Удивительный микромир: интересные факты об атомах и молекулах
Все разнообразие нашего мира построено из атомов и молекул. Удивительно, как проявления форм жизни образовались лишь на основе протонов, нейтронов и электронов. Элементарная основа позволяет каждому веществу и организму выполнять свою функцию. Так из семи нот пишется музыка разных направлений, разных стилей. Мы собрали 10 самых интересных фактов об атомах и молекулах.
В периодической таблице химических элементов водород стоит на первом месте. Его ядро состоит лишь из одного протона, вокруг которого вращается единственный электрон. Простейшее строение определяет минимальную массу, которую может иметь атом – 1,008 а.е.м. или 1,7х10-24 г.
На Земле водород существует в виде соединений с другими веществами или образует двухатомную молекулу Н2. Если считать в массовом отношении, на его долю приходится 1% земной коры. Если перевести массу в количество атомов, то содержание водорода окажется более внушительным – 17%. Этот показатель ставит элемент на второе место после кислорода (52%).
Во Вселенной водород составляет 88,6% от общей доли атомов, находящихся в космосе в виде звездного вещества и космической пыли.
В молекуле ДНК сосредоточена информация о строении каждой клетки живого организма, словно это проектное бюро города, где собраны подробные планы всех зданий. Внешне она напоминает перевитую веревочную лестницу, состоящую из двух нитей и соединенную водородными связями. ДНК вирусов может представлять одну цепочку.
Информация зашифрована в генах, то есть участках молекулы. Ген представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, способных передать код для построения белков и РНК (информационных, транспортных, рибосомных, матричных).
Спираль ДНК человека, если ее вытянуть, протянется почти на 2 м. Это тем более удивительно, что она умещается в ядре размером меньше микрометра. Свернуться в компактную хромосому молекуле помогают нуклеосомы. На них ДНК наматывается, как на катушку.
Пылью называют твердые минеральные или органические частицы размером не более 0,05 мм. Природа образования может быть как естественной, так и связанной с деятельностью человека (антропогенной). В воздух поднимаются вулканический пепел, морская соль, сухая почва, продукты горения после пожаров, пыльца растений. Человек способствует загрязнению воздуха продуктами отопления и горных разработок, выхлопами автотранспорта, удобрениями. Вспашка земли и оголение почвы выкосами травы опасны выветриванием и переносом верхнего слоя грунта ветром.
Если сравнивать твердую взвесь с газообразными загрязнителями воздуха, то последние присутствуют в виде отдельных молекул. Пыль же в каждой частице содержит огромное число молекул и еще большее число атомов.
В составе атома электроны несут отрицательный заряд, протоны – положительный. Нейтроны не имеют заряда, то есть нейтральны. Когда количество протонов равно количеству электронов, заряд атома равен нулю. В случае, если электронов больше или меньше, чем протонов, у атома появляется заряд. Он становится ионом.
Ядро, состоящее из нейтронов и протонов, обладает ощутимой массой. Нужно определенное количество энергии, чтобы заставить его терять протоны. Электроны, которые вращаются вокруг него, значительно легче могут перемещаться от одного атома к другому. Добавление электронов приводит к образованию отрицательного заряда, потеря частиц – положительного. Атомы с положительным зарядом называют катионами, атомы с избытком электронов становятся анионами.
Из природных элементов атом урана имеет самую большую массу – 238,0289 а.е.м. В природе находится в основном в виде изотопа U-238. Атом с его 92 протонами чрезвычайно перегружен, при любой возможности выбрасывает протоны и нейтроны с огромной скоростью.
Открыл элемент германский химик Мартин Клапрот в 1789 году при анализе отработанной руды после добычи серебра. «Странное вещество», похожее на металл было диоксидом урана, но выяснилось это только через 50 лет. Клапрот назвал находку в честь далекой планеты, открытой к этому времени Гершелем.
