Чем определяется скорость распространения ароматических веществ
§ 55. Броуновское движение
Вспомните из курса физики основной школы явление диффузии.
Чем может быть объяснено это явление?
Ранее вы узнали, что такое диффузия, т. е. проникновение молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого вещества. Это явление определяется беспорядочным движением молекул. Этим можно объяснить, например, тот факт, что объём смеси воды и спирта меньше объёма составляющих её компонентов.
Но самое очевидное доказательство движения молекул можно получить, наблюдая в микроскоп мельчайшие, взвешенные в воде частицы какого-либо твёрдого вещества. Эти частицы совершают беспорядочное движение, которое называют броуновским.
Вырежите из бумаги кружочки разных диаметров и покажите, что площадь, которую занимают кружочки, расположенные вперемешку, меньше суммы площадей, занимаемых этими кружочками в отдельности.
Запомни
Броуновское движение — это тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц.
Наблюдение броуновского движения. Английский ботаник Р. Броун (1773—1858) впервые наблюдал это явление в 1827 г., рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна.
Позже он рассматривал и другие мелкие частицы, в том числе частички камня из египетских пирамид. Сейчас для наблюдения броуновского движения используют частички краски гуммигут, которая нерастворима в воде. Эти частички совершают беспорядочное движение. Самым поразительным и непривычным для нас является то, что это движение никогда не прекращается. Мы ведь привыкли к тому, что любое движущееся тело рано или поздно останавливается. Броун вначале думал, что споры плауна проявляют признаки жизни.
Важно
Броуновское движение — тепловое движение, и оно не может прекратиться. С увеличением температуры интенсивность его растёт.
На рисунке 8.3 приведены траектории движения броуновских частиц. Положения частиц, отмеченные точками, определены через равные промежутки времени — 30 с. Эти точки соединены прямыми линиями. В действительности траектория частиц гораздо сложнее.
Проведите эксперимент по определению скорости распространения запаха духов в вашем классе. Можно ли будет считать эту скорость скоростью движения молекул пахучего вещества?
Объяснение броуновского движения. Объяснить броуновское движение можно только на основе молекулярно-кинетической теории.
«Немногие явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы того, что совершается в природе. Перед ним открывается новый мир — безостановочная сутолока огромного числа частиц. Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частицы, почти мгновенно меняя направление движения. Медленнее продвигаются более крупные частицы, но и они постоянно меняют направление движения. Большие частицы практически толкутся на месте. Их выступы явно показывают вращение частиц вокруг своей оси, которая постоянно меняет направление в пространстве. Нигде нет и следа системы или порядка. Господство слепого случая — вот какое сильное, подавляющее впечатление производит эта картина на наблюдателя». R. Поль (1884—1976).
Важно
Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.
На рисунке 8.4 схематически показано положение одной броуновской частицы и ближайших к ней молекул.
При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы, например слева и справа, неодинаковы. Поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу. Эта сила и вызывает изменение движения частицы.
Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана в 1905 г. А. Эйнштейном (1879—1955). Построение теории броуновского движения и её экспериментальное подтверждение французским физиком Ж. Перреном окончательно завершили победу молекулярно-кинетической теории. В 1926 г. Ж. Перрен получил Нобелевскую премию за исследование структуры вещества.
Опыты Перрена. Идея опытов Перрена состоит в следующем. Известно, что концентрация молекул газа в атмосфере уменьшается с высотой. Если бы не было теплового движения, то все молекулы упали бы на Землю и атмосфера исчезла бы. Однако если бы не было притяжения к Земле, то за счёт теплового движения молекулы покидали бы Землю, так как газ способен к неограниченному расширению. В результате действия этих противоположных факторов устанавливается определённое распределение молекул по высоте, т. е. концентрация молекул довольно быстро уменьшается с высотой. Причём чем больше масса молекул, тем быстрее с высотой убывает их концентрация.
Броуновские частицы участвуют в тепловом движении. Так как их взаимодействие пренебрежимо мало, то совокупность этих частиц в газе или жидкости можно рассматривать как идеальный газ из очень тяжёлых молекул. Следовательно, концентрация броуновских частиц в газе или жидкости в поле тяжести Земли должна убывать по тому же закону, что и концентрация молекул газа. Закон этот известен.
