ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Основы физико-химической характеристики воды и водных растворов из "Оператор водоподготовки Изд.2 " Протон и электрон имеют противоположные, но равные по значению электрические заряды у протона положительный заряд, у электрона отрицательный. Нейтроны не имеют электрического заряда. Так как атом в целом нейтрален, то количество вращающихся вокруг его ядра электронов равно количеству протонов в этом ядре. [c.7] Электроны располагаются на определенных уровнях, причем максимальное число их на каждом уровне вполне определенно, а именно на ближайшем к ядру уровне, обозначаемом буквой К, может находиться не более двух электронов, на следующем L- восемь, далее М - восемнадцать, N - тридцать два. [c.7] Например, сто первый элемент, названный американскими физиками в честь нащего гениального ученого менделевием, имеет 101 электрон, которые расположены следующим образом К - 2, L- Я, М - 18, N — 22, О - 31, Р — 8, Q - 2, а всего 101. Положительный заряд ядра атома этого элемента, естественно, также равен 101 единице. [c.7] Ядра большинства химических элементов при постоянном числе протонов и, следовательно, постоянной величине заряда могут отличаться различным числом нейтронов, что приводит к изменению массы элемента. Однако такие элементы, имеющие одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковые химические свойства, должны помещаться в одной и той же клетке периодической системы Менделеева они получили поэтому название изотопов, что по-гречески означает занимающий то же место ( изос — равный, топос — место). [c.7] Атом водорода, например, обладает только одним электроном, поэтому два атома водорода энергично соединяются, образуя молекулу Hj. При этом замыкаются противоположно направленные магнитные поля и образуется пара электронов, в одинаковой степени принадлежащая обоим атомам (рис. 1.2). По этому же типу происходят соединения и различных атомов, например водорода и хлора, натрия и хлора и т. д. Однако образующиеся при этом пара или пары электронов в отличие от молекулы водорода могут уже располагаться не симметрично, а оттягиваться к тому атому, который обладает большим притяжением. Так образуются молекулы, имеющие различный характер связи между составляющими их атомами или атомными группами. [c.9] Какова величина атомов и молекул Наще зрение не позволяет видеть их непосредственно вследствие особенностей устройства глаза и угла зрения, под которым мы видим те или иные предметы. Оптические микроскопы расширяют пределы видимости, но и с их помощью нельзя увидеть атомы. Единицей, удобной для измерения частичек, видимых в микроскоп, является микрометр (мкм), который в тысячу раз меньше миллиметра 1 мкм = 10 мм. Часто также пользуются единицей, равной 10 м (0,1 нм), которая в десять миллионов раз меньше миллиметра. [c.10] Одним из таких методов является рентгеноструктурный анализ, использующий зависимость между углом отклонения рентгеновского луча, длиной его волны и расстоянием между атомами. Достаточно точный метод определения величины молекул предложен английским физиком Пайерл-сом путем сопоставления размеров молекул и броуновских частиц. [c.11] Размеры молекул наиболее распространенных веществ, например воды, ряда солей и минералов и т. п., определенные различными методами, колеблются в пределах 3 — 15 нм. Чтобы лучше представить себе, насколько малы такие молекулы, достаточно указать, что если уложить в ряд 10 млн. этих частиц, то они образуют цепочку длиной всего лишь в 5 мм. Таким образом, можно себе представить какое огромное количество атомов и молекул содержит каждый даже самый малый кусочек любого вещества. Так, если взять капельку воды объемом около 1 мм , то в ней содержится около 10 ° молекул. В то же время некоторые вещества состоят из огромных молекул. Например, молекулы белков или различных полимерных материалов имеют размеры около десятков миллимикрон. [c.11] Движение атомов и молекул. Все атомы и молекулы любого вещества находятся в беспрестанном и хаотическом движении. Это движение носит название теплового движения молекул, так как температура тела определяет его интенсивность, т. е. среднюю скорость движения. При этом следует учесть, что каждая отдельная молекула проходит по прямой линии очень короткие расстояния, в среднем около нескольких тысячных долей миллиметра, после чего она сталкивается с другой молекулой и ее скорость и направление движения как-то меняются, затем она снова сталкивается и т. д. Молекулы воды как бы беспорядочно мечутся в относительно небольшом объеме. Косвенное представление об этом движении дает так называемое броуновское движение, названное по имени шотландского ботаника Брауна, впервые открывшего это явление в 1827 г. [c.11] Причиной броуновского движения взвешенных в воде дисперсных частиц является тепловое движение невидимых под микроскопом молекул воды. При этом надо учесть, что размеры взвешенных частиц в сотни и тысячи раз превышают размеры молекул воды. Поэтому в каждое мгновение об одну из пойерхностей частиц ударяется или значительно больше молекул воды, чем о противоположную поверхность, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. В результате этих ударов взвешенная частица приходит в беспорядочное движение, интенсивность которого повышается с повышением температуры воды, что подтверждает зависимость движения молекул воды от температуры. Представление о броуновском движении дает рис. 1.4, на котором зафиксированы положения одной частицы через равные промежутки времени. [c.12] С другой стороны, по мере понижения температуры жидкости происходит уменьшение скорости движения ее молекул, пока, наконец, при определенной для каждого вещества температуре происходит переход его из жидкого в твердое состояние, при котором движение молекул в веществе весьма ограничено и сводится лишь к колебаниям около какого-то определенного взаимного их