Эмпирическое изучение свойств атомов
Содержание
. Эмпирический уровень познания. Эмпирические методы познания (наблюдение, описание, измерение, эксперимент). Роль эксперимента в науке (примеры). В чем отличие эксперимента от наблюдения? Какие естественные науки основываются главным образом на наблюдении? Приведите примеры
.1 Эмпирический уровень и методы познания
.2 Роль эксперимента в науке, его отличие от наблюдения
.3 Естественные науки, основанные на наблюдении
Вывод
. Электронная система атома и его химические свойства. Что понимают под металлическими и неметаллическими свойствами атомов? Энергия ионизации, энергия сродства к электрону и электроотрицательность. Каковы причины и характер их изменения с увеличением заряда ядер атомов элементов в период или группе?
.1 Электронная структура атома, его химические свойства
.2 Металлические и неметаллические свойства атомов
.3 Энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность
Вывод
Список литературы
1. Эмпирический уровень познания. Эмпирические методы познания (наблюдение, описание, измерение, эксперимент). Роль эксперимента в науке (примеры). В чем отличие эксперимента от наблюдения? Какие естественные науки основываются главным образом на наблюдении? Приведите примеры
.1 Эмпирический уровень и методы познания
Эмпирический уровень - это этап сбора данных (фактов) о социальных и природных объектах. На эмпирическом уровне изучаемый объект отражается преимущественно со стороны внешних связей и проявлений. Главным для этого уровня является фактифицирующая деятельность. Эти задачи решаются с помощью соответствующих методов. Эмпирический уровень познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне происходит процесс накопления информации об исследуемых объектах, осуществляется первичная систематизация получаемых фактических данных в виде таблиц, схем, графиков и т. п.
Эмпирический уровень познания включает в себя такие методы познания как наблюдение, описание, измерение, эксперимент.
Наблюдение - это целенаправленное изучение и фиксирование данных об объекте, взятом в его естественном окружении; данных, опирающихся в основном на такие чувственные способности человека, как ощущения, восприятия и представления.
Результатами наблюдения являются опытные данные, а возможно - с учетом первичной (автоматической) обработки первичной информации - схемы, графики, диаграммы и т. п. Структурные компоненты наблюдения: сам наблюдатель, объект исследования, условия наблюдения, средства наблюдения (установки, приборы, измерительные инструменты, а также специальная терминология в дополнение к естественному языку).
Описание - познавательная операция, состоящая в фиксировании результатов опыта (наблюдения или эксперимента) с помощью определенных систем обозначения, принятых в науке (схемы, графики, рисунки, таблицы, диаграммы и т.п.).
Измерение - совокупность действий, выполняемых при помощи определенных средств с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения. При измерении сопоставляются качественно одинаковые характеристики. Здесь мы сталкиваемся с вполне типичной для научных исследований ситуацией. Сам процесс измерения, несомненно, является экспериментальной операцией. Но вот установление качественной одинаковости сопоставляемых в процессе измерения характеристик относится уже к теоретическому уровню познания. Чтобы выбрать эталон единицы величины, необходимо знать, какие явления эквивалентны друг другу; при этом предпочтение будет отдано тому эталону, который применим к максимальному числу процессов. Длину измеряли локтями, ступнями, шагами, деревянным метром, платиновым метром, а теперь ориентируются на длины электромагнитных волн в вакууме. Время измеряли по движению звезд, Земли, Луны, пульсом, маятниками. Теперь время измеряют в соответствии с принятым эталоном секунды. Одна секунда равна 9192 631 770 периодам излучения соответствующего перехода между двумя определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия. Как в случае с измерением длины, так и в случае измерения физического времени эталонами измерения избрали электромагнитные колебания. Такой выбор объясняется содержанием теории, а именно квантовой электродинамики. Как видим, измерение теоретически нагружено. Измерение может быть эффективно осуществлено лишь после выявления смысла того, что измеряется и каким образом.
Составляющими эксперимента являются: экспериментатор; изучаемое явление; приборы. В случае приборов речь идет не о технических устройствах типа компьютеров, микро- и телескопов, призванных усилить чувственные и рациональные возможности человека, а о приборах-детекторах, приборах-посредниках, фиксирующих данные эксперимента, испытывающих непосредственное влияние изучаемых явлений. Как видим, экспериментатор находится "во всеоружии", на его стороне кроме всего прочего профессиональный опыт и, что особенно важно, владение теорией. В современных условиях эксперимент чаще всего проводится группой исследователей, которые действуют согласованно, соизмеряя свои усилия и способности.