Перрен с помощью микроскопа большого увеличения и малой глубины поля зрения (малой глубины резкости) наблюдал броуновские частицы в очень тонких слоях жидкости. Подсчитывая концентрацию частиц на разных высотах, он нашёл, что эта концентрация убывает с высотой по тому же закону, что и концентрация молекул газа. Отличие в том, что за счёт большой массы броуновских частиц убывание происходит очень быстро.
Все эти факты свидетельствуют о правильности теории броуновского движения и о том, что броуновские частицы участвуют в тепловом движении молекул.
Подсчёт броуновских частиц на разных высотах позволил Перрену определить постоянную Авогадро совершенно новым методом. Значение этой постоянной совпало с ранее известным.
Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа.
Броуновское движение. Опыты Перрена
Вопросы к параграфу
1. Чем определяется скорость распространения ароматических веществ в воздухе?
2. Что является причиной броуновского движения частиц?
3. Можно ли сказать, что движение броуновской частицы — это тепловое движение, аналогичное движению молекул?
Образцы заданий ЕГЭ
А1. Учительница вошла в класс. Ученик, сидящий на последней парте, почувствовал запах её духов через 10 с. Скорость распространения запаха духов в комнате определяется в основном скоростью
1) испарения 3) броуновского движения
2) диффузии 4) конвекционного переноса воздуха
А2. Явление диффузии в жидкостях свидетельствует о том, что молекулы жидкостей
Школе NET
Register
Do you already have an account? Login
Login
Don’t you have an account yet? Register
Newsletter
Submit to our newsletter to receive exclusive stories delivered to you inbox!
Васян Коваль
Лучший ответ:
Суррикат Мими
1) Броуновская частица имеет очень малый размер ( примерно лишь в сотни раз больший диаметра молекулы), она может заметно перемещаться под действием одновременных одинаково направленных ударов нескольких молекул. В силу хаотичности движения молекул их удары о броуновскую частичку оказываются обычно нескомпенсированными: с разных сторон в частичку ударяет различное количество молекул, причём сила удара отдельных молекул также не вполне одинакова. Поэтому частичка получает преимущественный толчок то с одной, то с другой стороны и буквально мечется в разные стороны в поле зрения микроскопа. Таким образом, броуновские частички воспроизводят хаотическое движение самих молекул, только движутся они значительно медленнее молекул благодаря своей сравнительно большой массе.
— Одним словом столкновение друг об друга!
2) а) Направлением и скоростью ветра.
б) Температурой воздуха, чем выше тем быстрее.
Добавлю ещё: что определяется скорость распространения ароматических веществ в воздухе: 1)испарения 2)броуновского движения
3)диффузии 4)конвекционного переноса воздух.
Скорость распространения пламени
Скорость распространения пламени – расстояние, пройденное пламенем за единицу времени. Скорость распространения пламени характеризует свойство пламени к самопроизвольному распространению при горении смесей горючих газов или пылей с воздухом (окислителем), а также при горении ГЖ и твёрдых материалов, находящихся в контакте с воздухом.
Для некоторых подвижных горючих смесей (газо-, паро- и пылевоздушных) с расширяющимися продуктами горения различают видимую скорость распространения пламени относительно неподвижного наблюдателя за пламенем, и скорость распространения пламени относительно горючей смеси. Из-за собственного движения смеси, в т.ч. вызванного расширением продуктов горения, значение видимой скорости пламени может существенно (в несколько раз) отличаться от скорости распространения пламени относительно горючей смеси.
Скорость распространения пламени плоской формы относительно горючей смеси именуют НСРП и относят к фундаментальным характеристикам газо-, паро- и пылевоздушных смесей. При искривлении пламени его поверхность увеличивается, что приводит к росту скорости распространения относительно горючей смеси. В частности, значительное увеличение поверхности пламени происходит с турбулизацией горючей смеси, при которой скорость распространения пламени по смеси может во много раз превосходить НСРП. К скорости распространения пламени можно также отнести скорость изменения (снижения) уровня поверхности жидкости при диффузионном выгорании с поверхности. В нормативной литературе данная скорость распространения пламени именуется скоростью выгорания.
