких элементов удельная энергия связи возрастает с ростом , достигая максимального значения 8,8 МэВ/нуклон в окрестности железа (то есть в диапазоне изменения примерно от 50 до 65). Затем она плавно убывает до величины 7,6 МэВ/нуклон у урана .
Такой характер зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов объясняется совместным действием двух разнонаправленных факторов.
Первый фактор — поверхностные эффекты
. Если нуклонов в ядре мало, то значительная их часть находится на поверхности
ядра. Эти поверхностные нуклоны окружены меньшим числом соседей, чем внутренние нуклоны, и, соответственно, взаимодействуют с меньшим числом соседних нуклонов. При увеличении доля внутренних нуклонов растёт, а доля поверхностных нуклонов — падает; поэтому работа, которую нужно совершить для удаления одного нуклона из ядра, в среднем должна увеличиваться с ростом .
Однако с возрастанием числа нуклонов начинает проявляться второй фактор — кулоновское отталкивание протонов
. Ведь чем больше протонов в ядре, тем большие электрические силы отталкивания стремятся разорвать ядро; иными словами, тем сильнее каждый протон отталкивается от остальных протонов. Поэтому работа, необходимая для удаления нуклона из ядра, в среднем должна уменьшаться с ростом .
Пока нуклонов мало, первый фактор доминирует над вторым, и потому удельная энергия связи возрастает.
В окрестности железа действия обоих факторов сравниваются друг с другом, в результате чего удельная энергия связи выходит на максимум. Это область наиболее устойчивых, прочных ядер.
Затем второй фактор начинает перевешивать, и под действием всё возрастающих сил кулоновского отталкивания, распирающих ядро, удельная энергия связи убывает.
Ядерные силы.
До сих пор мы знали два типа взаимодействий в природе — гравитационные и электромагнитные. Ядерные силы служат проявлением нового, третьего по счёту типа взаимодействий — сильного взаимодействия. Мы не будем вдаваться в механизм возникновения ядерных сил, а лишь перечислим их наиболее важные свойства.
1. Ядерные силы действуют между любыми двумя нуклонами: протоном и протоном, протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном.
2. Ядерные силы притяжения протонов внутри ядра примерно в 100 раз превосходят силу электрического отталкивания протонов. Более мощных сил, чем ядерные, в природе не наблюдается.
3. Ядерные силы притяжения являются короткодействующими: радиус их действия составляет около м. Это и есть размер ядра — именно на таком расстоянии друг от друга нуклоны удерживаются ядерными силами. При увеличении расстояния ядерные силы очень быстро убывают; если расстояние между нуклонами станет равным м, ядерные силы почти полностью исчезнут.
На расстояниях, меньших м, ядерные силы становятся силами отталкивания.
Сильное взаимодействие относится к числу фундаментальных — его нельзя объяснить на основе каких-то других типов взаимодействий. Способность к сильным взаимодействиям оказалась свойственной не только протонам и нейтронам, но и некоторым другим элементарным частицам; все такие частицы получили название адронов
. Электроны и фотоны к адронам не относятся — они в сильных взаимодействиях не участвуют.
ГРВ-диагностика
Более того, возможно получить информацию не только об имеющихся проблемах в организме, но также и о болезнях, которые только начинают развиваться, даже можно увидеть снижение иммунитета.
Такие приборы называются ГРВ-диагностика, а работают они с помощью метода газоразрядной визуализации. Человек прикасается пальцем к датчику, а прибор по отпечатку определяет силу биополя.
Используемый в данном случае газовый разряд является очевидным научным фактом, изучением которого занимается официальная наука. В 2001 году был проведен необычный эксперимент. Человеку была сделана ГРВ-диагностика, а потом еще раз после того, как с ним провел сеанс известный немецкий целитель Христос Дроссинакис.
В итоге полученный результат был очевиден даже неспециалисту, потому что его можно было видеть даже невооруженным глазом: человек стал чувствовать себя гораздо лучше, а его аура стала более плотной и равномерной.
Также было доказано, что биополе присутствует не только у человека, но и растений, животных, камней и воды. Именно этим и объясняется феномен живой и мертвой воды, а также минералотерапии.
Эксперты пытались понять, в чем же разница между обычными спортсменами и чемпионами. Оказалось, что разница видна даже на уровне биополя, по которому можно судить не только об уровне подготовки человека и его готовности, но также увидеть и слабые места.
Атманическое тело
Это тело имеет прямую связь с жизненной целью, миссией, со смыслом существования. Когда у человека хорошо развито это тело, он чувствует, что у него есть предназначение, и что в жизни есть цель.
Когда человек определяет свою цель в жизни, энергия именно этого тела помогает достигнуть ее. Человек обретает упорство, уверенность в себе, энтузиазм, настойчивость, а также силы для того, чтобы реализовать задуманное.
Буддхическое тело
Это тело ответственно за ценности, помогает отделить ложные от истинных, а также придать силы в выполнении каждодневных задач. Для того, чтобы это тело было наполнено и гармонично существовало, человек должен заниматься любимым делом и постоянно повышать свою квалификацию.
Слушайте свой внутренний голос, а не то, что говорит общество. Не нужно идти на поводу моды, статусности и выгоды занятия. Когда человек отдает себя нелюбимому занятию, перекрывает доступ энергии к буддхическому телу, которое со временем истощается.
Каузальное тело
Данное тело за то, что мы называем спонтанной решительностью, это действия, которые мы совершаем повинуясь своим истинным стремлениям и внутреннему голосу.
Приведем пример. Вы прошли собеседование на работу в статусной фирме, но в последний момент решаете, что не пойдете туда работать, потому что в действительности эта работа вам не по душе.
Тут же вы принимаете решение, что наконец-то пришло время для открытия своего дела или для того, чтобы заняться тем, о чем всегда грезили, но было недостаточно решительности. Именно так проявляется каузальное тело. Стоит отметить, что на успешность вашего начинания это тело не влияет.
Его активность очень кратковременная, оно появляется как раз в момент принятия решения о том, что необходимо менять свою жизнь в соответствии со своими истинными стремлениями.
Астральное тело
Это тело ответственно за восприятие человеком эмоций и различных жизненных событий. Оно отвечает за то, как разные люди отнесутся к одной и той же ситуации. Астральное тело имеет тесный контакт с ментальным.
Ментальное тело
Это тело многие называют интуицией. Это ощущения и мысли, которые возникают сами по себе, оказывают влияния на события или предсказывают их.
Когда в ментальном теле много энергии, у человека появляются способности к предсказыванию судьбы, к ясновидению и т.д.
Эфирное тело
Это тело ответственно за физическую силу, тонус и общее здоровье. Более того, именно от эфирного тела зависит то, как окружающие вас воспринимают: как приятного или как неприятного человека.