В конце 19 века во Франции Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана, то есть способность терять частицы. Распад может иметь 14 циклов. Уран превращается в радий, радон и другие элементы, образуя на последней стадии свинец.
Еще в Древней Греции философ и математик Демокрит предположил, что окружающее состоит из мельчайших частичек. Отсюда произошел термин «атом» или «atomos». Однако подтверждение теория получила только в результате работы ученых в последние 150 лет и с помощью изобретенного микроскопа.
Первое исследование провел англичанин Джон Дальтон на рубеже 18-19 веков. Он установил, что химические элементы вступают в реакции в строго определенном соотношении (закон кратных отношений).
Сейчас мы знаем, что атом представляет собой наименьшую частицу химического элемента и не всегда является неделимым. В состав атома входит ядро с протонами и нейтронами или просто нуклонами от латинского слова «nucleus» – ядро. Снаружи вокруг атома расположено электронное облако.
Твердость вещества – характеристика, основанная на прочности химических связей между атомами и молекулами. В жидкости частицы могут перемещаться относительно друг друга. В твердых телах они лишены такой возможности.
При производстве стекла молекулы кремния, обычно принимающие структуру кристаллической решетки, не успевают занят положенное им место. Стекло быстро остывает и частицы остаются перемешанными хаотично. Такое вещество называют аморфным, однако все же оно твердое.
Вязкость стекла сопоставима с вязкостью свинца, но ведь свинец никто не называет жидкостью. Бытует мнение, что со временем оконные стекла «стекают» вниз. В пример ставят витражи в средневековых храмах. Следует уточнить, что утолщения в их основании появились не с течением времени, а были изначально. Причина кроется в несовершенстве технологии производства.
Чтобы представить видимые и невидимые параметры окружающего мира, представим все молекулы одного кубического сантиметра воздуха в виде кирпичей. Их количества хватило бы для покрытия поверхности планеты на высоту 40-этажного дома.
Размеры молекул и атомов настолько малы, что в решении задач молекулярной физики используют относительные величины. Установить их удалось лишь с изобретением электронного микроскопа. Средний диаметр атома и простейшей молекулы составляет порядка 10-10 м. Так, размер молекулы белка – 43х10-10 м. Крупные молекулы достигают 10-7 м.
В ионный микроскоп можно разглядеть строение кристалла и даже определить межатомные расстояния.
Выбор пал на монофторид стронция (SrF) неслучайно. Принцип охлаждения атомов основан на периодическом повторении поглощения и испускания фотонов под воздействием лазера. Таким образом атом теряет кинетическую энергию. Молекулы не настолько чувствительны. Мешает колебательная и вращательная энергия межатомных связей. У фторида стронция эти явления минимальны.
Группа ученых Йельского университета во главе с Д. Демиллем добилась охлаждения молекулы до 300 мкК (0,0003 К). За счет подобранной длины волны лазер погасил вращательные межатомные движения. В дальнейшем молекулы вели себя аналогично атому.
Практически такое достижение в перспективе можно использовать в квантовых компьютерах.
Молекулы воды находятся в постоянном тепловом движении. Они колеблются с большой частотой (одно колебание за 10-12 … 10-13 с) возле определенного положения, изредка прыгая на освободившееся соседнее место. Скорость движения при этом может приближаться к 600-650 м/с.
И все же молекулы не разлетаются, остаются жидкостью. Происходит это за счет водородных связей. В молекуле H2O пары электронов смещены в сторону кислорода. Водород, оставшийся практически без электрона, представляет собой положительно заряженное ядро. В результате протон водорода притягивает соседние атомы кислорода, образуя прочную межмолекулярную связь.
Благодаря такому сцеплению вода в условиях Земли принимает в основном жидкое состояние, а не кипит как аналогичные гидриды (серы, селена) при –80°С. Водородные связи определяют физические и химические свойства воды, на которых основана жизнь на нашей планете.
