Номер 7, страница 175 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 5. Химические реакции в водных растворах. Параграф 25. Кислоты и основания с позиции разных представлений и теорий. Протолитическая теория - номер 7, страница 175.

Условие.

7. Сформулируйте основные принципы познания: соответствия, дополнительности, причинности, симметрии. Проиллюстрируйте каждый принцип примерами из химии.

Решение.

Решение 2.

Принцип соответствия

Этот принцип, сформулированный Нильсом Бором, утверждает, что любая новая, более общая научная теория не отменяет старую, а включает ее в себя как частный (предельный) случай, очерчивая границы применимости старой теории. Таким образом, принцип соответствия обеспечивает преемственность и поступательное развитие научного знания, где новые теории уточняют и расширяют старые, а не полностью их опровергают.

Пример из химии: Соотношение между уравнением состояния идеального газа и уравнением Ван-дер-Ваальса. Уравнение Клапейрона-Менделеева $PV=nRT$ является хорошей моделью для описания газов при низких давлениях и высоких температурах. Однако оно не учитывает собственный объем молекул и силы межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса $(P + a(n/V)^2)(V - nb) = nRT$ является более точным, так как вводит поправки на эти факторы. В условиях, когда газ сильно разрежен (давление $P \to 0$, объем $V \to \infty$), вкладом межмолекулярных сил и объемом самих молекул можно пренебречь. В этом предельном случае уравнение Ван-дер-Ваальса сводится к уравнению состояния идеального газа, что и демонстрирует принцип соответствия.

Ответ: Принцип соответствия гласит, что выводы новой теории должны в предельных случаях переходить в выводы старой, проверенной теории. Примером в химии служит то, что более общее уравнение Ван-дер-Ваальса для реального газа переходит в уравнение состояния идеального газа при низких давлениях и высоких температурах.

Принцип дополнительности

Также сформулированный Нильсом Бором, этот принцип утверждает, что для исчерпывающего описания квантового явления необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) класса понятий, которые в классической физике несовместимы. Чем точнее измеряется одна из дополнительных характеристик, тем менее точно может быть определена другая. Наиболее известным проявлением этого принципа является корпускулярно-волновой дуализм.

Пример из химии: Корпускулярно-волновой дуализм электрона. Электрон проявляет свойства как частицы (обладает массой и зарядом, его положение можно зафиксировать в определенной точке), так и волны (способен к дифракции и интерференции). Для описания поведения электрона в атоме используется волновая функция (орбиталь), которая описывает вероятность его нахождения в пространстве, что является волновой характеристикой. С другой стороны, при любом измерении электрон обнаруживается как точечная частица. Невозможно одновременно с абсолютной точностью измерить его координату ($\text{x}$) и импульс ($\text{p}$), что выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга: $\Delta x \cdot \Delta p \geq \hbar/2$. Оба описания — корпускулярное и волновое — являются дополнительными и необходимыми для полного понимания строения атомов, природы химической связи и реакционной способности.

Ответ: Принцип дополнительности постулирует, что полное описание объекта микромира требует использования взаимоисключающих понятий, например, волновых и корпускулярных. В химии это иллюстрируется двойственной природой электрона, который ведет себя и как частица, и как волна, что является основой квантовой химии.

Принцип причинности

Это фундаментальный принцип, согласно которому любое событие (следствие) является результатом некоторого другого события (причины), которое предшествует ему во времени. Эта связь между причиной и следствием носит всеобщий характер: при одинаковых условиях одна и та же причина всегда порождает одно и то же следствие. Принцип причинности лежит в основе возможности научного предсказания и управления процессами.

Пример из химии: Зависимость скорости химической реакции от условий ее проведения. Скорость реакции (следствие) однозначно определяется рядом факторов (причин): концентрацией реагентов, температурой, давлением, наличием катализатора. Например, согласно закону действующих масс, скорость элементарной реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Другой пример — уравнение Аррениуса $k = A e^{-E_a/(RT)}$, которое устанавливает причинно-следственную связь между температурой (причина) и константой скорости реакции (что определяет следствие — скорость протекания процесса). Также принцип Ле Шателье описывает причинность в химическом равновесии: внешнее воздействие (причина) вызывает смещение равновесия (следствие) в направлении, ослабляющем это воздействие.

Ответ: Принцип причинности утверждает, что каждое событие имеет причину, и связь между ними закономерна. В химии это проявляется в том, как условия (температура, концентрация) однозначно определяют скорость и направление химических реакций, что описывается законами химической кинетики и принципом Ле Шателье.

Принцип симметрии

Принцип симметрии утверждает, что законы, управляющие физическими и химическими явлениями, не изменяются при определенных преобразованиях (например, сдвиге в пространстве, повороте, зеркальном отражении). Наличие у системы той или иной симметрии накладывает строгие ограничения на ее свойства и поведение. Симметрия является мощным инструментом анализа и предсказания в химии.

Пример из химии: Влияние симметрии молекул на их свойства. 1. Спектроскопия: симметрия молекулы определяет так называемые «правила отбора» в колебательной спектроскопии. Например, для центросимметричных молекул (как $CO_2$ или бензол) действует правило взаимного исключения: колебания, активные в инфракрасном (ИК) спектре, неактивны в спектре комбинационного рассеяния (КР), и наоборот. Это позволяет делать выводы о строении молекулы по ее спектрам. 2. Стереохимия: свойство хиральности (несовместимость молекулы со своим зеркальным отражением) является следствием отсутствия у нее определенных элементов симметрии. Хиральные молекулы обладают оптической активностью — способностью вращать плоскость поляризации света, что является прямым физическим проявлением их симметричных особенностей.

Ответ: Принцип симметрии связывает симметрию объекта с его свойствами. В химии симметрия молекулы определяет ее спектральные характеристики (например, активность в ИК- и КР-спектрах), а также стереохимические свойства, такие как наличие или отсутствие оптической активности (хиральность).