Законы часть 31

Законы часть 31

Парниковый эффект
Средняя температура поверхности Земли (или другой планеты) повышается за счет наличия у нее атмосферы

1783 • кРУГОВОРОт
УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ

1852 • КИСЛОТНЫЙ ДОЖДь

1863 • ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ

1985 • ОЗОНОВАя ДЫРА

Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением. Внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года. Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в автомобиле. Причина его состоит в том, что Солнце с температурой поверхности около 5000°С излучает главным образом видимый свет — часть
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПЕКТРА, к которой чувствительны
наши глаза. Поскольку атмосфера в значительной степени прозрачна для видимого света, солнечное излучение легко проникает к поверхности Земли. Стекло также прозрачно для видимого света, так что солнечные лучи проходят внутрь парника и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Далее, согласно ЗАКОНУ СТЕФАНА—БОЛЬЦМАНА, каждый объект излучает энергию в какой-либо части электромагнитного спектра. Объекты с температурой около 15°С — средней температурой у поверхности Земли — излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, объекты в парнике испускают инфракрасное излучение. Однако инфракрасное излучение не может легко проходить сквозь стекло, поэтому температура внутри парника повышается.
Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект — в глобальном масштабе. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она поглощает из видимого света, излучаемого в нашу сторону Солнцем. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике — она не столь прозрачна для инфракрасного излучения, как для солнечного света. Молекулы различных веществ в атмосфере (важнейшие из них — углекислый газ и вода) поглощают инфракрасное излучение, действуя как парниковые газы. Таким образом, инфракрасные фотоны, излучаемые земной поверхностью, не всегда уходят прямо в космос. Некоторые из них поглощаются молекулами парниковых газов в атмосфере. Когда эти молекулы вторично излучают энергию, которую они поглотили, они могут излучать ее как в сторону космоса, так и внутрь, обратно к поверхности Земли. Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они не могут прекратить утечку тепла наружу, но позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы в отсутствие газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы -20°С, что намного ниже точки замерзания воды.
Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления: не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей

хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.
Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, — на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк, — посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект.

Периодическая система Менделеева
Если химические элементы расположить в порядке возрастания атомных номеров, то их химические свойства укладываются в определенную схему

1860-е • ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕНДЕЛЕЕВА
•

ПРАВИЛО ОКТЕТА

ПРИНЦИП AUFBAU
1930-е

1924 • ПРИНЦИП ЗАПРЕТА ПАУЛИ
* Эти вещества назвали инертными газами, но название было изменено в 1962 году, когда было обнаружено, что ксенон может все-таки реагировать с фтором. — Прим. автора

ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

Дмитрий Иванович Менделеев любил рассказывать, что идея периодической системы пришла ему во сне. Как и многие химики середины XIX века, он пытался как-то систематизировать огромное количество открываемых химических элементов. Менделеев тогда работал над книгой «Основы химии», и ему все время казалось, что для веществ, которые он описывал, непременно должен существовать какой-то способ упорядочивания, который сделает их больше чем просто случайным набором элементов. Именно такой способ упорядочивания, такой закон он и увидел во сне.
В своей таблице (сегодня мы ее называем периодической таблицей, или системой, элементов) Менделеев расположил химические элементы по рядам в порядке возрастания их массы, подобрав длину рядов таким образом, чтобы химические элементы в одной колонке имели похожие химические свойства. Так, например, правая крайняя колонка таблицы содержит гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Это благородные газы* — вещества, которые неохотно реагируют с другими элементами и проявляют низкую химическую активность. В противоположность этому элементы самой левой колонки — литий, натрий, калий и др. — реагируют с другими веществами бурно, процесс носит взрывной характер. Аналогичные утверждения можно сделать и о химических свойствах элементов в других колонках таблицы — внутри колонки эти свойства подобны, но варьируются при переходе от одной колонки к другой.
Нельзя не отдать дань смелости мысли Менделеева, решившегося опубликовать свои результаты. С одной стороны, таблица в первоначальном виде содержала много пустых клеток. Элементы, о существовании которых мы сейчас знаем, тогда еще только предстояло открыть. (Действительно, открытие этих элементов, включая скандий и германий, стало одним из величайших триумфов периодической системы.) С другой стороны, Менделееву пришлось допустить, что атомные веса некоторых элементов были измерены неправильно, так как в противном случае они не вписались бы в систему. И опять оказалось, что он был прав.
Периодическая система в своем первом варианте просто отражала существующее в природе положение дел. Как и в случае с кЕплЕРовскиМи ЗАКОНАМИ движения планет, таблица никак не объясняла, почему это должно быть именно так. И только с
появлением КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ и в особенности ПРИНЦИПА
ЗАПРЕТА ПАУЛИ стал понятен истинный смысл расположения элементов в периодической таблице.
Сегодня мы смотрим на периодическую таблицу с точки зрения того, как электроны заполняют электронные слои в атоме (см. ПРИНЦИП AUFBAU). Химические свойства атома (то есть то, какого рода связи будут образованы с другими атомами) определяются числом электронов в наружном слое. Так, у водорода и лития только по одному внешнему электрону, поэтому в химических реакциях они ведут себя похоже. В свою очередь, гелий и неон оба имеют заполненные внешние оболочки и тоже ведут себя похоже, но совершенно не так, как водород и литий.