Самый легкий из атомов – атом водорода
В периодической таблице химических элементов водород стоит на первом месте. Его ядро состоит лишь из одного протона, вокруг которого вращается единственный электрон. Простейшее строение определяет минимальную массу, которую может иметь атом – 1,008 а.е.м. или 1,7х10-24 г.
На Земле водород существует в виде соединений с другими веществами или образует двухатомную молекулу Н2. Если считать в массовом отношении, на его долю приходится 1% земной коры. Если перевести массу в количество атомов, то содержание водорода окажется более внушительным – 17%. Этот показатель ставит элемент на второе место после кислорода (52%).
Во Вселенной водород составляет 88,6% от общей доли атомов, находящихся в космосе в виде звездного вещества и космической пыли.
Главной молекулой живой природы является молекула ДНК
В молекуле ДНК сосредоточена информация о строении каждой клетки живого организма, словно это проектное бюро города, где собраны подробные планы всех зданий. Внешне она напоминает перевитую веревочную лестницу, состоящую из двух нитей и соединенную водородными связями. ДНК вирусов может представлять одну цепочку.
Информация зашифрована в генах, то есть участках молекулы. Ген представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, способных передать код для построения белков и РНК (информационных, транспортных, рибосомных, матричных).
Спираль ДНК человека, если ее вытянуть, протянется почти на 2 м. Это тем более удивительно, что она умещается в ядре размером меньше микрометра. Свернуться в компактную хромосому молекуле помогают нуклеосомы. На них ДНК наматывается, как на катушку.
Пыль – это частица, состоящая из квадриллиона атомов
Пылью называют твердые минеральные или органические частицы размером не более 0,05 мм. Природа образования может быть как естественной, так и связанной с деятельностью человека (антропогенной). В воздух поднимаются вулканический пепел, морская соль, сухая почва, продукты горения после пожаров, пыльца растений. Человек способствует загрязнению воздуха продуктами отопления и горных разработок, выхлопами автотранспорта, удобрениями. Вспашка земли и оголение почвы выкосами травы опасны выветриванием и переносом верхнего слоя грунта ветром.
Если сравнивать твердую взвесь с газообразными загрязнителями воздуха, то последние присутствуют в виде отдельных молекул. Пыль же в каждой частице содержит огромное число молекул и еще большее число атомов.
Атом может иметь электрический заряд
В составе атома электроны несут отрицательный заряд, протоны – положительный. Нейтроны не имеют заряда, то есть нейтральны. Когда количество протонов равно количеству электронов, заряд атома равен нулю. В случае, если электронов больше или меньше, чем протонов, у атома появляется заряд. Он становится ионом.
Ядро, состоящее из нейтронов и протонов, обладает ощутимой массой. Нужно определенное количество энергии, чтобы заставить его терять протоны. Электроны, которые вращаются вокруг него, значительно легче могут перемещаться от одного атома к другому. Добавление электронов приводит к образованию отрицательного заряда, потеря частиц – положительного. Атомы с положительным зарядом называют катионами, атомы с избытком электронов становятся анионами.
Самый тяжелый из атомов – атом урана
Из природных элементов атом урана имеет самую большую массу – 238,0289 а.е.м. В природе находится в основном в виде изотопа U-238. Атом с его 92 протонами чрезвычайно перегружен, при любой возможности выбрасывает протоны и нейтроны с огромной скоростью.
Открыл элемент германский химик Мартин Клапрот в 1789 году при анализе отработанной руды после добычи серебра. «Странное вещество», похожее на металл было диоксидом урана, но выяснилось это только через 50 лет. Клапрот назвал находку в честь далекой планеты, открытой к этому времени Гершелем.
В конце 19 века во Франции Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана, то есть способность терять частицы. Распад может иметь 14 циклов. Уран превращается в радий, радон и другие элементы, образуя на последней стадии свинец.
Слово «атом» происходит из древнегреческого языка и означает «неделимый»
Еще в Древней Греции философ и математик Демокрит предположил, что окружающее состоит из мельчайших частичек. Отсюда произошел термин «атом» или «atomos». Однако подтверждение теория получила только в результате работы ученых в последние 150 лет и с помощью изобретенного микроскопа.