расположения, что позволяет твердому телу иметь определенную форму. Так, вода при О °С (при атмосферном давлении) превращается в твердое состояние - лед, и, следовательно, воду в жидком состоянии можно назвать жидким льдом. [c.13] Большинство веществ (за исключением тех, которые разлагаются при нагревании, например, сахар, белки и др.) можно получить во всех трех состояниях твердом, жидком и газообразном. Однако для каждого вещества эти состояния обусловлены определенной температурой. Так, ртуть замерзает при — 40 С. Всем известен широко применяемый твердый углекислый газ, получаемый при температуре около - 60 °С и называемый сухим льдом. В технике широко используют жидкий воздух, существующий при - ] 92 °С (можно получить и твердый воздух). Сталь на металлургических заводах получают в жидком виде при температуре около 1500 С, а при 3000 С она начинает испаряться, переходя в газообразное состояние. [c.13] Закон больших чисел. Статистический закон больших чисел является одним из основных выводов теории вероятностей, изучающей закономерности в системах, состоящих из огромного числа частиц. При этом возможные изменения в таких системах носят вероятностный, статистический характер. Согласно этому закону скорость колебания, с какой меняется среднее число случаев, в которых наступает то или иное явление, равна квадратному корню из этого числа случаев. По мере возрастания числа рассматриваемых случаев, естественно, повышается точность предсказания протекания данного явления. Если среднее число таких случаев N, то по законам теории вероятности эта величша в отдельные моменты может колебаться на величину уМ. Отсюда эти колебания составляют р, %, от N, т. е. [c.14] Чем больше N, тем меньше р для систем, где число случаев равно 100, р= 10%, для систем, где N = 1000000, уже только 0,1%. Особенно высокую точность приобретает этот закон в применении к микромиру атомов и молекул, количество которых даже в одной капле воды достигает 10 °. [c.14] Для иллюстрации статистического закона больших чисел в процессах водообра-Йотки рассмотрим наиболее часто встречающиеся процессы растворения в воде твердых и газообразных веществ. [c.15] На рис. 1.5 изображен стакан с водой, на дне которого находятся кристаллы поваренной соли (NaQ). Находя, щиеся в непрерывном молекулы воды при столкновении с кристалликами соли будут как бы срывать с их поверхности частицы хлористого натрия, состоящие из ионов хлора и натрия, которые, попав в воду, начнут беспорядочное движение подобно молекулам воды. При этом, однако, они будут стремиться распределиться равномерно во всем объеме воды. Это свойство вещества называется диффузией, и, поскольку оно тесно связано с процессом растворения, необходимо остановиться на нем несколько подробнее. [c.15] Для объяснения этого как будто неожиданного процесса, носящего название диффузии, рассмотрим, что будет происходить с ионами соли на границе условно взятого в стакане сечения а —а (рис. 1.5). Процесс диффузии не вызьгаается какой-либо силой, которая якобы заставляет ионы соли передвигаться вверх, т. е. в область с меньщей их концентрацией в воде. Каждая частица соли ведет себя независимо от других, с которыми она встречается очень редко. Каждая частица соли, где бы она ни находилась — ниже сечения а — а или выше его - испытывает непрерывные беспорядочные толчки со стороны молекул воды, в результате которых она может продвигаться вниз от этого сечения или вверх от него. [c.16] Согласно теории вероятностей возможности продвижения частиц соли вниз или вверх от сечения а — а будут одинаковы в силу того, что каждую частицу соли окружает огромное количество молекул воды, от которых она испытывает большое число толчков как вверх, так и вниз. Но если все частицы соли, находящиеся в стакане воды около сечения а - а, будут с одинаковой вероятностью перемещаться как вверх, так и вниз от этого сечения, то именно поэтому частицы соли чаще будут пересекать сечение а а снизу вверх, поскольку ниже этого сечения концентрация частиц соли больше, чем над ним. Такое преимущественное перемещение вверх частиц соли будет происходить до тех пор, пока не наступит равномерное распределение их во всем объеме воды. [c.16] Очевидно, что возможность обратного процесса кристаллизации будет возрастать с повышением концентрации раствора. Но по мере того, как мы будем всьшать в стакан еше порции поваренной соли, наступит момент, когда растворение ее как бы прекратится, т. е. когда скорость обоих процессов (растворения и кристаллизации) выровняется. При этом в единицу времени будет приблизительно столько же молекул соли переходить в раствор, сколько их будет выделяться на кристаллах соли. Растворы, имеющие такую предельную концентрацию растворенного вешества, называют насыщенными растворами. При достижении такого состояния в стакане наступит так называемое динамическое равновесие между твердой солью и ее насыщенным раствором в воде, в результате которого нам будет казаться, что процесс растворения прекратился. [c.17] Чтобы убедиться в том, что в насыщенных водных растворах не прекращаются процессы растворения твердого вещества в воде и обратного его выделения из воды, достаточно провести следующий опыт. После получения в стакане насыщенного раствора, например хлористого натрия, добавим в него некоторое количество кристаллов этой соли, содержащих изотоп натрия Na, т. е. радиоактивный натрий. Уже через несколько минут мы обнаружим с помощью специального счетчика (Гейгера - Мюллера) появление в растворе радиоактивных атомов натрия, причем количество их будет постепенно нарастать, достигнув через некоторое время наибольшего значения. Этот опыт убедительно показывает, что в насыщенном растворе соли все время идет обновление ее кристаллов, т. е. переход частиц хлористого натрия с поверхности кристалла в насыщенный раствор и поступление на их место частиц соли из раствора. [c.17] Вернуться к основной статье