Решебник по химии 8 класс Габриелян | Страница 34

Химический элемент – это разновидность атомов, имеющих одинаковый заряд ядра и определённое место в периодической таблице. Каждый химический элемент состоит из атомов, которые могут объединяться в молекулы или существовать в свободном виде. В настоящее время известно 118 химических элементов, но в природе встречается только 90. Остальные 28 элементов были синтезированы в лабораторных условиях с помощью ядерных реакций. В молекуле кислорода содержится два атома кислорода, что обозначается как O₂. В молекуле озона присутствуют три атома кислорода, что записывается как O₃. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, её химическая формула – H₂O.

Вещества делятся на простые и сложные в зависимости от их элементного состава. Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, при этом они могут иметь разные аллотропные формы. Например, кислород может существовать как молекулярный кислород O₂ и озон O₃. К простым веществам также относятся водород, железо, серо и углерод, имеющий формы графита и алмаза. Сложные вещества состоят из атомов двух и более химических элементов, образующих молекулы или ионные соединения. Например, вода H₂O состоит из водорода и кислорода, а углекислый газ CO₂ – из углерода и кислорода. Другими примерами сложных веществ являются сахароза C₁₂H₂₂O₁₁ и серная кислота H₂SO₄, содержащая водород, серу и кислород.

Аллотропия – это способность одного химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ с разными физическими и химическими свойствами. Это явление объясняется тем, что атомы элемента могут соединяться друг с другом различными способами, образуя разные кристаллические структуры или молекулы. Например, углерод существует в виде графита, алмаза и фуллерена, каждая из этих форм обладает особыми свойствами. Графит мягкий и проводит электричество, алмаз твёрдый и прозрачен, а фуллерен имеет сферическую молекулярную структуру. Кислород также имеет аллотропные модификации: обычный кислород O₂ и озон O₃, отличающиеся числом атомов в молекуле и химическими свойствами. Серо может существовать в виде ромбической и пластической модификаций, которые имеют разную плотность и растворимость. Благодаря аллотропии число простых веществ превышает количество химических элементов, что делает мир химии более разнообразным.

Ионы – это частицы, которые имеют электрический заряд из-за потери или присоединения электронов. Если атом отдаёт электроны, он превращается в положительно заряженный ион – катион, а если принимает электроны, то образуется отрицательно заряженный ион – анион. Ионы широко распространены в природе и входят в состав многих веществ, например, поваренная соль NaCl состоит из ионов натрия Na⁺ и хлора Cl⁻. С учётом понятия ионов первое положение атомно-молекулярного учения можно сформулировать так: все вещества состоят из молекул, молекулы – из атомов, а атомы могут превращаться в ионы в процессе химических реакций. При растворении солей в воде ионы переходят в свободное состояние, образуя электролиты, проводящие электрический ток. Многие химические процессы, включая кислотно-основные реакции и обмен веществ в организме, связаны с образованием ионов. Таким образом, ионы играют ключевую роль в химических и биологических процессах.

В природе встречается только 90 химических элементов, а остальные 28 были получены искусственным путём в лабораториях. Природные элементы образовались в результате ядерных реакций внутри звёзд и существуют в устойчивой форме на Земле и в космосе. Искусственные элементы, такие как плутоний и калифорний, создаются с помощью ядерного синтеза, но они нестабильны и быстро распадаются. Причина их нестабильности кроется в большом количестве протонов в ядре, что делает атомы склонными к радиоактивному распаду. Учёные продолжают синтезировать новые элементы, увеличивая атомный номер, но эти элементы существуют лишь доли секунды, прежде чем распасться на более лёгкие ядра. Таким образом, природа ограничила количество устойчивых элементов, а искусственные элементы существуют лишь в лабораторных условиях и не встречаются в естественной среде.

Броуновское движение — это хаотичное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул окружающей среды. Оно наблюдается, например, при изучении микроскопических частиц пыльцы в воде. Диффузия — это процесс самопроизвольного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого без внешнего воздействия, как это происходит при растворении сахара в чае. Оба этих явления подтверждают существование молекул, так как движение частиц невозможно без столкновений с невидимыми молекулами окружающей среды. Броуновское движение доказывает, что молекулы непрерывно двигаются и оказывают влияние на более крупные частицы. Диффузия же показывает, что молекулы имеют способность перемещаться, смешиваясь с другими веществами. Эти процессы иллюстрируют положения атомно-молекулярного учения, согласно которому вещества состоят из молекул, находящихся в постоянном движении.

Многообразие простых веществ объясняется существованием аллотропии — способности атомов одного элемента образовывать разные формы вещества. Например, углерод может существовать в виде графита, алмаза и фуллерена, а кислород — в виде двухатомных молекул (O₂) или озона (O₃). Это приводит к тому, что один химический элемент может давать несколько простых веществ с различными свойствами. Сложных веществ гораздо больше, чем простых, так как они образуются за счёт соединения атомов различных элементов. Благодаря этому возможны миллионы комбинаций, как буквы алфавита формируют бесчисленное множество слов. Например, вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H₂O), а углекислый газ (CO₂) включает атом углерода и два атома кислорода. Таким образом, многообразие простых веществ обусловлено аллотропией, а сложных — возможностью сочетания атомов различных элементов.