Характерные значения скорости распространения пламени для различных объектов приведены в нормативных документах.
Литература: ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожарная опасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методов их определения.
Ответы
1) Броуновская частица имеет очень малый размер ( примерно лишь в сотни раз больший диаметра молекулы), она может заметно перемещаться под действием одновременных одинаково направленных ударов нескольких молекул. В силу хаотичности движения молекул их удары о броуновскую частичку оказываются обычно нескомпенсированными: с разных сторон в частичку ударяет различное количество молекул, причём сила удара отдельных молекул также не вполне одинакова. Поэтому частичка получает преимущественный толчок то с одной, то с другой стороны и буквально мечется в разные стороны в поле зрения микроскопа. Таким образом, броуновские частички воспроизводят хаотическое движение самих молекул, только движутся они значительно медленнее молекул благодаря своей сравнительно большой массе.
— Одним словом столкновение друг об друга!
2) а) Направлением и скоростью ветра.
б) Температурой воздуха, чем выше тем быстрее.
Добавлю ещё: что определяется скорость распространения ароматических веществ в воздухе: 1)испарения 2)броуновского движения
3)диффузии 4)конвекционного переноса воздух.
3. причина броуновского движения-движение молекул среды
4.движение броуновской частички беспорядочно, так как столкновения с молекулами среды случайны
5. броуновское движение нарастает с увеличением температуры
6.броуновское движение доказывает факт существования молекул и их движения.
Ароматичность и антиароматичность
Задача
Понятия «ароматичность» и «антиароматичность» в химии не имеют отношения к наличию запаха у вещества. Ароматические соединения — это вещества, в которых замкнутая сопряженная система из π-электронов, образующаяся в результате перекрывания р-электронных облаков соседних атомов, придает молекуле аномально высокую стабильность. Самое, пожалуй, известное ароматическое соединение — бензол С6Н6, гораздо более инертный по сравнению с соединениями, в которых на углерод приходится большее число атомов водорода — С6Н8, С6Н10, С6Н12 и С6Н14. В антиароматических соединениях замкнутая сопряженная система из π-электронов, напротив, делает антиароматическую молекулу крайне неустойчивой, а в ряде случаев антиароматические соединения с желаемой формулой вообще невозможно получить.
В 1931 году Эрих Хюккель сформулировал правила, которые позволяют отнести данное вещество к ароматическим или антиароматическим. В соответствии с правилами Хюккеля ароматической является плоская замкнутая сопряженная система, содержащая 4n + 2 π-электронов, а антиароматическая система должна состоять из 4n π-электронов (n — натуральное число или ноль). Так, у бензола эта система содержит шесть π-электронов, и он удовлетворяет хюккелевскому критерию ароматичности для n = 1.
Ниже приведены структурные формулы десяти веществ, молекулы которых плоские. Определите, какие из них можно отнести к ароматическим, какие — к антиароматическим, а какие не попадают ни в одну из этих категорий.
Подсказка 1
Двойная связь между элементами второго периода Периодической системы состоит из σ-связи и π-связи. Каждую π-связь образуют два π-электрона.
Подсказка 2
В образовании сопряженной системы электронов могут участвовать не только π-электроны, отвечающие за образование химической связи, но также и неподеленная электронная пара или пустая р-орбиталь.
Подсказка 3
Определить, расположена ли на атоме элемента неподеленная электронная пара или пустая р-орбиталь, можно, проанализировав положение элемента в Периодической системе — число электронов на внешнем (валентном) уровне элемента равно номеру группы, в которой он находится. На образование каждой простой (одинарной) связи элемент использует один электрон с валентного уровня.
Решение
Используя информацию из подсказок и Периодическую систему, можно получить следующие выводы:
1) один атом углерода, образующий двойную связь, вносит в сопряженную систему один электрон, атом углерода, образующий только одинарные связи — ни одного (одинарная связь представляет собой σ-связь),
2) атом азота предоставляет в сопряженную систему два электрона,
3) атом бора — ни одного, но замыкает систему сопряжения за счет вакантной (не содержащей электронов) орбитали.
