2.5.1: Біологія- Вода
- Page ID
- 22970
До будь-якої теорії зазвичай застосовуються два критерії. По-перше, чи згодна вона з фактами, які вже відомі? По-друге, чи пророкує це нові стосунки та стимулює додаткове спостереження та експерименти? Атомна теорія Далтона змогла зробити обидві ці речі.Це було особливо корисно в роботі з даними про маси різних елементів, які брали участь в хімічних сполуках або хімічних реакціях.
Щоб перевірити теорію, ми спочатку використовуємо її, щоб зробити прогноз про макроскопічний світ. Якщо передбачення узгоджується з існуючими даними, теорія проходить перевірку. Якщо цього не відбувається, теорію потрібно відкинути або змінити. Якщо дані відсутні, то необхідно провести додаткові дослідження. Зрештою результати нових експериментів можна порівняти з прогнозами теорії. Однією з ознак наукової теорії є те, що вона пропонує тести, які можуть фальсифікувати теорію. Ненаучние теорії цього не роблять. Наприклад, теорія інтелектуального дизайну (ID) передбачає, що світ був створений розумним дизайнером, але не пропонує жодних тестів цього твердження. Це теорія, але не наукова теорія.
Кілька прикладів цього процесу перевірки теорії на тлі фактів дозволені роботою Далтона. Наприклад, постулат 3 в атомній теорії Дальтона стверджує, що атоми не створюються, не руйнуються або змінюються в хімічній реакції. Постулат 2 говорить, що атоми даного елемента мають характерну масу: За логічним вирахуванням тоді рівні числа кожного типу атома повинні з'являтися на лівій і правій стороні хімічних рівнянь, таких як
-
- О 2 (г) + 2 Н 2 (г) → 2 Н 2 О (л) (1)
а загальна маса реагентів повинна дорівнювати загальній масі продуктів. Атомна теорія Дальтона пророкує експериментальний закон Лавуазьє збереження маси.
Друге передбачення атомної теорії трохи складніше. З'єднання складається з молекул, кожна з яких містить певну кількість кожного типу атома. Незалежно від того, як, коли або де виробляється сполука, його молекули завжди будуть однаковими. Таким чином, молекули води завжди мають формулу H 2 O. Незалежно від того, скільки у нас є або звідки взялося з'єднання, атомів водню завжди буде вдвічі більше, ніж атомів кисню. Оскільки кожен тип атома має характерну масу, маса одного елемента, який поєднується з фіксованою масою іншого, завжди повинна бути однаковою. Наприклад, у воді, якщо кожен атом кисню в 15,873 рази важчий, ніж атом водню, співвідношення мас буде
\[\dfrac{\text{mass of 1 O atom}}{\text{mass of 2 H atoms}}= \dfrac{\text{15.873 x mass of 1 H atom}}{\text{2 x mass of 1 H atom}} \nonumber \]
і скасовуючи «масу 1 атома Н» в чисельнику і знаменнику отримаємо
\[\dfrac{\text {15.873}}{2} = \dfrac{7.937}{1} \nonumber \]
Незалежно від того, скільки молекул води у нас є, кожна має однакову частку кисню, і тому будь-який зразок води повинен мати в 7,937 разів більше кисню, ніж водню. Ми щойно вивели закон постійного складу, який іноді називають законом певних пропорцій. Коли елементи об'єднуються, утворюючи з'єднання, вони завжди роблять це в точно такому ж співвідношенні мас. Цей закон був постульований у 1799 році французьким хіміком Прустом (1754 - 1826) за чотири роки до того, як Далтон запропонував атомну теорію, і його логічне виходження з теорії сприяло прийняттю останньої. Закон постійного складу робить важливим моментом те, що склад і інші властивості чистого з'єднання не залежать від того, хто його приготував або звідки воно прийшло. Наприклад, можна очікувати, що вуглекислий газ, виявлений на Марсі, матиме такий же склад, як і на Землі, тоді як природний вітамін С, витягнутий і очищений з шипшини, має точно такий же склад, як і синтетичний вітамін С, приготований фармацевтичною компанією. Абсолютна чистота - це, однак, ідеальна межа, до якої ми можемо лише наблизитися, і на властивості багатьох речовин може впливати наявність дуже малих кількостей домішок.
