§ 31. Характеристика углерода и кремния
Вопросы и задания
Элементы VI группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева:
C — углерод, Si — кремний, Ge — германий, Sn — олово, Pb — свинец.
Общим в строении атомов данных элементов является то, что на внешнем энергетическом уровне их атомов находятся четыре электрона.
Различным — то, что у них разное количество энергетических уровней, радиус атомов увеличивается сверху вниз, также ослабевают неметаллические свойства и усиливаются металлические.
То, что графит и алмаз являются аллотропными видоизменениями одного и того же химического элемента можно доказать сжиганием обоих веществ. В результате реакции образуется только оксид углерода (IV):
При пропускании его через известковую воду выпадает белый осадок — карбонат кальция:
При определённых условиях графит и алмаз способны превращаться друг в друга.
Различия в физических свойствах графита и алмаза объясняются строением их кристаллических решёток (у обоих веществ атомная кристаллическая решётка, однако атомы в них расположены по-разному). У алмаза в кристаллической решётке каждый атом углерода связан ковалентными связями с остальными четырьмя атомами, которые от него находятся на одинаковом расстоянии. Эти связи во всех направлениях одинаковой прочности. У графита атомы располагаются слоями, расстояние между атомами в одном слое различно, чем расстояние между атомами между слоями. Из-за этого связи между атомами различно непрочные.
3. Для каких целей применяют алмаз и графит?
Области применения графита:
- минеральные краски;
- смазочный материал;
- электроды (графитовые стержни);
- в плавлении металлов;
- создание атомных реакторов (блоки из чистого графита).
Области применения алмаза:
- ювелирная промышленность (бриллиант);
- изготовление режущих предметов (сверла, ножи, резцы);
- квантовые компьютеры;
- часовая и ядерная промышленность;
- микроэлектроника.
При подготовке к презентации по теме “Искусственные алмазы” можно использовать следующую информацию:
- Дата первого появления появления на алмазном рынке экспериментальных образцов искусственных камней — 1993 год.
- Настоящий камень и искусственный внешне очень похожи, но в действительности у них много различий.
- Основное различие между искусственным и природным камнем в чистоте и твёрдости. Искусственный камень — самый твёрдый в мире, а природный может иметь погрешности и вкрапления.
- Синтетические алмазы создаются лабораторным путём. В специальный тубус помещают графитовый порошок, специальные металлические сплавы, затравки будущих искусственных камней.
- Искусственные алмазы стоят дешевле природных, они легче поддаются огранке. по внешнему же виду они ничуть не хуже, чем настоящие.
- Применяются искусственные алмазы в резке и шлифовке благодаря своей высокой твёрдости, а также как полупроводники для производства микросхем.
Задание из интернета
Найдите в интернете информацию о получении и областях применения фуллерена и графена
Применения фуллерена
Получение новых композитных материалов для электротехники, оптического и радиолектронного противодействия; изготовление материалов для применения в строительстве и изготовлении средств индивидуальной защиты; создание микроэлектронных материалов специального назначения; разработка новых технологий в медицине.
Применение графена
Потенциальная замена кремния в интегральных микросхемах, в наноэлектронике. Использование графена как сверхчувствительный сенсор для обнаружения
Светодиоды на основе графена.
Получение фуллерена
Способ получения фуллерена основан на термическом разложении графита (электролитический нагрев графитового электрода, лазерное облучение поверхности графита).
Получение графена
Способ получения основан на механическом отщеплении слоёв графита от высокоорентированного пиролитического графита. Другой способ — метод термического разложения подложки карбида кремния.
Аррениус и изменение климата
Более ста лет назад, когда глобальное потепление не было предметом обсуждения и беспокойства, Аррениус уже начал поднимать его, предлагая прогнозы о будущем жизни на планете.
В 1895 году он посвятил себя изучению связи между концентрацией углекислого газа (CO2) в атмосфере и образование ледников.
Он пришел к выводу, что снижение на 50% (CO2) может означать падение температуры планеты на 4-5 ° C, что может вызвать сильное похолодание, подобное ледниковым периодам, через которые прошла Земля.
С другой стороны, если эти уровни CO2 увеличившись на 50%, произойдет обратный результат — повышение температуры от 4 до 5 ° C, что вызовет аномальное потепление с разрушительными последствиями для климата Земли.