Первое исследование провел англичанин Джон Дальтон на рубеже 18-19 веков. Он установил, что химические элементы вступают в реакции в строго определенном соотношении (закон кратных отношений).
Сейчас мы знаем, что атом представляет собой наименьшую частицу химического элемента и не всегда является неделимым. В состав атома входит ядро с протонами и нейтронами или просто нуклонами от латинского слова «nucleus» – ядро. Снаружи вокруг атома расположено электронное облако.
Стекло не является твердым телом
Твердость вещества – характеристика, основанная на прочности химических связей между атомами и молекулами. В жидкости частицы могут перемещаться относительно друг друга. В твердых телах они лишены такой возможности.
При производстве стекла молекулы кремния, обычно принимающие структуру кристаллической решетки, не успевают занят положенное им место. Стекло быстро остывает и частицы остаются перемешанными хаотично. Такое вещество называют аморфным, однако все же оно твердое.
Вязкость стекла сопоставима с вязкостью свинца, но ведь свинец никто не называет жидкостью. Бытует мнение, что со временем оконные стекла «стекают» вниз. В пример ставят витражи в средневековых храмах. Следует уточнить, что утолщения в их основании появились не с течением времени, а были изначально. Причина кроется в несовершенстве технологии производства.
Молекула меньше яблока во столько же раз, во сколько яблоко меньше Земли
Чтобы представить видимые и невидимые параметры окружающего мира, представим все молекулы одного кубического сантиметра воздуха в виде кирпичей. Их количества хватило бы для покрытия поверхности планеты на высоту 40-этажного дома.
Размеры молекул и атомов настолько малы, что в решении задач молекулярной физики используют относительные величины. Установить их удалось лишь с изобретением электронного микроскопа. Средний диаметр атома и простейшей молекулы составляет порядка 10-10 м. Так, размер молекулы белка – 43х10-10 м. Крупные молекулы достигают 10-7 м.
В ионный микроскоп можно разглядеть строение кристалла и даже определить межатомные расстояния.
Ученые смогли охладить молекулы монофторида стронция практически до абсолютного нуля
Выбор пал на монофторид стронция (SrF) неслучайно. Принцип охлаждения атомов основан на периодическом повторении поглощения и испускания фотонов под воздействием лазера. Таким образом атом теряет кинетическую энергию. Молекулы не настолько чувствительны. Мешает колебательная и вращательная энергия межатомных связей. У фторида стронция эти явления минимальны.
Группа ученых Йельского университета во главе с Д. Демиллем добилась охлаждения молекулы до 300 мкК (0,0003 К). За счет подобранной длины волны лазер погасил вращательные межатомные движения. В дальнейшем молекулы вели себя аналогично атому.
Практически такое достижение в перспективе можно использовать в квантовых компьютерах.
Скорость движения молекул воды может достигать 650 м/с
Молекулы воды находятся в постоянном тепловом движении. Они колеблются с большой частотой (одно колебание за 10-12 … 10-13 с) возле определенного положения, изредка прыгая на освободившееся соседнее место. Скорость движения при этом может приближаться к 600-650 м/с.
И все же молекулы не разлетаются, остаются жидкостью. Происходит это за счет водородных связей. В молекуле H2O пары электронов смещены в сторону кислорода. Водород, оставшийся практически без электрона, представляет собой положительно заряженное ядро. В результате протон водорода притягивает соседние атомы кислорода, образуя прочную межмолекулярную связь.
Благодаря такому сцеплению вода в условиях Земли принимает в основном жидкое состояние, а не кипит как аналогичные гидриды (серы, селена) при –80°С. Водородные связи определяют физические и химические свойства воды, на которых основана жизнь на нашей планете.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
+1
Левкипп и его ученик Демокрит: есть только атомы и пустота…
- ↓