.2 Роль эксперимента в науке, его отличие от наблюдения
эмпирический энергия атом электрон
Как доказать состоятельность свой идеи? Как проверить формулу? Без чего не примут на вооружение теорию? Ответ очевиден. Без старого доброго эксперимента. Именно эксперимент заставляет нас поверить в утверждение.
Эксперимент разрушает устоявшиеся мифы и открывает глаза на новые грани науки. Эксперимент обладает захватывающим азартом, дает надежду на открытие неизведанного, придает дух первооткрывателя, стимулирует выброс эндорфинов в мозгу и создает мандраж в испытателе.
Пастер, испытавший вакцины на самом себе, Галилей, вступивший в конфликт с католической церковью, Архимед, погибший от рук римлян ни на секунду не колебались в своих исследованиях и экспериментах.
Некоторые эксперименты в мировой науке остались в ряде «безумных». Например, французский врач Николаус Миновици, чтобы исследовать асфикцию (удушение), вешался в буквальном смысле сам! Максимальное время в петле 26 секунд. Вот что описывал экспериментатор после эксперимента: «Как только ноги оторвались от опоры, веки мои судорожно сжались. Дыхательные пути были перекрыты настолько плотно, что я не мог сделать ни вдоха, ни выдоха. В ушах раздался какой-то свист, я уже не слышал голоса ассистента, натягивавшего шнур и отмечавшего по секундомеру время. В конце концов, боль и недостаток воздуха заставили меня остановить опыт. Когда эксперимент был закончен, и я спустился вниз, из глаз моих брызнули слезы».
Легендарный океанолог Жак Ив Кусто также вошел в этот список погружаясь в воду в самодельных экипировках, сделанных из мотоциклетной камеры и противогаза.
Мария Склодовская-Кюри проводила эксперименты с радиоактивными элементами, сама не зная насколько это опасно для жизни и умерла от их воздействия.
Продожать список можно еще долго и долго. Но не обязательно, чтобы эксперимент был опасным, большее число экспериментов безопасны для здоровья и жизни человека. Стать знаменитым можно и не совершая опасных опытов, либо соблюдая все меры безопасности.
Определений эксперимента и разделений на виды много. Попробую дать свою интерпретацию научного эксперимента.
Эксперимент - это метод познания, с участием человека, как наблюдателя или составляющей этого процесса, для получения получения информации в целях исследования. Эксперимент ставит последнюю точку. Он может подтвердить или опровергнуть теорию. Эксперимент также может породить новые идеи и теории. Такова роль эксперимента в науке. Эту роль нельзя переоценить. Вот почему строят супердорогие адронные коллайдеры с бюджетом миллиарды долларов и временем постройки несколько лет, строят огромные научно-исследовательские лаборатории, требующие колоссальных затрат.
Эксперимент и наблюдение. Есть ли существенное различие между этими двумя фазами исследования? Вслед за Клодом Бернаром мы скажем нет, уточняя, однако, при этом, что же их все-таки различает.
Уже в XIII веке Роджер Бэкон отличал пассивное, обычное наблюдение от активного, научного наблюдения. При всяком наблюдении, как и во всяком эксперименте, исследователь констатирует какой-то факт. Последний всегда является в какой-то степени ответом на вопрос. Мы находим лишь то, что ищем. Эта прописная истина, однако, многими забывается. В консультациях и лабораториях ломятся шкафы от протоколов наблюдений, ни на что не пригодных ни в настоящем, ни в будущем только потому, что они были собраны без ясно поставленных вопросов. Исходя из этого, понятно, что различие между наблюдением и экспериментом зависит от природы вопроса. В наблюдении вопрос остается, так сказать, открытым. Исследователь не знает ответа или имеет о нем весьма смутное представление. Напротив, в эксперименте вопрос становится гипотезой, то есть предполагает существование какой-то зависимости между фактами, и эксперимент ставит своей целью проверить ее.
