Под знаком углерода
Вложение | Размер |
---|---|
pod_znakom_ugleroda.docx | 232.71 КБ |
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №14
II открытый конкурс научно-исследовательских работ
школьников «ЛАРИОНОВСКИЕ ЧТЕНИЯ»
(в рамках Российской программы «Юность, Наука, Культура»)
Естественно-научное направление
Секция: химия
Старшая возрастная группа
Под знаком углерода
Автор:
Майрамова Диана Руслановна
ученица 8 «А» класса
МБОУ СОШ №14 г. Владикавказа
Научный руководитель:
Епишева Ирина Ивановна
учитель химии
МБОУ СОШ №14 г. Владикавказа
Владикавказ 2013
План.
Введение………………………………………………………………….…..3
Заключение…………………………………………………………………...17
Литература……………………………………………………………………19
2
Введение.
Элементы IV группы главной подгруппы периодической системы Д.И.Менделеева – углерод, кремний, германий, олово, свинец – своеобразны по своим физическим и химическим свойствам, т.к. включают в себя свойства как металлов так и неметаллов. Поэтому они и занимают серединную часть периодической системы Д.И. Менделеева, находясь на границе между металлами и неметаллами.
История науки не знает имен первооткрывателей десяти элементов из 110. Три из этих десяти элементов члены IV группы: углерод, олово и свинец. Их применяют с доисторических времен и в наше время, с каждым годом во всем мире используют во многих отраслях народного хозяйства. Без элементов IV группы нельзя создать телевизор, ракетостроение, радиоэлектроника, космонавтика, атомная и другие области новой техники были бы невозможны без этих элементов.
Многочисленные соединения углерода входят в состав живых организмов и живой природы. Пластмассы, синтетические каучуки, кожа, волокна, красители и лекарства, моющие средства и стимуляторы роста – все многообразие органических веществ немыслимо без углерода. Обширен и неорганический мир углерода: уголь, сажа, кокс, графит, алмаз и т.д.
Именно таким спектром применения этих элементов и продиктована актуальность данного исследования.
3
По своим физическим свойствам на основании особенностей химической связи вещества главной подгруппы можно разбить на две группы:
Алмаз, графит, кремний и германий объединяет наличие у них однотипной химической связи – она ковалентная. Каждый атом имеет четыре валентных электрона, которые и принимают участие в образовании химической связи. Поскольку каждый атом окружен четырьмя другими атомами, всего возникает четыре связи.
C +6 )2)4
Si +14 )2)8)4
Ge +32 )2)8)18)4
Рис.1. Образование химической связи в молекулах алмаза, графита, кремния, германия
В алмазе молекул нет, т.к. все связи между атомами равноценны и весь кусок алмаза представляет одну гигантскую молекулу. Этим объясняется прочность алмаза.
В графите в отличие от алмаза, атомы располагаются слоями. Три химические связи у графита особенно прочные, а четвертая более слабая, поэтому графит легко раскалывается на отдельные чешуйки. Проводит он и
4
электрический ток. Объясняется это тем, что четвертая связь между атомами, находящимися в разных, рядом расположенных слоях, сравнительно слабая и легко разрывается. За счет разрыва появляются свободные электроны. В электрическом поле свободные электроны приобретают направленное движение.
В кремнии и германии связи такие же, как и в алмазе, но они более слабые вследствие увеличения размеров атомов. Кремний и германий, в отличие от алмаза, можно растереть в ступке до порошка.
Исходя из физических и химических свойств, кремний относят к неметаллам. Германий по внешнему виду напоминает металл, т.к. имеет металлический блеск. Но по структуре, типу химической связи его следует также отнести к неметаллам.
Олово и свинец – мягкие, легкоплавкие металлы. Химическая связь между атомами металлическая, т.е. эти металлы по своей внутренней структуре представляют собрание ион – атомов, между которыми движутся электроны.
Рис. 2. Металлическая решетка.
