Теоретические основы современных технологий Ирина Владимировна Рукавишникова И-410

Теоретические основы современных технологий Ирина Владимировна Рукавишникова И-410, rukirina@mail. ru Телефон кафедры: 375 -95 -51

Фрагмент технологической карты (БРС) 1. Лекции: коэффициент значимости совокупных результатов лекционных занятий – k лек 0. 5 Текущая аттестация на лекциях (перечислить возможные контрольнооценочные мероприятия во время лекций, в том числе, связанные с самостоятельной работой студентов – СРС) Сроки – семестр, учебная неделя Максимальная оценка в баллах Посещение лекций (8) 1 сем. (1 -8 нед. ) 56 Активность на лекциях (использование терминологии, умение задавать вопросы, формулировать и обосновывать свою точку зрения) 1 сем. (1 -8 нед. ) 32 СРС: подготовка к лекционным занятиям (изучение учебной литературы, составление лит. обзора источников, предварительное изучение материала предлагаемых презентаций) 1 сем. (1 -8 нед. ) 12 Весовой коэффициент значимости результатов текущей аттестации по лекциям – k тек. лек. - 0. 5 Промежуточная аттестация по лекциям – зачет Весовой коэффициент значимости результатов промежуточной аттестации по лекциям – k пром. лек – 0. 5 2. Практические/семинарские занятия: коэффициент значимости совокупных результатов практических/семинарских занятий – k прак. 0. 5 Текущая аттестация на практических/семинарских занятиях (перечислить возможные контрольно-оценочные мероприятия во время практических/семинарских занятий, в том числе, связанные с самостоятельной работой студентов – СРС) Сроки – семестр, учебная неделя Максимальная оценка в баллах Посещение практических /семинарских занятий (8) 1 сем (10 -18) 8 Выполнение практических заданий на занятиях (8) 1 сем (10 -18) 16 Активность на занятиях (8) 1 сем (10 -18) 8 СРС - Выполнение контрольной работы 1 1 сем 11 нед 10 СРС - Выполнение контрольной работы 2 1 сем 14 нед. 10 СРС - Выполнение домашнего задания 1 1 сем 12 нед 16 СРС - Выполнение домашнего задания 2 1 сем 15 нед 16 СРС - реферат 1 сем 16 нед 16

Современные (новые) перспективные технологии O Представляют собой новейшие достижения и инновации в начале XXI века в различных областях техники. O Являются полем деятельности для деловой конкуренции

Энергетика O Управляемый термоядерный синтез O Альтернативная и возобновляемая • • O O O энергетика: Геотермальная энергетика Биотопливо Водородная энергетика Приливная энергетика и т. д. Беспроводная передача электричества Нанопроводниковый аккумулятор Органические солнечные батареи

Транспорт O Электромобиль O Автоматический транспорт (наземный, воздушный, индивидуальный, общественный) O Новые типы двигателей (переохлажденный реактивный двигатель, гиперзвуковой двигатель) O Полеты в космос без ракет

Информационные технологии O Искусственный интеллект O Мобильная связь 4 G O Машинное зрение O Оптический компьютер, квантовый компьютер O Безэкранный дисплей O 3 D - принтер

Биотехнология O Генетическая инженерия O Искусственный фотосинтез O Синтетическая биология O Лекарства от старения O Имплантанты и протезирование O Безэкранный дисплей O 3 D - принтер

Робототехника O Групповая робототехника O Нанороботы O Экзоскелет O Микроэлектромеханические системы

Создание новых материалов O Высокотемпературная сверхпроводимость O Углеродные нанотрубки O Самовосстанавливающиеся материалы O Программируемая материя

Современные технологии в металлургии O Мини- и микрометаллургия O «Белая» металлургия O Получение стали в электрических печах

Современные технологии в строительстве O Бионическая архитектура O Использование инновационных материалов O Крупноблочное строительство. O Монолитное строительство O Умный дом

Учебники O 1. Н. Л. Глинка. Общая химия O 2. Э. Н. Рэмсден. Начала современной химии O 3. Г. П. Хомченко. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы. O Г. С. Ландсберг. Элементарный учебник физики в 3 -х томах O http: //elementy. ru/ - Популярный сайт о фундаментальной науке.