Таблица, без которой немыслима химия. Первая колонка содержит щелочные металлы, вторая — щелочноземельные металлы. Самые правые — благородные газы. Слева от них, над «ступенькой», располагаются неметаллы, под «ступенькой» — другие металлы. Между ними и щелочно-земельными металлами — переходные металлы. В отдельные ряды выделены лантаноиды и актиноиды. Водород (П) занял отдельное место вверху таблицы
ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ МЕНДЕЛЕЕВ (1834-1907) — русский химик. Родился в Сибири, в городе Тобольске, в семье был младшим из 17 детей. Детство Менделеева было нелегким. Его отец, школьный учитель, ослеп, и матери, чтобы содержать семью, пришлось управлять стекольным заводом. Отец умер, когда Менделееву было 13 лет, затем сгорел завод, а после этого умерла мать. Свои научные знания мальчик почерпнул у мужа сестры.
Перед смертью мать определила Дмитрия в Педагогический институт в Санкт-Петербурге. Там Менделеев получил научную степень по химии и продолжил свое обучение во Франции и Германии. В Карлсруэ он встретил итальянского химика Станислава Канниццаро ^ашэ^о Саптгаго, 1826-1910), чья идея о разграничении понятий атомного и молекулярного веса произвела большое впечатление на русского ученого. Вернувшись в Санкт-Петербург, Менделеев в 1864 году стал профессором химии Технологического института.
Периодическая таблица, которую Менделеев составлял с конца 1860-х годов, не сразу получила
признание, но впоследствии сделала его самым известным русским ученым. В 1890 году он высказался в поддержку студентов, выступавших за социальную реформу, за что был уволен из университета. Но больше всего судьба была несправедлива к Менделееву, когда в 1906 году ему не хватило всего одного голоса для получения Нобелевской премии в области химии. Премия досталась Анри Муассану (Henri Moissan, 1852-1907), которому удалось выделить фтор — всего лишь один химический элемент, в то время как Менделеев создал классификацию их всех.

Поверхностное натяжение
Силы притяжения между молекулами на поверхности жидкости удерживают их от движения за ее пределы

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения — на самом деле именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой тонкой и упругой пленки.
Одним из следствий эффекта поверхностного натяжения является то, что для увеличения площади поверхности жидкости — ее растяжения — нужно проделать механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Следовательно, если жидкость оставить в покое, она стремится принять форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной. Такой формой, естественно, является сфера — вот почему дождевые капли в полете принимают почти сферическую форму (я говорю «почти», потому что в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха). По этой же причине капли воды на кузове покрытого свежим воском автомобиля собираются в бусинки.
Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.
Можно привести много примеров сил поверхностного натяжения в действии из нашей будничной жизни. Под воздействием



ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения. Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.
Будет жидкость собираться в «бусинки» или ровным слоем растекаться по твердой поверхности, зависит от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости, вызывающих поверхностное натяжение, и сил притяжения между молекулами жидкости и твердой поверхностью. В жидкой воде, например, силы поверхностного натяжения обусловлены водородными связями между молекулами (см. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ). Поверхность стекла водой смачивается, поскольку в стекле содержится достаточно много атомов кислорода, и вода легко образует гидрогенные связи не только с другими молекулами воды, но и с атомами кислорода. Если же смазать поверхность стекла жиром, водородные связи с поверхностью образовываться не будут и вода соберется в капельки под воздействием внутренних водородных связей, обусловливающих поверхностное натяжение.
В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты, — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания (см. ПОДОБНОЕ РАСТВОРЯЕТСЯ В ПОДОБНОМ).