Но между атомами возникают кратковременные непрочные связи; эти металлы в небольшой степени напоминают германий, особенно олово. Ниже 18 °C у олова происходит постепенная перестройка кристаллической решетки, и оно переходит в другую модификацию – серое олово, у которого
атомы располагаются как у кремния и германия.
Таким образом, между атомами олова и свинца нет прочных ковалентных связей, нет прочной и металлической связи. Этим и
5
объясняются своеобразные физические свойства олова и свинца.
При расчетах содержания элементов периодической системы Д.И. Менделеева в твердой оболочке земного шара – литосфере – указывается только та часть земной коры, которая доступная химическому исследованию. Химическому исследованию доступен поверхностный слой толщиной приблизительно до 16км.
По фамилии ученого Кларка, который в 1889г. Впервые произвел подсчет содержания десяти главнейших элементов в земной коре, числа,
выражающие среднее содержание данного химического элемента в твердой оболочке называют кларками. Их выражают в процентах от массы земной коры.
Таблица 1. Среднее содержание элементов главной подгруппы в земной коре.
Элемент | Содержание, в % |
углерод кремний германий олово свинец | 0,1 27,6 7х10 -4 4х10 -2 1.6х10 -3 |
Элементы IV группы составляют 2/7 части земной коры. На долю кремния прихъодится 27,6%. Он занимает второе место после кислорода (около 50%). Содержание остальных четырех элементов главной подгруппы составляет менее 1%. Углерода в земной коре имеется всего 0,1% - это
незначительная величина. Малое содержание углерода в земной корехарактеризует преобладание неорганической природы по сравнению с органической жизнью на земле.
6
В даль веков уходит история открытия углерода. В форме древесного угля и в двух аллотропических модификациях – графит и алмаз – он был известен человеку с незапамятных времен.
Почти 100 лет потребовалось, чтобы с достоверностью доказать тождество алмаза и углерода. Ещё в 1704г. Исаак Ньютон в своей книге «Оптика» высказал идею об углеродной природе алмаза. Он считал, что алмаз – это « сгустившееся маслянистое вещество». Косвенное доказательство тождества алмаза и углерода начинается с того, что алмаз
горюч.
В 1694г. Флорентийские ученые сожгли алмаз, нагревая его в солнечных
лучах, сфокусированных линзой. Эти опыты впоследствии были многократно повторены. Так, А.Лавуазье в 1772г. доказал, что алмаз сгорает на воздухе. В старинной книге русского ученого А.М. Карамышева, изданной в Санкт-Петербурге в 1779г., сообщается о сжигании трех алмазов. В этом же году К. Шееле доказал, что графит является разновидностью угля. В 1797г. врач Смитсон Теннант сжигает алмаз в золотом футляре без доступа воздуха. Он приходит к выводу, что одинаковые количества алмаза и угля при сжигании (окислении) дают одинаковые количества оксида углерода СО2. Из сопоставления продукта сгорания умозрительно вытекала тождественность графита, алмаза и углерода. Несколько позже А. Лавуазье и Г. Дэви подтвердили их тождество опытным путем.
В 1912г. Физиком Максом Лауэ было изучено отторжение (дифракция) рентгеновских лучей в кристаллах. Было установлено, что дифракция рентгеновских лучей находится в зависимости от расположения атомов в кристаллах. Метод получил название рентгеноструктурного. С его помощью профессор физики Манчестерского университета Вильям Лоуренс Бэрегг в 1913г. впервые установил кристаллическую структуру алмаза.
Различают четыре основных типа пространственных решеток:
7
молекулярные, атомные, ионные и металлические. Алмаз имеет атомную пространственную решетку. Она состоит из нейтральных атомов углерода. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, вершины которого заняты четырьмя атомами углерода. Таким образом, в кристалле алмаза атомы расположены в плоскости и в пространстве. Расстояние между атомами углерода одинаковы.
Рис. 2 Кристаллическая решетка алмаза.
