Разница между химическими и ядерными реакциями

В моей первой серии сообщений в блоге (Часть 1, Часть 2, Часть 3) мы рассмотрели происхождение элементов. Во всех этих процессах участвовало либо сильное [1] ядерное взаимодействие, либо слабое [2] ядерное взаимодействие. Синтез элементов требовал ядерных реакций: либо синтеза, либо деления (распада). Элементы выше железа [Fe; 26 протонов + X нейтронов] образуются в результате захвата медленных или быстрых нейтронов. Как следует из названия, ядерные реакции происходят в ядре атома.

Химические реакции происходят вне ядра в электронном облаке атома. Химические реакции включают электромагнитную силу.

Максимальное количество электронов, окружающих ядро, равно количеству протонов в ядре. Электроны вращаются вокруг ядра на разных расстояниях по энергетическим уровням. Один из способов представить это — представить себе самолеты, совершающие посадку в переполненном аэропорту. Самолеты имеют определенные высоты и направления, назначенные для обеспечения безопасного расстояния между самолетами. Электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, также избегают столкновений друг с другом, находясь в подоболочках.

Как правило, химические реакции происходят в подоболочки s и p атома. Электроны в самом дальнем подоболочки s и p известны как валентные [3] электроны.

Место, Место, Место [4]

В сфере недвижимости есть известная поговорка о том, что «местоположение имеет значение». При объяснении различий в энергии, связанных с ядерными и химическими реакциями, местоположение также имеет значение.

Думайте об атоме с точки зрения недвижимости. Ядро атома — сердце мегаполиса. Электронные орбитали — это пригороды и поселки-спутники, окружающие город. Как правило, пентхаус в плотном центре города (например, Манхэттен, Сан-Франциско, Токио, Гонконг, Лондон и т. д.) стоит во много раз дороже аналогичной жилплощади в 20, 50 и даже 100 километрах от города.

С точки зрения физики и химии цена, связанная с местоположением, — это не деньги, а энергия. [5] В ядерных реакциях требуется на несколько порядков больше энергии, чем в химических реакциях.

— Где Кабум?

― Марвин Марсиан, Looney Tunes

Энергетические различия

Давайте возьмем простой объект, чтобы проиллюстрировать задействованные энергии. (Расчеты в примечаниях) [6]

Механическая энергия

Предположим, у нас есть килограммовый кубик льда из чистого водорода.₂0 на Земле на высоте 1 метр над уровнем моря. Падает на метр.

Химическая энергия

Предположим, мы сжигаем эквивалентное количество водорода и кислорода, содержащихся в кубике льда, с эффективностью 100%. Формула: 2H₂ + О₂ = Н₂O + энергия (в основном тепло).

Ядерная энергия

Предполагая, что мы можем сплавить 100% водорода в кубике льда в гелий (от 4H до 1He).

Сравнительные энергии

1 грамм тротила взрывается (для справки): 4184 Дж

Вывод

Химические реакции приводят в действие большинство процессов, с которыми мы знакомы: переваривание пищи, преобразование сахаров в энергию для питания наших мышц, сжигание топлива для приготовления пищи или двигателей внутреннего сгорания и т. д. Ядерные реакции гораздо более энергичны, чем химические реакции. В ядерных реакциях участвуют протоны и нейтроны в ядре атома. Химические реакции включают электроны, вращающиеся вокруг ядра.

Заглядывая вперед

Теперь, когда мы рассмотрели разницу между ядерными и химическими реакциями, мы можем перейти к Периодической таблице элементов, одному из величайших изобретений всех времен.Он предоставляет полезную информацию как о ядерных, так и о химических свойствах элементов. Я намереваюсь предоставить читателям полезную информацию, чтобы улучшить понимание химии в средней школе или в колледже.

Читать серию

Поднимите стул и сядьте за Периодическую таблицу и сортировку элементов. Часть 1: Разница между химическими и ядерными реакциями.

Химические реакции необходимы. Они добавляют кислород в нашу кровь, соль в нашу еду и батарейки в наши телефоны. Узнайте, почему периодическая таблица такая блестящая.

Узнайте, почему Периодическая таблица элементов систематически блестящая. Кроме того, получите две бесплатные периодические таблицы, которые вы можете скачать и распечатать для стены в классе или столовой.

Сноски

1. Сильное ядерное взаимодействие действует на кратчайших расстояниях через глюоны, удерживая кварки вместе, образуя нейтроны (2 нижних кварка и один верхний кварк) или протоны (2 верхних кварка и один нижний кварк). В ядре атома сильная ядерная сила действует через мезоны, связывая вместе нейтроны и протоны.
2. Слабое ядерное взаимодействие участвует в радиоактивном распаде. Слабые ядерные силы действуют через бозоны. Например, нейтрон может распасться на протон, когда нижний кварк испускает W-бозон, который затем распадается на электрон и антиэлектрон (позитрон).
3. Валентность определяется Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) как

«Максимальное число одновалентных атомов (первоначально атомов водорода или хлора), которые могут соединиться с атомом рассматриваемого элемента, или с фрагментом, или которые могут быть заменены атомом этого элемента».