Но существуют также так называемые «эксперименты для разведки», когда экспериментатор не имеет ответа па свой вопрос и ставит перед собой цель наблюдать действия испытуемого в ответ на ситуации, созданные экспериментатором. В этом случае отличия, которые можно установить между наблюдением и экспериментом, являются лишь различием в степени между двумя этими процедурами. В наблюдении ситуации определяются менее строго, чем в эксперименте, но, как мы вскоре увидим, с этой точки зрения, существуют разные переходные ступени между естественным наблюдением и спровоцированным наблюдением.
Третье отличие, также в степени, между наблюдением и экспериментом зависит не от контроля ситуаций, а от точности, с которой можно регистрировать действия испытуемого. Наблюдение часто вынуждено довольствоваться менее строгой процедурой. чем эксперимент, и наши методологические соображения о наблюдении будут посвящены главным образом тому, как обеспечить точность наблюдения, не прибегая к стандартизованным ситуациям эксперимента, где число предвиденных ответов ограничено.
Однако совершенно очевидно, что все, что мы говорим о наблюдении, применимо и к эксперименту, особенно если он характеризуется какой-то степенью сложности.
.3 Естественные науки, основанные на наблюдении
Критерий непротиворечивости научного знания обеспечивает последовательность мышления, достигаемый соблюдением известных законов классической, или аристотелевской, логики и, прежде всего, закона недопущения противоречия. Решающую роль критерий непротиворечивости играет в таких формальных и абстрактных науках, как математика и логика, где само существование их объектов основывается на этом критерии. Ведь формально противоречивый объект или доказательство не имеет права на существование в науке. Если определение понятия или доказательство теоремы окажется противоречивым, то оно признается неправильным и поэтому должно быть исключено из науки или, по крайней мере, требует исправления. Соблюдение критерия непротиворечивости обязательно не только для математики и логики, но и для любых наук, в том числе, опирающихся на эксперимент или конкретные факты. Такие науки часто называют эмпирическими, поскольку они развиваются и основываются на различных формах опыта, в том числе наблюдениях и экспериментах, результаты которых составляют эмпирический базис науки. К ним относится большая часть естественных и технических наук. В отличие от них экономические, социальные и гуманитарные науки опираются преимущественно на факты, устанавливаемые в ходе наблюдений социальной жизни и практики, и поэтому их часто называют фактуалъными науками. Поскольку те и другие науки опираются, в конечном счете, на опыт, факты и практику, и тем самым отличаются от абстрактных и формальных наук, то в дальнейшем для единства терминологии, мы будем называть их эмпирическими науками. Следует, однако, не забывать, что во всех этих науках познание не ограничивается только наблюдениями и опытом, а широкое использует теоретические методы исследования.
Почему так важен критерий непротиворечивости для эмпирических и теоретических систем? Из логики известно, что два противоречащих суждения не могут быть одновременно истинными, т.е. их конъюнкция дает ложное высказывание. Но по правилу импликации символической логики, лежащей в основе логического вывода, из ложного высказывания можно получить как истину, так и ложь. Поэтому допущение противоречия в рассуждении привело бы к разрушению порядка и последовательности в наших рассуждениях. Чтобы исключить такую возможность, в классической и символической логике вводится особый закон, запрещающий противоречия в рассуждениях (принцип непротиворечивости). С содержательной точки зрения допущение противоречия привело бы к бесплодности науки, ибо противоречивая система не дает никакой конкретной информации об изучаемом мире.
Практический опыт играет важнейшую роль в установлении истины и даже в определении самого объекта исследования. Однако набор установленных фактов не представляет собой ценности без их систематизации и обработки, которая осуществляется благодаря применению разработанных теоретических методов. Только теория позволяет объяснить сложные закономерности и отклонения, дать полное описание явлению на основе ограниченного объёма представленного практического материала.
Главными инструментами эмпирического метода являются наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент, а результатом исследования- научный факт, который может подтвердить или опровергнуть ту или иную теорию, частично построенную на допущениях. В то же время, тот или иной факт может привести исследователя к поиску его теоретического объяснения.
Научного познание-это поиск истины в виртуальном мире, созданном самим учёным. Любой из методов научного познания (абстрагирование, идеализация, формализация, аксиоматический метод) требуют от учёного не только базовых знаний, но и более глубинного представления природы вещей на уровне подсознания.