Структура графита была установлена П. Дебайем и Д. Шеррером в 1917г. методом отражения рентгеновских лучей от столбика, спрессованного из кристаллического порошка графита. В кристалле графита атомы углерода занимают вершины плоскостей правильных шестиугольников. Бесконечные параллельные плоскости шестиугольников как бы наслаиваются один на другой.
Рис.3 Кристаллическая решетка графита.
Расстояние между атомами углерода в слоях одинаковы, расстояние же между слоями значительно больше.
Долгое время были известны только две кристаллические формы
8
углерода – алмаз и графит, обладающие резко отличными свойствами. Алмаз самый твердый из всех известных веществ, прозрачен, обладает изоляционными свойствами. Графит мягкий, непрозрачный, хорошо проводит тепло и электрический ток. Учеными института элементоорганических соединений Академии наук В.И. Касаточкиным, А.М. Сладковым, Ю.П. Кудрявцевым и В.В. Коршаком была получена третья кристаллическая разновидность углерода каталитическим окислением ацетилена и ее назвали карбином.
Карбин имеет линейную структуру и состоит из атомов углерода связанных чередующимися одинарными и тройными связями
- с ≡ с – с ≡ с – с ≡ с – (карбин)
Он обладает полупроводниковыми свойствами и фотопроводимостью. Найден карбин и в природе. Кристаллический углерод, близкий по структуре к карбину, обнаружен в метеорите Новый Урей. Такой же углерод найден в Баварии в кратере Рис. Кратер Рис образовался результате падения метеорита. Карбин оказался посланцем космоса.
Кратер Рис.
9
В 1969г. в этом же институте получена еще одна – четвертая – модификация кристаллического углерода этан форма названа поликумуленом. Поликумулен так же имеет линейную структуру, но состоит из атомов углерода, связанных только двойными связями:
= с = с = с = с = с = (поликумулен)
Вышеприведенные формулы карбина и поликумулена « не закончены», т.к. цепочки состоят из бесчисленного количества атомов углерода. Синтез модификаций кристаллического углерода – еще одно подтверждение неисчерпаемости и многоликости углерода. И алмаз, и графит, и карбин имеют немолекулярное строение, т.е. состоят из каркасов, сеток или цепей атомов углерода.
В 1996г. Трое ученых – Гаральд Крото (Великобритания) , Роберт Керл и Ричард Смелли (США) – были удостоены Нобелевской премии в области химии за открытие в 1985г. Молекулярной формы углерода – фуллерена. К фуллеренам относят вещества с четным числом атомов углерода в молекуле: С60, С70, С72, С74. . . С1020 и др. Эти замечательные молекулы составлены из атомов углерода, объединенных в пяти и шестиугольники с общими ребрами.
Рис. 4. Строение фуллерена С60
Название свое они получили по фамилии американского архитектора и инженера Ричарда Фуллерена, который построил на выставке в Монреале в1967г., павильон США, используя конструкцию из сочлененных пяти и
10
шестиугольников. Молекулы фуллеренов напоминают футбольный мяч.
Фуллерены представляют собой кристаллические вещества черного цвета с металлические вещества свойствами полупроводников.
Углерод – основа всего живого на Земле. Он является главным элементом многочисленного и разнообразного класса органических соединений. Углеро, единственный из элементов IV группы периодической системы, который встречается в свободном состоянии.
Соединения углерода, входящие в состав живых организмов и растений, образовали в течение многих геологических эпох богатые углеродом месторождения твердых и жидких ископаемых (каменный и бурый угли, торф, нефть и т.д.). Месторождения угля нередко обладают большой мощностью, оцениваемой десятками миллионов тон. Толщина угольного
пласта в разрезе достигает 150 – 200 м. Содержание углерода в каменном угле, буром угле и торфе приблизительно составляет соответственно 80 – 90, 65 – 70 и 55 – 60%, а в нефти приблизительно 83 – 86%.
Более распространен углерод в виде соединений - составной части многих минералов. Важнейшие из них - карбонат кальция ( известняк, мел, мрамор - СаСО3), карбонат магния (магнезит МgСО3), карбонат натрия ( сода Na2CO3). Другими распространенными минералами являются доломит
Mg CO3 x CaCO3, железный шпат FeCO3,цинковый шпатZnCO3 и др.