Подобное растворяется в подобном
Вещество лучше растворяется в жидкости, если оно обладает той же полярностью и сходными прочими характеристиками

Всем известно, что масло и вода не смешиваются: если мы добавим каплю масла в стакан с водой, с этой каплей ничего не произойдет, она не растворится. С другой стороны, если в воду капнуть спирт (или этанол, как говорят химики), капля сразу исчезнет, потому что она растворилась. Это можно проверить, добавив каплю красного вина в стакан с водой. Химики объясняют такое поведение веществ эмпирическим правилом «подобное растворяется в подобном».
Дело в том, что вода — полярная молекула. Электроны в молекуле воды большую часть времени проводят около кислорода, и, хотя суммарный электрический заряд всей молекулы равен нулю, молекула воды со стороны водорода становится положительно заряженной. Молекула этанола также полярная, и поэтому между молекулами воды и этанола могут образовываться водородные связи (см. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ). В каком-то смысле вода и этанол «хватаются» друг за друга. При перемешивании этих двух веществ их молекулы взаимодействуют и этанол быстро растворяется.
С другой стороны, масло состоит из неполярных молекул, поэтому между ними и молекулами воды нет связей. и вода не может «схватиться» за углеводородные молекулы масла. В свою очередь, масло не может присоединиться достаточно прочно к какой-либо молекуле воды, чтобы оттолкнуть другие молекулы воды, как происходило бы при растворении. Масло не «подобно» воде и не растворяется в ней.
В обычной жизни мы часто используем правило «подобное растворяется в подобном», хотя, наверное, не отдаем себе в этом отчета. Мы применяем моющие вещества — молекулы с особой структурой. У них длинный углеводородный хвост (неполярный, как и у масла) присоединен к сильно полярной головке. И, когда такая молекула встречается со слоем жира на поверхности, которую мы моем, хвост проникает внутрь этого слоя, а полярные головки торчат наружу. Эти головки затем связываются с полярными молекулами воды, и жир удаляется с поверхности. Вот за счет чего моющие средства отстирывают одежду и моют посуду.

Полосная теория твердотельной проводимости
Электрические свойства твердого тела зависят от того, как электроны составляющих его атомов распределяются по орбитальным уровням при его кристаллизации

ок. 420 до н.э.
•
•
1900
АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

ЭЛЕКТРОННАЯ
ТЕОРИЯ
1913
ПРОВОДИМОСТИ
1926
АТОМ БОРА
1926

УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА

ПОЛОСНАЯ ТЕОРИЯ
ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ
ПРОВОДИМОСТИ

Как мы знаем из модели АТОМА БОРА, электроны в атоме расположены на различных орбитальных уровнях, характеризующихся различной удаленностью от ядра и, соответственно, различной энергией связи электрона с ядром. При образовании кристаллической решетки твердого тела орбиты электронов несколько деформируются и, соответственно, смещаются энергетические уровни удержания электронов на них. Это смещение можно представить себе двояко. с одной стороны, можно заметить, что, находясь в составе твердого тела, электрон не может не подвергаться электрическому воздействию со стороны соседних атомов — он притягивается к их ядрам и отталкивается их электронами. с другой стороны, два электрона, в силу ПРИНЦИПА ЗАПРЕТА ПАУЛИ, не могут находиться на одной орбите в одном и том же энергетическом состоянии, то есть два любых электрона в любом случае находятся на несколько отличающихся друг от друга энергетических уровнях.
В любом случае можно понять, что при образовании твердого тела в смысле кристаллизации атомов в жесткую структуру каждый энергетический электронный уровень в атомах расщепляется на ряд близких подуровней, объединенных в энергетический слой или полосу. Все электроны, находящиеся в данной энергетической полосе, обладают очень близкими энергиями. На близких к ядру орбитах электроны находятся в связанном состоянии — они неспособны оторваться от ядра, поскольку, хотя теоретически перескок электрона из одного атома в другой — на ту же по энергии орбиту — возможен, все нижние орбиты соседних атомов заняты и реальная миграция электронов между ними невозможна.
Поэтому самой важной с точки зрения теории электрической проводимости является валентная полоса — размытый на подуровни внешний слой электронной оболочки атомов, который у большинства веществ не заполнен (исключение — инертные газы, но они кристаллизуются лишь при сверхнизких температурах). Поскольку внешний слой не насыщен электронами, в нем всегда имеются свободные подуровни, которые могут занять электроны из внешней оболочки соседних атомов. И электроны действительно проявляют удивительную подвижность, хаотично мигрируя от атома к атому в пределах валентного слоя, а в присутствии внешней разности электрических потенциалов они дружно «маршируют» в одном направлении, и мы наблюдаем электрический ток. Именно поэтому нижний слой, в котором имеются свободно перемещающиеся электроны, принято называть проводящим слоем — при этом это даже не обязательно самый верхний (валентный) орбитальный слой электронов в атоме.
Многослойную теорию строения твердого тела можно использовать для объяснения ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА. Если валентный слой твердого тела заполнен, а до следующей незаполненной энергетической полосы далеко, вероятность того, что электрон на нее запрыгнет, близка к нулю. Значит, электроны прочно привязаны к атомам и практически не образуют проводя-