Третій закон хімічного складу можна вивести з атомної теорії. Він передбачає ситуацію, коли два елементи можуть поєднуватися не одним способом, утворюючи не одне з'єднання. Наприклад, водень і кисень утворюють іншу сполуку - перекис водню, змодельовану тут:
Це модель «Jmol». Якщо ви наведете вказівник миші на молекулу, утримуючи ліву клавішу миші та перемістіть мишу, ви можете повернути модель, щоб отримати 3D-перспективу. Атоми кисню червоні, водневі сірі.
Перекис водню - блідо-блакитна рідина, яка замерзає всього на 0,4 о С нижче 0 о, кипить при 150,2 о С, і трохи більш в'язка, ніж вода. Застосовується у 3% водному розчині як антисептик (використовується для дезінфекції шаф біологічної безпеки) та відбілюючий засіб. Чистий перекис водню - небезпечний окислювач, застосовуваний в ракетних двигунів, який обпалює шкіру навіть в 10% водних розчинами. Дивно, але природним чином виробляється в організмах як побічний продукт кисневого обміну. Майже всі живі істоти мають ферменти, відомі як пероксидази, які дуже швидко каталітично розкладають низькі концентрації перекису водню до води та кисню.
З молекулярної моделі пероксиду водню можна легко побачити, що його хімічна формула - H 2 O 2. (Оскільки в молекулі є два атоми кожного виду, було б неправильно писати формулу як HO). Перекис водню не може бути синтезований безпосередньо реакцією водню і кисню, і він розкладається на воду і кисень:
-
- 2 Н 2 О 2 (ак) → 2 Н 2 О (л) + О 2 (г) (2)
З формул H 2 O і H 2 O 2 ми бачимо, що вода має лише 1 атом кисню на кожні 2 водню, тоді як перекис водню має 2 атоми кисню на кожні 2 водню. Таким чином, для заданої кількості атомів брому пероксид водню завжди матиме в два рази більше атомів кисню, ніж вода. Знову використовуючи постулат 2 з атомної теорії Дальтона, атоми мають характерні маси, і тому задане число атомів водню відповідає фіксованій масі водню. У два рази більше атомів кисню відповідає вдвічі більшій масі кисню.
Тому можна сказати, що для даної маси водню перекис водню буде містити в два рази більше маси кисню, який буде вода.
З огляду на, що маса атома кисню в 7,937 рази перевищує масу атома водню, обчисліть масове відношення кисню до водню в перекисі водню.
Розчин Формула H 2 O 2 говорить нам, що в кожній молекулі є 2 атома кисню і 2 атома водню. Таким чином, співвідношення маси становить
\[\dfrac{\text{mass of 2 O atoms}}{\text{mass of 2 H atoms}}= \dfrac{\text{2 x 15.873 x mass of 1 H atom}}{\text{2 x mass of 1 H atom}} \nonumber \]
і знову скасовуючи «масу 1 атома Н» в чисельнику і знаменнику отримуємо
\[\dfrac{\text {2 x 15.873}}{2} = \dfrac{15.873}{1} \nonumber \]
Відзначимо, що маса кисню на одиницю маси водню вдвічі більше, ніж розрахована раніше для води.
Наведені вище міркування і розрахунки ілюструють закон кратних пропорцій. Коли два елементи утворюють кілька з'єднань, співвідношення маси в одному з'єднанні буде невеликим цілим числом кратним масовому співвідношенню в іншому. У випадку з водою і перекисом водню масові співвідношення ртуті до брому складають відповідно 7,937 і 15,873. Друге значення - маленьке ціле число, кратне (2 рази) першому.
Поки не була запропонована атомна теорія, ніхто не очікував, що між масовими співвідношеннями в двох або більше сполуках, що містять однакові елементи. Оскільки теорія передбачила такі відносини, Дальтон і інші хіміки стали шукати їх. Незадовго було накопичено багато експериментальних доказів, щоб показати, що закон множинних пропорцій дійсний. Таким чином атомна теорія змогла врахувати раніше відомі факти і закони, а також передбачала новий закон. У процесі перевірки цього передбачення Дальтон і його сучасники зробили безліч додаткових кількісних експериментів. Це призвело до більшої кількості фактів, більше законів і, врешті-решт, нових або модифікованих теорій. Ця характеристика стимулювання більшої кількості досліджень та думок поставила постулати Далтона у видатну компанію інших хороших наукових теорій.
Від Chemprime: 2.4: Тестування атомної теорії