Аррениус также определил, что ископаемое топливо и непрекращающаяся производственная деятельность человека будут основными причинами этого увеличения концентрации CO.2 атмосферный.
Его расчеты предсказали доказанное влияние на естественный баланс нашей планеты, сделав Аррениуса первым человеком, проводившим формальные исследования по этому вопросу.
Научный вклад
К самым важным научным достижениям Александра Бутлерова стоит отнести его теорию химического строения органических веществ, которая по тем временам стала по-настоящему революционной. Великий химик утверждал, что свойства органических соединений зависят не только от входящих в их состав химических элементов и их количества, но также от строения самой молекулы. Бутлеров считал, что самое главное — это то, как связаны атомы между собой. Благодаря этой теории стало понятным существование изомеров — соединений с одинаковым химическим составом, но с разным расположением атомов.
Теория Александра Бутлерова быстро завоевала признание в международном научном сообществе. Учебник, написанный им, был переведён на все языки Европы. В 1868 году учёному была присуждена Ломоносовская премия.
При изучении краткой биографии Бутлерова стоит отметить, что ещё при жизни учёного была создана его собственная химическая школа. На протяжении всей жизни он не переставал вести активную научную жизнь: открывал по всей стране химические школы, читал лекции, продолжал заниматься исследованиями, воспитал более десятка учеников, ставших знаменитыми химиками.
Признания
Самой выдающейся наградой Аррениуса, несомненно, была Нобелевская премия по химии 1903 года за его теорию электролитической диссоциации, которая сделала его первым шведом, удостоенным этой награды.
В 1902 году Лондонское королевское общество наградило его медалью Дэви, а в 1911 году это же учреждение присвоило ему статус иностранного члена.
В том же году он первым получил медаль Уилларда Гиббса, присужденную Американским химическим обществом.
В 1914 году он получил медаль Фарадея, присуждаемую Институтом физики в Соединенном Королевстве, в дополнение к ряду наград и почетных ученых степеней, присуждаемых примерно десятью выдающимися европейскими университетами.
В его честь также названы лунный кратер Аррениус и кратер Аррениус на Марсе.
Новый опыт
Этот отказ научного сообщества не остановил Аррениуса, который разослал копии своей диссертации таким известным ученым, как Рудольф Клаузиус (1822-1888), Юлиос Лотар Мейер (1830-1895), Вильхем Оствальд (1853-1932) и Якобус Хенрикус ван Это не Хофф. (1852-1811).
Аррениус продолжал тренироваться и учиться у своих коллег. Он получил стипендию Академии наук, которая позволила ему путешествовать и работать в лабораториях ведущих исследователей в таких местах, как Рига, Грац, Амстердам и Лейпциг.
Он начал свою педагогическую деятельность в 1891 году, преподавая уроки физики в Стокгольмском университете. Шесть лет спустя он был назначен ректором этого вуза.
Теория электролитической диссоциации
Будучи профессором университета, Аррениус продолжал работать над исследованиями водных растворов, которые обсуждались в его докторской диссертации. Этот новый обзор его данных и экспериментов послужил основой для представления его теории электролитической диссоциации в 1889 году.
Аррениус утверждал, что электролит — это любое вещество, которое при растворении в водном растворе может проводить электрический ток.
После растворения эти электролиты диссоциировали, создавая положительный и отрицательный заряды, которые он назвал ионами. Положительная часть этих ионов была названа катионом, а отрицательная — анионом.
Он объяснил, что проводимость раствора зависит от количества концентрированных ионов в водном растворе.
Растворы, в которых были ионизированы эти электролиты, были классифицированы как кислоты или основания, в зависимости от типа образовавшегося отрицательного или положительного заряда.
Эти результаты позволили интерпретировать поведение кислот и оснований, известных к тому времени, и дали объяснение одному из важнейших свойств воды: ее способности растворять вещества.
Это исследование принесло ему Нобелевскую премию по химии в 1903 году, что закрепило его среди его национальных и зарубежных коллег.
Через два года после получения этой важной награды он возглавил недавно открывшийся Нобелевский институт физической химии и занимал эту должность до своей пенсии в 1927 году
Уравнение Аррениуса
В 1889 году Аррениус предложил математическую формулу для проверки зависимости между температурой и скоростью химической реакции.
Аналогичное исследование было начато в 1884 году ученым Вант Хоффом, но именно Аррениус добавил физическое обоснование и интерпретацию уравнения, предложив более практический подход к этому научному вкладу.