щего слоя. соответственно, и под воздействием электрической разности потенциалов с места они не двигаются, и мы имеем изолятор — вещество, не проводящее электрический ток.
Проводник, с другой стороны, как раз представляет собой вещество с частично заполненным валентным слоем, внутри которого электроны имеют значительную свободу перемещения от атома к атому. Наконец, полупроводники — это кристаллические вещества с заполненным валентным слоем, и в этом они подобны изоляторам, однако энергетический разрыв между валентным уровнем и следующим, проводящим энергетическим уровнем у них настолько незначителен, что электроны допрыгивают до него при обычных температурах чисто в силу теплового движения.

Постоянная Больцмана
Постоянная Больцмана перекидывает мост из макромира в микромир, связывая температуру с кинетической энергией молекул

ок. 420 • АТОМНАЯ ТЕОРИЯ до н.э. СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1849 •

1798 • МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ

МОЛЕКУЛЯРНО-
КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

1872 • ПОСТОЯННАЯ БОЛЬЦМАНА
 

Людвиг Больцман — один из создателей МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИ-чЕской ТЕОРИИ газов, на которой зиждется современная картина взаимосвязи между движением атомов и молекул с одной стороны и макроскопическими свойствами материи, такими как температура и давление, с другой. В рамках такой картины давление газа обусловлено упругими ударами молекул газа о стенки сосуда, а температура — скоростью движения молекул (а точнее, их кинетической энергией). Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура.
Постоянная Больцмана дает возможность напрямую связать характеристики микромира с характеристиками макромира — в частности, с показаниями термометра. Вот ключевая формула, устанавливающая это соотношение:
Vmv1 = kT,
где m и v — соответственно масса и средняя скорость движения молекул газа, Т — температура газа (по абсолютной шкале Кельвина), а k — постоянная Больцмана. Это уравнение прокладывает мостик между двумя мирами, связывая характеристики атомного уровня (в левой части) с объемными свойствами (в правой части), которые можно измерить при помощи человеческих приборов, в данном случае термометров. Эту связь обеспечивает постоянная Больцмана k, равная 1,38 х 10-23 Дж/К.
Раздел физики, изучающий связи между явлениями микромира и макромира, называется статистическая механика. В этом разделе едва ли найдется уравнение или формула, в которых не фигурировала бы постоянная Больцмана. Одно из таких соотношений было выведено самим австрийцем, и называется оно просто уравнение Больцмана:
S = k log p + b,
где S — энтропия системы (см. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ), p — так называемый статистический вес (очень важный элемент статистического подхода), а b — еще одна константа.
Всю жизнь людвиг Больцман в буквальном смысле опережал свое время, разрабатывая основы современной атомной теории строения материи, вступая в яростные споры с подавляющим консервативным большинством современного ему научного сообщества, считавшего атомы лишь условностью, удобной для расчетов, но не объектами реального мира. Когда его статистический подход не встретил ни малейшего понимания даже после появления специальной теории относительности, Больцман в минуту глубокой депрессии покончил с собой. Уравнение Больцмана высечено на его надгробном памятнике.

на кафедрах физики и математики университетов Граца, Вены, Мюнхена и Лейпцига. Будучи одним из главных сторонников реальности существования атомов, сделал ряд выдающихся теоретических открытий, проливающих свет на то, каким образом явления на атомном уровне сказываются на физических свойствах и поведении материи.