Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды или волновое движение.
При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы. Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света. Итак, к концу XIX в.
физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Основы представлений о материи, существующей в форме вещества и поля можно свести к следующим положениям. Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно. Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.
Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо. Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков. В результате открытий в физике в конце XIX и начале XX столетий обнаружилось, что нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.
Расширение представлений об элементах материальных систем Расширение представлений об элементах материальных систем связано с проникновением вглубь материи и неразрывно с развитием атомно-молекулярной теории строения вещества. Можно выделить 3 этапа в развитии атомно-молекулярной теории. Первый из них связан с представлениями древних греков и, в частности Демокрита, о мельчайших неделимых частицах вещества (
это достаточно подробно обсуждалось при рассмотрении истории естествознания). Вторым этапом развития теории является экспериментальное подтверждение атомной теории Бойлем. Третьим важным шагом является открытие возможности соединения атомов в молекулы. Первый эксперимент, подтверждающий атомную природу вещества, был проведен в 1662 году ирландским химиком Робертом Бойлем (1627-1691).
Он сжимал воздух в U -образной трубке под действием столбика ртути и обнаружил, что объем воздуха в трубке обратно пропорционален давлению: PV = const . Французский физик Эдм Мариотт (1630-1684) подтвердил это соотношение через 14 лет после Бойля и заметил, что оно выполняется только при постоянной температуре. Объяснить результаты Бойля и Мариотта можно, только если признать, что воздух состоит из атомов, разделенных пустым пространством.
Сжатие воздуха обусловлено сближением атомов и уменьшением объема пустого пространства. Если газы состоят из атомов, то можно допустить, что твердые вещества и жидкости тоже состоят из атомов. Например, вода при нагревании кипит и превращается в пар, который, подобно воздуху, можно сжать. Значит, водяной пар состоит из атомов. Но если пар состоит из атомов, то почему жидкая вода и лед не могут состоять из атомов?
А если это справедливо для воды, то это может быть справедливо и для других веществ. Таким образом, эксперименты Бойля и Мариотта подтвердили существование мельчайших частиц вещества. Оставалось выяснить, что из себя представляют эти частицы. В течение последующих 150 лет основные усилия химиков были направлены на установление состава различных веществ.
Вещества, которые разлагались на более простые вещества, были названы «соединениями» (сложными веществами), — например, вода, углекислый газ, железная окалина. Вещества, которые нельзя далее разложить, назывались «элементами» (простыми веществами), например, водород, кислород, медь, золото. В 1789 году великий французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743-1794)
опубликовал знаменитую книгу «Элементарный курс химии» («Traite elementaire de chimie »), в которой систематизировал накопленные к тому времени знания по химии по 33 веществам. Два из этих веществ были неверными в принципе (свет и теплород), а 8 оказались впоследствии сложными веществами (известь, кремнезем и др.). Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношение элементов в соединениях. Французский химик Жозеф Луи Пруст (1754—1826)
после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава, согласно которому все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения. Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы или действием кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит 1 весовую часть серы и 1 весовую часть кислорода.
Закон Пруста имел для химии фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе весовое соотношение серы и кислорода всегда 1:1, а не 1,1:0,9 или 0,95:1,05 и т. д.? Этот результат легко объяснить, если предположить, что атомы серы соединяются с определенным числом атомов кислорода и образуют частицы сернистого газа (
эти частицы и были впоследствии названы «молекулами»), причем масса атомов серы равна массе атомов кислорода. Это экспериментальное правило было названо законом кратных отношений. Из закона кратных отношений очевидно следует, что атомы элементов соединяются в молекулы, причем молекулы содержат небольшое число атомов. Измерение весового содержания элементов позволяет, с одной стороны, определять молекулярные формулы соединений, а с другой стороны — находить относительные веса атомов.