Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут. Михаил Ломоносов
… химия, по моему мнению, должна многое позаимствовать от физико-химических исследований и даже принять некоторые методы физики… Дмитрий Менделеев
У физиков есть привычка брать простейший пример какого-то явления и называть его «физикой», а примеры посложнее отдавать на растерзание другим наукам, скажем …химии… Ричард Фейнман
Вся кулинария – это, по сути дела, физика ( и, разумеется, химия)… Джирл Уокер
А что же такое химия, как не физический процесс обмена веществ электронными оболочками! Альберт Стасенко
А так ли хорошо знакомы вам
ФИЗИКА + ХИМИЯ
Как, еще одно содружество физики с сопредельными естественно-научными областями, еще один междисциплинарный альянс? Конечно! Каких только комбинаций не возникает, если нужно объединять усилия, если все более сложные задачи требуют синтеза методов, идей, подходов различных наук. Неудивительно, кстати, что в Москве есть два академических института – химической физики и физической химии. И в школьных курсах мы найдем точки пересечения физики и химии – когда речь идет о молекулярно-кинетической теории, строении кристаллов, электролизе или взаимодействии излучения с веществом. Что ж, пройдемся под руку с физикой и химией по окрестностям этих точек.
Вопросы и задачи
- Препарат содержит в молекуле восемь атомов углерода, девять атомов водорода, один атом азота и два атома кислорода. Каковы молекулярная формула препарата, его относительная молекулярная масса и молярная масса? 2. Известно, что скорость многих химических реакций возрастает с повышением температуры. А как увеличить их скорость, не прибегая к нагреву веществ? 3. Встречаются ли в природе вещества с кристаллами в форме «платоновых тел» – правильных многогранников?
?
- Чугун плавится при более низкой температуре, чем железо. Почему? 5. В слабый раствор соляной кислоты опускают яйцо. Сначала оно тонет, затем всплывает, поднявшись до верха, снова тонет и т.д. Как это объяснить? 6. Герметично закрытый сосуд полностью заполнен водой при температуре 27 q С. Каким стало бы давление внутри сосуда, если бы силы взаимодействия между молекулами воды исчезли, а температура не изменилась? 7. Какой газ тяжелее азота, но легче кислорода? 8. В закрытом сосуде при давлении находится смесь из одного моля кислорода и двух молей водорода. Между газами происходит реакция с образованием водяного пара. Какое давление установится в сосуде после охлаждения до первоначальной температуры? Конденсации пара не происходит. 9. Могут ли при диссоциации молекул образоваться ионы одного какого-нибудь знака? 10. Каким образом, опустив два провода от гальванического элемента в стакан водопроводной воды, можно узнать, существует ли между ними постоянное напряжение? 11. Бак для воды, изготовленный из листового алюминия с помощью медных
заклепок, быстро разрушается из-за коррозии. Отчего? 12. Почему перекись водорода сохраняют в склянках из желтого стекла? 13. В физиотерапевтических кабинетах поликлиник при горении кварцевых ламп ощущается запах озона. Чем это объясняется? 14. В настоящее время в принципе можно осуществить мечту алхимиков средневековья – превратить ртуть в золото. Каким образом?
Микроопыт
В стакане с водой свежее куриное яйцо должно опуститься на дно. Растворяя в воде поваренную соль, можно заставить яйцо всплыть. Что за процессы «руководят» поведением яйца?