В атмосфере углерод находится в виде CO2. Содержание этого оксида в сухом воздухе незначительно и составляет приблизително 3%. Углерод присутствует во всех метеоритах в виде карбида железа Fe3C, графита и черного углеродистого вещества.В некоторых метеоритах его содержание достигает 10%. В метеоритах находят также, хотя и очень редко, алмазы. Как показывают расчеты, на 1м3 земной коры в среднем приходится 2,7кг углерода.
11
В свободном состоянии кремний впервые был получен в 1811г. французскими учеными Ж.Гей - Люссаком и О. Тенаром. В 1825г. минералог и химик Иенс Якоб Берцелиус получил аморфный кремний. Бурый порошок аморфного кремния был получен восстановлением металлическим калием газообразного тетрафторида кремния:
SiF4 + 4K = Si + 4KF
Позже была получена кристаллическая форма кремния. Перекристаллизацией кремния из расплавленных металлов были получены серого цвета твердые, но хрупкие кристаллы с металлическим блеском.
Русское название элемента "кремний" введено в обиход в 1834г.
Кремний - самый распространенный химический элемент неживой природы. Он входит в большинство минералов и горных пород, составляющих твердую оболочку земной коры. В природе в свободном состоянии кремний не встречается. Наиболее широко распространенные соединения кремния - оксид кремния SiO2 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами.
Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, массой до 40т. кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца, загрязненного различными примесями. Ежегодное мировое потребления песка достигает 300 млн.т.
Совершенно прозрачные кристаллы кварца называются горным хрусталем. В древние времена считали, что хрусталь представляет собой " особую форму" замерзшей воды. Горный хрусталь в зависимости от примесей может приобретать различную окраску.
Примеси оксида марганца и железа придают ему фиолетовую окраску. Этот минерал называется аметистом. Хрусталь, имеющий желтоватую окраску, называется цитрино. Распространение находит хрусталь дымчатой
12
окраски ( раухтопаз). В хрустале иногда встречаются включения. Включения оксида титана называются стрелами Амура. Включения волокнистых материалов носят названия кошачий глаз и другие.
Иногда оксид кремния (IV) в природных условиях получается в аморфном виде и пронизан большим количеством удлиненных пустот. Эта разновидность содержит небольшое количество воды, связанной с кремнием, и называется опал. Описать его цвет затруднительно, т.к. в зависимости от направления падающего цвета он приобретает различную окраску и как бы опаллесцирует.
Из силикатов наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты( каолин Al2O3x2SiO2x2H2O, асбест CaOx3MgOx4SiO2, ортоклаз K2OxAl2O3x6SiO2 и др.). Если в состав минерала кроме оксидов кремния и алюминия входят оксиды натрия, калия или кальция, то минерал носит название полевого шпата( белая слюда K2Ox3Al2O3x6SiO2x2H2O и др.). На долю полевых шпатов приходится около половины известных в природе силикатов. Горные породы гранит и гнейс включают кварц, слюду, полевой шпат.
В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительном количестве. Его содержат стебли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих растений. Панцири инфузорий, тела губок, яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза также содержит кремний. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20%.
13
К моменту составления таблицы периодической системы элементов Д.И. Менделеев был уверен, что существуют еще не открытые элементы. В 1871г. он предсказал существование и весьма точно описал предполагаемые свойства трех таких элементов: экаалюминия, экабора и экасилиция. Предлагалось, что их свойства близки свойствами алюминия, бора и кремния.
Германий был открыт К. Винклером, который назвал элемент в честь его
родины.
Германий рассеян в земной коре, рудных месторождений не образует. К редко встречающимся богатым германием минералом относятся тиогерманат серебра( германит и ренлерит). Эти минералы встречаются лишь в Конго и Юго-Западной Африке. Германий входит в состав растений ( хвойных деревьев, морской травы).Содержание его невелико - около 100г на 1т. золы. В большинстве случаев зола и является своеобразной рудой для получения германия.