На рисунке ниже указано, сколько электронов в систему сопряжения отдает каждый атом (зеленые числа), и общее число электронов в сопряженной системе (красные числа) каждой из данных молекул.
Соединения с номерами 1, 3, 5, 6, 7 и 10 — ароматические, у них замкнутая система сопряжения, количество электронов в которой (4n + 2) соответствует хюккелевскому критерию. При этом пиррол (№3) и индол (№6) относят к гетероциклическим ароматическим соединениям — в них в образовании единой сопряженной системы участвуют атомы не только углерода, но и других элементов. Боразол («неорганический бензол», №7) —ароматическое соединение, которое не содержит ни одного атома углерода и первый пример того, что ароматичность не является свойством исключительно органических соединений.
К антиароматическим относятся соединения с номерами 4 и 8: у них, соответственно, 4 и 12 электронов в замкнутой системе сопряжения, что отвечает критерию антиароматичности. Именно с безуспешных попыток синтеза циклобутадиена (№4) следует отсчитывать появление термина «антиароматичность».
Вещества с номерами 2 и 9 не относятся ни к ароматическим, ни к антиароматическим: это просто вещества, в структуре которых имеется система сопряжения кратных связей. Можно подумать, что число электронов для №2 соответствует антиароматическим системам, а для №9 — ароматическим, однако для проявления свойств ароматичности или антиароматичности необходимо наличие замкнутой системы сопряжения, которой у этих молекул нет. Гексатриен-1,3,5 (№9) представляет собой ациклическую (разомкнутую) молекулу, а у циклопентадиена-1,3 (№2), хотя он и является молекулой с замкнутой углеродной цепью, атомная группировка –СН2–, в которой углерод образует только простые (одинарные) связи, не позволяет замкнуть систему сопряжения из π-электронов.
Послесловие
Несмотря на то, что в настоящее время понятие «ароматичность» не имеет отношения к запахам, своему происхождению оно обязано именно характерному аромату первого из обнаруженных ароматических веществ. Химики начала XIX века пытались определить строение бензола — неизвестной пахучей жидкости, выделенной Майклом Фарадеем из светильного газа, применявшегося для освещения улиц ночного Лондона.
Чуть позже по результатам анализа, указывавшим на то, что соотношение между атомами С и Н составляет 1:1, и молекулярной массе была установлена его формула — C6H6, которая позволяла говорить о крайней степени ненасыщенности и реакционной способности. Из формулы следовало, что бензол может присоединить четыре молекулы водорода Н2 до образования устойчивого насыщенного углеводорода С6Н14, однако бензол был устойчивым при комнатной температуре и не вступал в реакции присоединения водорода, свойственные для ненасыщенных соединений.
На основании свойств бензола и представлениях о том, что углерод образует четыре химические связи, а также о том, что атомы углерода способны связываться друг с другом двойными и тройными связями, было предложено несколько ошибочных вариантов структурных формул для бензола. Уже в ХХ веке все соединения, соответствующие этим формулам, были синтезированы. Было установлено, что их физические и химические свойства отличаются от свойств бензола. Также было обнаружено, что призман (бензол Ладенбурга) и бензол Дьюара самопроизвольно превращаются в бензол при комнатной температуре.
Правильную — циклическую — формулу этого соединения удалось установить Фридриху Августу Кекуле, который, судя по его воспоминаниям, пришел к этой идее во сне: ему приснилась змея, кусающая себя за хвост, и он решил, что бензол должен представлять собой шестичленный цикл из атомов углерода с чередующимися двойными и одинарными связями.
Правда, в соответствии с формулой Кекуле — и он сам так предполагал, — должно было бы существовать два изомера 1,2-дихлорбензола — в одном атомы хлора должны были быть разделены двойной связью, в другом — одинарной. Поскольку, как оказалось позже, в бензоле нет чередующихся двойных и одинарных связей, все атомы углерода эквивалентны, а π-электроны образуют единую замкнутую систему, такие изомеры и не могут существовать. Естественно, что их так и не удалось обнаружить, а сам Кекуле предполагал, что неудачи обнаружения этих изомеров связаны с очень быстрым превращению их друг в друга.