Все охарактеризованные методы в реальном научном исследовании работают в тесной взаимосвязи и взаимодействии. В процессе развития науки обогащается и система ее методов, формируются новые приемы и способы исследовательской деятельности. Любой факт или теория, претендующие на роль научного открытия должны соответствовать требованиям научности, а именно: не должны иметь противоречий и должны быть проверяемы на истинность.
2. Электронная система атома и его химические свойства. Что понимают под металлическими и неметаллическими свойствами атомов? Энергия ионизации, энергия сродства к электрону и электроотрицательность. Каковы причины и характер их изменения с увеличением заряда ядер атомов элементов в период или группе?
.1 Электронная структура атома, его химические свойства
Атом - неделимый - микроскопическая электронейтральная частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов - изотопу этого элемента.
Электронам в атоме приписываются различные орбитали, к-рые характеризуются главным квантовым числом и, орбитальным квантовым числом / и магнитным квантовым числом mi (см. Квантовые числа, Квантовая химия). Имеется одна наиболее устойчивая орбиталь с п = 1, образующая /С-оболочку. L-Оболочка с п = 2 включает одну орбиталь с l =0 и ml= 0 и три с l = 1 и тl = -1, 0 и + 1. Их называют ls-орбиталь, 2s-op-биталь и три 2р-орбитали. М-Оболочка состоит из Зs-орбитали, трёх Зр-орбиталей и пяти Зd-орбиталей. Электрон имеет спин со спиновым квантовым числом s = 1/2, к-рый может ориентироваться относительно определённого направления двумя различными путями - с компонентами, даваемыми магнитным спиновым квантовым числом ms, равным + 1/3 или -1/2. В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех квантовых чисел. Следовательно, ls-орбиталь, образующая К-оболочку, может быть занята только одним электроном с положительным или отрицательным спином или же двумя электронами (электронной парой), одним - с положительным спином, другим - с отрицательным.
Заполнение определённых оболочек и подоболочек приводит к особой устойчивости атомов, наблюдающейся у атомов инертных газов. В этих устойчивых структурах электронная конфигурация заполненной оболочки гелия Is2, неона 2s2 2р6, аргона 3s2 Зр6, криптона 3d10 4s2 4р6, ксенона 4d10 5s2 5p6, радона 4fu 5d10 6s2 6pB, эка-радона 5fli 6dia 7s2 7p6. [О заполнении электронных оболочек см. также Атом, Периодическая система элементов.]
Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (т.е. количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).
Большинство свойств А. определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эв до нескольких десятков эв). Строение внутренних оболочек А., электроны к-рых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч эв),< проявляется лишь при взаимодействиях А. с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен эв). Такие взаимодействия определяют рентгеновские спектры А. и рассеяние атомом быстрых частиц (см. Рассеяние микрочастиц, Дифракция частиц). От массы А., определяемой массой его ядра, зависят его механические свойства при движении А. как целого - количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрические моментов А. зависят некоторые тонкие эффекты, проявляющиеся при изучении физ. свойств А. (см.
Моменты атомных ядер, Ядерный магнитный резонанс, Ядерный квадруполъный резонанс.
.2 Металлические и неметаллические свойства атомов
Металлические свойства наиболее характерны для элементов, в атомах которых на внешнем энергетическом уровне находится небольшое количество электронов: от одного до трех. Неметаллические свойства в первую очередь проявляют элементы, в атомах которых внешний энергетический уровень содержит от четырех до семи электронов. Элементам, в атомах которых на внешнем уровне находятся восемь электронов (благородным газам), не свойственна ни та, ни другая тенденция, поскольку восьми электронная оболочка обладает повышенной стабильностью. Однако для некоторых из них известны химические соединения, в частности оксиды, фториды, состав которых отвечает максимальной степени окисления этих элементов.
В периодах периодической системы Д.И. Менделеева металлические свойства элементов убывают с ростом порядкового номера (слева направо), неметаллические свойства, напротив, возрастают в том же направлении. Это связано с закономерным ростом числа валентных электронов.
В группах металлические свойства возрастают с ростом порядкового номера (сверху вниз), а неметаллические убывают, что связано с увеличением радиуса атома и большей удаленностью внешних электронов от ядра. Большинство элементов периодической системы проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Соотношение тех и других свойств определяется спецификой электронной структуры атома. Количественно этот вклад можно охарактеризовать с помощью величины электроотрицательности атома.