Теоретические основы современных технологий Элементы общей химии

Основные химические теории O Атомно-молекулярное учение O Закон сохранения массы и энергии O Периодический закон Д. И. Менделеева O Теория химического строения органических веществ Бутлерова

Атомномолекулярное учение

Этапы развития атомно-молекулярного учения O 1741 год – «Элементы математической химии» М. В. Ломоносова Сформулированы основные положения корпускулярной теории строения вещества.

Положения корпускулярной теории Ломоносова O Все вещества состоят из мельчайших физически неделимых частичек, обладающих способностью взаимного сцепления O Существуют два вида частиц Более крупные частицы – корпускулы (молекулы) Более мелкие – элементы (атомы)

Современные определения O Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами O Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами O Химический элемент – вид атомов, характеризующий определенной совокупностью свойств (заряд ядра)

Атомистическая теория Дальтона (начало XIX в. ) O Джон Дальтон правильнее Долтон (Dalton) (1766 -1844)

Основные положения атомистики Дальтона O Различие элементов объясняется тем, что они состоят из разных атомов, характеризующихся определенным весом (атомным весов). O Атомы одного элемента тождественны между собой. O Вес соединения равен сумме весов входящих в него атомов

Таблица атомных весов

Современные понятия O Атомная единица массы – 1/12 часть массы изотопа углерода 12 С. O Атомная масса – масса атома, выраженная в атомных единицах массы O Молекулярная масса – масса молекулы, выраженная в атомных единицах масса IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 1961

O Атомная едини ца ма ссы (обозначение а. е. м. ), она же дальто н (обозначение Da), она же углеродная единица — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Атомная единица массы выражается через массу нуклида углерода 12 С и равна 1/12 массы этого нуклида. O Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a. m. u. ) и более точный — unified atomic mass unit (u. a. m. u. ) (универсальная атомная единица массы). O В 1997 году во 2 -м издании справочника терминов ИЮПАК установлено численное значение а. е. м. : 1 а. е. м. = 1, 660 540 2(10)· 10− 27 кг = 1, 660 540 2(10)· 10− 24 г O 1 а. е. м. , выраженная в граммах, численно равна обратному числу Авогадро, то есть 1/NA, выраженному в моль− 1. O Молярная масса данного элемента, выраженная в граммах на моль, численно совпадает с массой молекулы этого элемента, выраженной в а. е. м.

Стехиометрические законы* как часть атомно-молекулярного учения 1. Закон постоянства состава 2. Закон кратных отношений *Стехиометрия (от др. -греч. στοιχεῖον «элемент» + μετρέω «измерять» ) — раздел химии о соотношениях реагентов в химических реакциях

Закон постоянства состава O Жозеф Луи Пруст, 1799 Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения постоянны и не зависят от способов получения этого соединения

Закон кратных отношений O Джон Дальтон (1803) Если два элемента образуют друг с другом несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа 1. Углекислый газ m (C) / m (01) = 12/32 2. Угарный газ m (C) / m (02) = 12/16 m (O 1)/m (O 2) =32/16=2/1

Современное состояние стехиометрических законов O Закон постоянства состава Соотношения между массами элементов, входящих в состав соединения постоянны при условии постоянства изотопного* состава. Тяжелая вода (D 2 O) содержит 20% водорода по массе, обычная (H 2 O) – 11 %/ Изотопы – атомы одного элемента, отличающиеся атомной массой из-за разного количества нейтронов в ядре.

Соединения переменного состава O Начало XX века Н. С. Курнаков - открыл сплавы переменного состава Tl. Bi 1, 24 -1. 82 Переменным составом могут обладать оксиды, сульфиды, карбида, нитриды Соединения переменного состава – бертоллиды. Соединения постоянного состава - дальтониды

Клод Луи Бертолле Полагал, что все соединения имеют переменный состав

Периодический закон Д. И. Менделеева (1869)

Д. И. Менделеев 1834 -1907

Формулировка Менделеева «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса» . [1]

Попытки систематизации элементов

Триады Дёберейнера, 1829 Li Ca P S F Na Sr As Se Br K Ba Sb Te I Сходные элементы можно объединить в группы. Атомный вес среднего близок к полусумме атомных весов крайних элементов триады. Закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между атомной массой и свойствами элементов и их соединений. Недостаток - искусственное ограничение совокупностей сходных элементов лишь тройственными союзами. Неудача при попытке выделить триаду из 4 сходных элементов P, As, Sb, Bi.

Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа Расположил все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс. Полученный ряд нанес на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания под углом 45° к плоскости основания (т. н. земная спираль). При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами. На одну вертикаль попадали: литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т. д. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы — ничего общего с ними не имеющий титан.

Спираль де Шанкартуа

Джон Ньюлендс Расположил элементы в порядке возрастания их атомных масс. Заметил, что сходство в свойствах проявляется между каждым восьмым элементом. Найденную закономерность Ньюлендс назвал законом октав по аналогии с семью интервалами музыкальной гаммы. В своей таблице он располагал химические элементы в вертикальные группы по семь элементов в каждой и при этом обнаружил, что (при небольшом изменении порядка некоторых элементов) сходные по химическим свойствам элементы оказываются на одной горизонтальной линии. Ньюлендс присвоил химическим элементам порядковый номер и заметил систематическое соотношение между этим порядком и физико-химическими свойствами элементов.

Закон октав Ньюлендса

Таблица Ньюлендса

Юлиас Лотар Мейер 1830 -1895

Таблица Мейера, 1864 28 элементов в порядке возрастания атомных масс размещены в 6 столбцах согласно валентностям*. Валентность Валентность IV III II I I II Li Be ~16 I ряд Разность масс II ряд C N O F Na Mg ~16 III ряд Si P S Cl K Ca ~45 As Se Br Rb Sr ~45 Te I Cs Ba ~90 IV ряд Sn Sb VI ряд Pb Bi Tl ~90 Вале нтность (от лат. valēns «имеющий силу» ) — способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

Таблица Майера, 1870 • «Природа элементов как функция их атомного веса» Сходные элементы располагаются в горизонтальных рядах; • Некоторые ячейки таблицы оставлены незаполненными. I II B III IV V VI Al C Si N P O S F Ti V Cr Zr As Se K Be Mg Ca Nb Mo Br Mn Fe Co Ni Na VIII IX In(? ) Cl Li VII Cu Zn Tl Sn Pb Sb Те Sr W I Ru Rh Pd Rb Ta Ag Cd Os Ir Pt Cs Ba Au Hg Bi

üВ 1882 году Лондонское королевское общество присудило золотые медали Дэви совместно Менделееву и Мейеру с формулировкой «За открытие периодических соотношений атомных весов» . üВ зарубежной литературе Л. Мейер обычно рассматривается как один из авторов системы периодической химических элементов

Периодическая система Менделеева, 1871

Короткий вариант

Длинный вариант

Развитие учения о периодичности в XX веке

Открытие электрона, 1897, Джозеф Джон Томсон O Изучал отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. O Доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны другу и входят в состав вещества. O Гипотезу о существовании материи в состоянии ещё более тонкого дробления, чем атомы За это открытие Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.

Планетарная модель атома Резерфорда, 1911 O Атом состоит из ядра, находящегося в центре, и электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра.

Антониус Ван ден Брук , 1911 O Порядковый номер элемента в периодической таблице равен числу электронов в атоме и, следовательно, положительному заряду ядра атома. O Протонно-электронная модель строения атомных ядер. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и особых, ядерных электронов – последние испускаются ядрами радиоактивных элементов в качестве бета-лучей.

Закон Генри Мозли, 1913 O Связывает частоту спектральных линий характеристического излучения атома с его порядковым номером. O Закон Мозли явился экспериментальным доказательством правильности размещения элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и содействовал выяснению физического смысла.

Открытие протона O 1913 – предположение Резерфорда, что одной из частиц , входящих в ядро атома любого химического элемента должно быть ядро атома водорода, т. к. массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз. O Опыт по исследованию взаимодействия альфа -частиц с ядрами атома азота. В результате взаимодействия из ядра атома азота вылетала частица, которую Резерфорд назвал протоном и предположил, что это ядро атома водорода.

Открытие нейтрона O Существование нейтрона предсказано Резерфордом в 1913 году. O Нейтрон открыт Джеймсом Чэдвиком в 1932 при облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц (Нобелевская премия, 1935)

Современная формулировка периодического закона O Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

Формальная теория периодической системы O 1921 -1923 Нильс Бор – основы формальной теории. O Причина периодичности свойств элементов - периодическое повторение строения внешнего электронного уровня атома.