Любопытно что…
… мельчайших частиц – отдельных молекул – таких неорганических веществ, как поваренная соль или сода, не существует. Их кристаллы при растворении распадаются на части, образуя ионы, и в растворе никаких «самостоятельных» молекул мы не найдем. … автор известного из курса физики газового закона, английский ученый Роберт Бойль еще в XVII веке изобрел первый химический прибор – индикатор кислотности среды (лакмусовую бумагу), что стало исходным шагом от древней алхимии к современной науке. … проведя множество опытов с 45 веществами при различных степенях разбавления, шведский физико-химик Сванте Аррениус создал теорию электролитической диссоциации, встреченную, правда, в штыки именитыми учеными, в том числе и Менделеевым. Однако теория оказалась исключительно плодотворной для развития науки, а Аррениус одним из первых был удостоен в 1903 году Нобелевской премии по химии. …самым же первым же лауреатом Нобелевской премии по химии стал нидерландский ученый Якоб Вант-Гофф. Как и Аррениус, он пришел к пониманию зави- симости скорости химических реакций от температуры, что, кстати, особенно важно для многих процессов органической химии, в том числе – приготовления пищи. … свою окончательную и ясную формулировку квантовая механика получила в 1926 году, в знаменитом уравнении, выведенном австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шрёдингером. Это уравнение поставило на прочный теоретический фундамент всю химию: стал понятен смысл атомного номера в таблице Менделеева и значения валентности, выяснена природа химических связей. … открытый физиками в сороковые годы прошлого века ядерный магнитный резонанс (ЯМР) оказался одним из важнейших аналитических методов в химии, незаменимый при изучении сложных органических молекул. …в 1981 году физики Г.Бинниг и Г.Рорер из швейцарского отделения фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп, приведший к возможности собирать молекулярные конструкции из отдельных атомов. Так возникло направление, получившее название «нанотехнологии». … в ряду достижений электрохимии выделяются литий-ионные аккумуляторы, все более расширяющие сферу своего применения. Так, для беспилотных летательных аппаратов они оказались хороши тем, что не оставляют теплового следа и превосходят другие типы подобных источников электричества по удельной энергии.
Что читать в «Кванте» о союзе физики и химии
(публикации последних лет)
- «Варить, парить или полоскать?» – 2017, №9, с.2; 2. «Д.И.Менделеев и периодическая система элементов» – 2019, №5, с.2; 3. «Источники электричества» – 2020, №4, с.2; 4. «Время жизни шипучей таблетки в стакане воды» – 2021, №9, с.2, № 10, с.12; 5. «Тепловые эффекты – квантовая природа» – 2022, №2, с.12.
Материал подготовил А. Леонович
37
ЛА БОР АТ ОР И Я
« КВА Н ТА »
Рис. 2. Практически параллельные лучи от Солнца, идущие к Земле и Луне
Поскольку Земля кажется нам плоской, то будем считать, что наблюдатель стоит на плоскости, касательной к сфере Земли. Тогда на закате Солнца его лучи идут к Луне и к наблюдателю параллельно плоскости, на которой стоит наблюдатель. Но параллельные линии кажутся нам сходящимися на горизонте (перспектива). Проведем вертикальную плоскость через центры Солнца и Луны. Для наглядности, в эту же плоскость поместим ряд телеграфных столбов с проводами, которые сходятся на горизонте (рис. 3). Провода параллель-
Луна
Прямой угол кажется тупым
Рис. 4. Иллюзия лунного терминатора у себя дома
на Луну не менее 45 градусов над горизонтом. Вращая ось, мы будем получать различные расположения Луны, Солнца и наблюдателя относительно друг друга (рис. 5). Сравним положение модели Луны с реальным видом Луны (рис. 6). Они полностью соответствуют друг другу, а следовательно, модель действительно демонстрирует иллюзию лунного терминатора.
Рис. 3. Параллельные лучи Солнца в плоскости столбы–Луна–Солнце сходятся на горизонте
ны солнечным лучам. Солнце на закате расположено сзади и правее наблюдателя. Линия горизонта определена направлением, в котором мы смотрим на Луну. Иллюзия лунного терминатора состоит в том, что параллельные лучи, сходящиеся на горизонте, кажутся идущими сверху. Модель Луны. Возьмем шар, например, для пинг-понга или ненужный елочный шар и покрасим его в белый и черный цвета. Белая половина будет символизировать освещенную часть Луны, а черная – неосвещенную. Белая сторона считается обращенной к Солнцу, причем лучи Солнца перпендикулярны к плоскости терминатора. Глядя на шар-Луну снизу, мы видим какую-то часть освещенной стороны Луны и какую-то часть – неосвещенной. Шар надо насадить на ось длиной примерно полметра и держать ее на вытянутой руке перед собой (рис. 4). Сделайте угол зрения
Рис. 5. Лучи Солнца, параллельные площадке наблюдателя, освещают модель Луны с разных сторон. Горизонтальный стержень направлен к Солнцу
Рис. 6. Сравнение модели Луны с реальным видом Луны