Электроотрицательность увеличивается в периоде слева направо и убывает в группе сверху вниз.
.3 Энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность
Энергия ионизации. Энергия (потенциал) ионизации атома Ei - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из атома на бесконечность в соответствии с уравнением :
Ее значения известны для атомов всех элементов Периодической системы. Например, энергия ионизации атома водорода соответствует переходу электрона с 1s-подуровня энергии (−1312,1 кДж/моль) на подуровень с нулевой энергией и равна +1312,1 кДж/моль.
В изменении первых потенциалов ионизации, соответствующих удалению одного электрона, атомов явно выражена периодичность при увеличении порядкового номера атома.
При движении слева направо по периоду энергия ионизации, вообще говоря, постепенно увеличивается, при увеличении порядкового номера в пределах группы - уменьшается. Минимальные первые потенциалы ионизации имеют щелочные металлы, максимальные - благородные газы.
Для одного и того же атома вторая, третья и последующие энергии ионизации всегда увеличиваются, так как электрон приходится отрывать от положительно заряженного иона. Например, для атома лития первая, вторая и третья энергии ионизации равны 520,3, 7298,1 и 11814,9 кДж/моль, соответственно.
Последовательность отрыва электронов - обычна обратная последовательности заселения орбиталей электронами в соответствии с принципом минимума энергии. Однако элементы, у которых заселяются d-орбитали, являются исключениями - в первую очередь они теряют не d-, а s-электроны.
Сродство к электрону. Сродство атома к электрону Ae - способность атомов присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион. Мерой сродства к электрону служит энергия, выделяющая или поглощающаяся при этом. Сродство к электрону равно энергии ионизации отрицательного иона Х−:
Х− = Х + е−
Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов. Например, для атома фтора присоединение электрона сопровождается выделением 327,9 кДж/моль энергии. Для ряда элементов сродство к электрону близко к нулю или отрицательно, что значит отсутствие устойчивого аниона для данного элемента.
Обычно сродство к электрону для атомов различных элементов уменьшается параллельно с ростом энергии их ионизации. Однако для некоторых пар элементов имеются исключения:
ЭлементEi, кДж/мольAe, кДж/моль 1681−238 1251−349 14027 1012−71 1314−141 1000−200
Объяснение этому можно дать, основываясь на меньших размерах первых атомов и большем электрон-электронном отталкивании в них.
Электроотрицательность. Электротрицательность характеризует способность атома химического элемента смещать в свою сторону электронное облако при образовании химической связи (в сторону элемента с более высокой электроотрицательностью). Американский физик Малликен предложил определять электроотрицательность как среднеарифметическую величину между потенциалом ионизации и сродством к электрону: χ = 1/2 (Ei + Ae)
Трудность применения такого способа состоит в том, что значения сродства к электрону известны не для всех элементов.
Л. Полинг рекомендовал другой способ определения электроотрицательности. Он принял электроотрицательность фтора равной 4 (наибольшее значение), для цезия χ принимает наименьшее значение.
Электроотрицательность в количественном отношении представляет собой приближенную величину, поскольку она зависит от того, в состав какого конкретного соединения входит данный атом.
В настоящее время предложено около 20 различных шкал электроотрицательности, среди которых одна из самых распространенных - шкала Олреда - Рохова.
Вывод
Атом - неделимый - микроскопическая электро-нейтральная частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Большинство свойств Атома определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек.
Список литературы
1. Концепция современного естествознания: Сер. «Учебники и учебные пособия». Ростов н/Д: «Феникс», 2000. - 576 с
. В.В. Ильин. Теория познания. Эпистемалогия. Москва. Изд-во мгу, 1974
. Поль Фресс, Жан Пиаже «Экспериментальная психология», Москва, «Прогресс», 1975.
. Полинг Л., Общая химия, пер. с англ., М., 1974;
. Общая и неорганическая химия. Т.1. Теоретические основы химии: Учебник для вузов в 2 томах. Под ред. А.Ф. Воробьева. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2004. - 371 с.: ил.
. Степин Б.Д., Цветков А.А. Неорганическая химия: Учебник для хим. и химико-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1994. - 608 с.: ил.
. Хьюи Дж. Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность. Учебник для вузов. Перевод с англ. - М.: Химия, 1987, 696 с.: ил.