По сути, в химии валентность — это количество связей, доступных во внешнем подоболочки s и p электронов минус число несвязывающих электронов. Водород имеет s-оболочку с одним присутствующим электроном. s подоболочка может содержать максимум два электрона. Водород имеет валентность один и может объединяться с другими атомами, образуя соединения.У гелия два электрона s подоболочка. В 1 периоде нет p подоболочка. Поэтому, когда s подоболочка заполнен, оболочка также цела. Валентность гелия равна нулю, поэтому он ведет себя как «благородный» газ.

• Происхождение «Место, место, место» неизвестно. Некоторые приписывают эту фразу лорду Гарольду Сэмюэлю, который предположительно использовал ее в сфере недвижимости примерно в 1944 году. В этой статье Уильям Сэфайр приводит источник из рекламы Чикаго 1926 года, которая указывает на то, что этот термин уже был известен в 1920-х годах.

• И химики, и физики укажут, что, к сожалению, деньги имеют значение. Существует постоянная проблема с обеспечением достаточного финансирования для содержания отделов, проведения экспериментов и проведения экспериментов — иногда в течение десятилетий.

• Расчеты механической, химической и ядерной энергии

механический

Предположим, мы сбросили килограммовый кубик льда на один метр на Землю. Вовлекаемая сила F=ма. F обозначает силу, m обозначает массу, а a обозначает ускорение. На Земле гравитация составляет 9,807 м/с², но для простоты чисел мы округлим до 10 м/с². Делая этот расчет, мы определяем:

F = 1 кг · 10 м/с² = 10 кг·м/с².

В Международной системе единиц (СИ) [6] 1 кг·м/с² называется ньютоном в честь сэра Исаака Ньютона и его вклада в физику.

Следовательно, мы можем заменить кг·м/с² и сделать это 10 Н.

Мы сбросили глыбу льда на 1 м; следовательно, выполненная работа w= F·d где w — работа, d — расстояние.

w = 10 Н · 1 м = 10 Н · м. Поскольку 1 Н · м является эквивалентом 1 Дж (Джоуля) в системе СИ, мы можем преобразовать единицы измерения в 10 Дж.

Химическая

Если мы сжигаем водород и кислород, мы получаем молекулы воды плюс энергию. Наша формула:

Сколько водорода содержится в одном килограмме льда?

Водород (H) имеет атомный вес 1, кислород (O) имеет атомный вес 16. Следовательно, у нас есть весовое отношение водорода 2 к кислороду 16 в H₂O, что упрощается до 1 части водорода и 8 частей кислорода по весу.

1 кг / 9 частей = 1000 г / 9 = 111,11 г водорода.

Сжигание 2 г молекул водорода с 16 г молекул кислорода высвобождает 241 800 Дж.

Следовательно, энергия от 111,11 г водорода, сжигаемого в 888,89 г кислорода, для получения 1000 г H₂О можно рассчитать как:

111,11 г / 2 г · 241 800 Дж = 13433199 Дж = 1,34 х 10 7 Дж

Ядерные реакции

Мы рассчитаем энергию, выделившуюся только в том случае, если мы расплавим водород в нашем 1-килограммовом кубике льда.

Когда 1 г водорода сливается, получается 0,993 г ​​гелия, а оставшаяся масса (0,007 г) преобразуется в энергию с помощью знаменитого уравнения Эйнштейна. E=мк² уравнение. E — энергия, m — масса в кг, c — скорость света (300 000 км/с или 3 · 10 8 м/с).

Примечание: Джоуль равен 1 кг · м²/с 2 .

Предполагая, что мы можем сплавить 111,11 г водорода со 100% эффективностью, мы получим:

(111,11 · 0,993) г Не + (111,11 · 0,007) г / 1000 г/кг · (3· 10 8 м/с)² или

110,33 г He и ~7,8 · 10 -3 кг · 9 · 10 16 м²/с² энергии.

Это упрощается до 7 · 10 14 кг · м²/с² или 7 · 10 13 Дж.

Рекомендуемое изображение: Туманность Тонкое Кольцо, планетарная туманность, полученная спектрографом и камерой для слабых объектов ESO на телескопе New Technology в обсерватории Ла Силья в Чили. Планетарные туманности образуются, когда звезда приближается к концу своего цикла ядерного синтеза. С разрешения ЕСО.