Пример этого исследования можно наблюдать в повседневной жизни, когда продукты хранятся в холодильнике, где низкие температуры позволяют протекать более медленным химическим реакциям, вызывающим их порчу, и поэтому они подходят для употребления в течение более длительного времени.
Уравнение Аррениуса может быть применено к гомогенным газовым реакциям, в растворах и к гетерогенным процессам.
Происхождение жизни и другие вклады
Темы его интересов были очень разнообразны. Он внес вклад в области космологии с теорией происхождения комет, которая объясняет их образование давлением солнечной радиации; в дополнение к теории эволюции звезд.
Это очень современная теория, если принять во внимание, что ученые в настоящее время изучают наличие межпланетного материала в метеоритах, упавших на Землю, и возможность того, что они послужили проводником для первой искры жизни на планете. За свою жизнь Аррениус получил множество предложений о работе из других стран, однако всегда предпочитал работать в Швеции
Период, когда он работал в Калифорнийском университете в США и в результате оставил свою книгу, можно считать исключением. Иммунохимия (1907)
За свою жизнь Аррениус получил множество предложений о работе из других стран, однако всегда предпочитал работать в Швеции. Период, когда он работал в Калифорнийском университете в США и в результате оставил свою книгу, можно считать исключением. Иммунохимия (1907).
Детство и учеба
Сванте Август Аррениус родился 19 февраля 1859 года в деревенском поместье в Вик, Швеция. Его отцом был Густав Аррениус, а матерью Каролина Кристина Тунберг.
С самого раннего возраста он был в контакте с академическим миром, поскольку его дядя Иоганн Аррениус был профессором ботаники, а затем ректором Сельскохозяйственной школы в Ултуне, а его отец работал геодезистом в Упсальском университете.
Чтобы улучшить свое экономическое положение, семья переехала в Упсалу в 1860 году, всего через год после рождения маленького Сванте, который с самого раннего возраста проявил себя вундеркиндом. Утверждается, что к трем годам он уже сам читал и решал простые математические операции.
Аррениус учился в Кафедральной школе Упсалы, исторически престижном кампусе, основанном в 1246 году, который он окончил в 1876 году с отличными оценками.
В 17 лет он поступил в Уппсальский университет, где изучал математику, физику и химию. Пять лет спустя он переехал в Стокгольм, чтобы работать под руководством профессора Эрика Эдлунда (1819–1888) в Шведской королевской академии наук.
Первоначально Аррениус помогал Эдлунду в исследованиях, но вскоре начал работу над своей докторской диссертацией. Исследования гальванической проводимости электролитов,которую он представил в 1884 году в Упсальском университете.
Это исследование вращалось вокруг растворения электролитов в водных растворах и их способности генерировать положительные и отрицательные ионы, проводящие электричество. К сожалению, теория была описана как ошибочная, поэтому исследование было одобрено с минимальным баллом и отвергнуто его коллегами и учителями.
Пьесы
Аррениус также преуспел как плодовитый писатель, публикующий научные труды и выступления.
— Теоретическая электрохимия (1900).
— Трактат по космической физике (1903 г.).
— Теория химии, Земли и Вселенной (1906).
— Миры в творении: эволюция Вселенной (1908).
— Количественные законы в биологической химии (1915).
— Химия и современная жизнь (1915).
— Теория решений (1918).
Некоторые тексты были написаны исключительно для углубленного анализа изучения и практики химии, но он также сделал несколько публикаций повествования легко интерпретируемыми не только академическим сообществом, но и широкой публикой.
Преподавательская деятельность
После окончания обучения в 1849 году Александр Бутлеров приступил к преподавательской деятельности и стал читать лекции по химии, физике и физической географии в родном университете
Будучи от природы блестящим оратором и прекрасным педагогом, он на протяжении всей лекции безраздельно владел вниманием аудитории. Кроме того, Бутлеров читал лекции, доступные и для широкой общественности
Он настолько интересно излагал материал, что его выступления, которые были сродни творчеству, казанская публика зачастую предпочитала театральным постановкам.
В 1851 году Александр Михайлович получил степень магистра, а спустя 3 года защитил докторскую диссертацию по теме «Об эфирных маслах». Через несколько лет Бутлеров стал профессором химии и в течение трёх лет исполнял обязанности ректора в Казанском университете.