Атомно-молекулярное учение является фундаментальной теорией в химии и физике, объясняющей строение вещества на основе атомов и молекул. В его становление внесли значительный вклад многие учёные, но особенно выделяются работы Михаила Васильевича Ломоносова и Джона Дальтона. Их открытия и исследования сыграли ключевую роль в формировании современных представлений о строении материи.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765) был первым русским учёным, который сформулировал основы молекулярно-кинетической теории вещества. В середине XVIII века он выдвинул идею о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц — корпускул (молекул), которые, в свою очередь, состоят из атомов. Ломоносов утверждал, что эти частицы находятся в постоянном движении, и именно это движение определяет физические свойства вещества. Одним из важнейших достижений Ломоносова стало открытие закона сохранения массы, согласно которому в ходе химических реакций масса веществ остаётся неизменной, так как атомы не исчезают и не появляются вновь, а только перегруппировываются. Этот закон впоследствии стал одним из фундаментальных принципов химии.

Джон Дальтон (1766—1844) развил идеи Ломоносова и создал первую научно обоснованную атомную теорию. В начале XIX века он предложил представление о химических элементах как о совокупностях одинаковых атомов. Дальтон утверждал, что атомы различных элементов имеют разную массу и размеры, а соединяясь между собой в определённых пропорциях, образуют химические соединения. Он также разработал первую систему обозначений для атомов и молекул, что стало основой для дальнейшего развития химической номенклатуры. Кроме того, Дальтон предложил объяснение закона кратных отношений, согласно которому массы элементов, вступающих в соединение, относятся друг к другу как простые целые числа.

Таким образом, Ломоносов заложил основы молекулярного представления о строении веществ и сформулировал закон сохранения массы, а Дальтон развил атомную теорию и ввёл понятие химических элементов, атомов и молекул. Их работы стали краеугольным камнем современной химии и физики, позволив впоследствии развить периодический закон Менделеева, теорию химического строения Бутлерова и другие важнейшие научные концепции.

Озон (O₃) — это особая форма кислорода, молекула которого состоит из трёх атомов. Он играет жизненно важную роль в защите Земли от вредного ультрафиолетового (УФ) излучения, исходящего от Солнца. Основная масса озона сосредоточена в стратосфере, образуя так называемый озоновый слой, который располагается на высоте 20–30 км над поверхностью Земли. Без него жизнь на нашей планете существовала бы в совершенно ином виде или вовсе была бы невозможна.

Главное биологическое значение озона связано с его способностью поглощать жесткое ультрафиолетовое излучение. УФ-лучи могут разрушать молекулы ДНК, приводя к мутациям и развитию раковых заболеваний, особенно рака кожи. Озоновый слой эффективно задерживает большую часть этих лучей, предотвращая их проникновение к поверхности Земли и тем самым защищая живые организмы. Благодаря этому барьеру эволюция жизни смогла перейти из водной среды на сушу, поскольку УФ-излучение представляет особую опасность для сухопутных организмов.

Кроме того, озон выполняет важные функции в атмосфере, участвуя в процессах её самоочищения. В нижних слоях атмосферы он способствует разложению вредных примесей, таких как выхлопные газы и промышленные выбросы, а также нейтрализует некоторые органические загрязнители. Однако избыток озона в тропосфере (нижней части атмосферы) может быть вреден, поскольку в больших концентрациях он действует как токсичное вещество, раздражающее дыхательные пути и негативно влияющее на здоровье человека.

Несмотря на важную защитную функцию, озоновый слой уязвим к воздействию антропогенных факторов. В XX веке учёные обнаружили, что некоторые химические вещества, в частности, хлорфторуглероды (фреоны), используемые в аэрозолях и холодильниках, разрушают озон, образуя так называемую озоновую дыру. Это явление особенно выражено над Антарктидой, где весной наблюдается значительное истощение озонового слоя. Разрушение озона может привести к росту заболеваемости раком кожи, снижению иммунитета, ухудшению состояния растений и фитопланктона, который является основой морской пищевой цепи.

Международное сообщество приняло меры для защиты озонового слоя, в частности, Монреальский протокол 1987 года, который запретил использование вредных химикатов, разрушающих озон. Благодаря этим усилиям в последние десятилетия озоновый слой начал восстанавливаться, что является важным шагом в сохранении жизни на Земле.

Таким образом, озон играет критически важную роль в защите биосферы от губительного ультрафиолетового излучения, участвует в очистке атмосферы и поддерживает баланс в экосистемах. Однако его разрушение представляет серьёзную угрозу для жизни, поэтому необходимо продолжать контролировать выбросы вредных веществ и защищать этот уникальный природный щит планеты.