Именно Кекуле и ввел понятие «ароматичность», которое предложил рассматривать, как особую характеристику бензола и родственных по структуре соединений — их устойчивость и склонность участвовать в реакциях замещения, а не присоединения. Такое химическое поведение нельзя было объяснить формулой Кекуле, предполагавшей наличие в бензольном цикле трех двойных связей — в других соединениях, не относившихся к ароматическому ряду, кратные связи активно вступали в реакции присоединения.
В чем состоит причина такого поведения ароматических соединений удалось объяснить в 1931 году Эриху Хюккелю, который, использовав для изучения бензола упрощенный метод квантовой механики — метод молекулярных орбиталей, показал, что в молекуле бензола нет двойных и одинарных связей углерод–углерод, а р-электроны атомов углерода образуют единое кольцевое электронное облако, которому Хюккель дал название «ароматическая система». Он же разработал и фигурирующие в условии задачи правила, позволяющие относить молекулы к ароматическим или антиароматическим. Два правила Хюккеля одинаковы и для ароматических и для антиароматических соединений: плоское строение молекулы и замкнутая сопряженная система нужны для образования кольцевого электронного облака, а разное количество электронов в таком облаке может стабилизировать или дестабилизировать молекулу.
Хотя ароматичность — одна из важнейших концепций химии, пока нет общепринятого краткого определения этого понятия. Ароматичность понимается как совокупный набор особых признаков, в той или иной мере присущих ряду циклических сопряженных молекул. Часть этих признаков можно наблюдать экспериментально, но другие признаки можно описать, только основываясь на квантовой теории строения молекул (сюда как раз относится правило Хюккеля о числе электронов в замкнутой системе). Невозможно объяснить ароматичность с позиций только классической структурной теории химии.
Экспериментально наблюдать можно следующие проявления ароматичности:
1) Химическое — склонность ароматической молекулы к реакциям замещения, а не присоединения.
2) Структурный — тенденция к плоскому расположению атомов и выравниванию длин связей. У бензола выравнивание длин связей идеально — все шесть связей углерод-углерод одинаковы. У более сложных молекул выравнивание длин связей не идеально, но значительно.
3) Магнитный — замкнутая электронная система ароматических соединений оказывает влияние на параметры спектров ядерного магнитного резонанса ароматических соединений. В ароматических соединениях при приложении к ним внешнего магнитного поля возникает кольцевой ток, который способствует возникновению внутри молекул локального магнитного поля, направленного противоположно внешнему. В результате взаимодействия внутреннего и внешних магнитных полей экранирование атомов водорода и атомов углерода ароматической системы понижается, и их сигналы регистрируются в области слабых полей, которая обычно и называется «областью сигналов ароматических атомов водорода» для ЯМР-спектроскопии 1 Н и «областью сигналов ароматических атомов углерода» для ЯМР-спектроскопии 13 С.
Кроме бензольного кольца и углеводородов ароматические свойства проявляют многие гетероциклические соединения — пиррол, фуран, тиофен, пиридин, индол, оксазол и другие. При этом в сопряженную систему шестичленных гетероциклов гетероатом отдает один электрон (по аналогии с углеродом), в 5-атомных — неподеленную электронную пару. Ароматические свойства могут проявлять не только нейтральные молекулы, но и заряженные частицы, например, циклопропенилий-катион (2π-электронная система), циклопентадиенил-анион (6π-электронная система), циклогептатриенил-катион (6π-электронная система), циклооктатетраенил-дианион (10π-электронная система).
Ароматические «ионы». Слева направо: циклопропенилий-катион, циклопентадиенил-анион, циклогептатриенил-катион, циклооктатетраенил-дианион
В ряде случаев ароматические соединения получают из неароматических веществ в ходе процесса ароматизации. Наибольшее практическое значение имеет каталитический риформинг бензиновых фракций, который увеличивает октановое число моторного топлива (см. послесловие к задаче Зона грибного отчуждения).