Первым в развитии человечества ученые - археологи называют "медный век". Этому способствовало открытие олова. С незапамятных времен известны олово и свинец. Но так же, как и для углерода, нельзя назвать х первооткрывателей. Распространению олова способствовало хотя и редкое, но встречающееся в природе олово в самородном состоянии в составе руд, обогащенных естественным путем. Легкоплавкостью свинца при выделение его из руд объясняется широкое применение этого металла в древности.
Было замечено, что при сплавлении с медью рудного материала касситерита ( оксида олова ), добываемого на островах Касситериды, получается очень прочный, ковкий сплав желтого цвета. Сплав назвали бронзой. По своим качествам она очень быстро вытеснила медь. Получаемая в древности бронза содержала около 10% олова, что сохранилось и до настоящего времени.
14
Олово - сам по себе мягкий металл - при сплавлении придавал твердость меди. Не очень это было понятно для того времени. Арабский ученый Гебер отметил характерный треск оловянной палочки при сгибании - "оловянный крик". Слишком много загадочного. И олово алхимики прозвали дьявольским металлом. В V в. приводится алхимический рецепт "получения"
золота из олова. Подчеркивается, что полученное золото "настоящее".
Разгадка рецепта проста - это сернистое олово носящее название "сусальное золото".
Олово до нашей эры применялось для паяния свинцовых труб в Африке на местах древних государств Нубии и Аивии. Серьги Нефертити были изготовлены с применением пайки оловом. С XII по XVII вв. олово широко применяется при изготовлении зеркал. История происхождения названий "олово" и "свинец" связана с историей применения этих металлов.
Напиток "оловина", широко употреблявшийся в Древней Руси, хранился в сосудах "оловниках", изготовленных из олова. Происхождение названия "свинец" - от слова "вино" - связано с применением этого металла при изготовления сосудов для хранения вина. В Древней Руси была широко распространена добыча олова и свинца и их металлургическая переработка. Свинцовыми металлами покрывали крыши храмов. В XII в. оловом была покрыта церковь в Суздале .
Как олово, так и свинец в природе в свободном состоянии не встречаются. Олово наиболее распространено в виде минерала касситерита (оловянный камень SnO2).Название минерала "касситерита" происходит от древнего названия Британских островов "Касситериды", откуда доставляли оловянную руду для переработки за много веков до нашей эры. Другим минералом является станнин ( оловянный колчеданCu2FeSnS4 ) и сложные по сотаву руды содержащие олово в незначительном количестве (1% и менее).
В России оловянные руды промышленного значения находятся в Восточной
15
Сибири и Якутии.
Основной формой природного свинца является минерал гамнит (сульфид свинца или свинцовый блеск PbS). Рудами, из которых извлекают этот элемент, являются сульфат свинца (англезит PbSO4) и карбонат свинца (церуссит PbCO3). В Росси и свинцовые руды промышленного значения находятся в Восточной Сибири, на Урале, Алтае.
16
Заключение
Элементы IV группы главной подгруппы периодической системы Д.И.Менделеева – углерод, кремний, германий, олово, свинец – своеобразны по своим физическим и химическим свойствам, т.к. включают в себя свойства как металлов так и неметаллов. Поэтому они и занимают серединную часть периодической системы Д.И. Менделеева, находясь на границе между металлами и неметаллами.
Углерод не очень распространённый количественно элемент, но тем не менее является важнейшим составляющим земной жизни, существуют его соединения в воздухе, нефти а также в таких простых веществах как алмаз и графит. Одной из важнейших характеристик углерода есть прочные ковалентные связи между атомами, а также атомом водорода. Важнейшими неорганическими соединениями углерода являются: оксиды, кислоты, соли, галогениды, азотосодержащие производные, сульфиды, карбиды.
Говоря о кремнии необходимо отметить большие количества его запасов на земле, он является основой земной коры и встречается в огромном многообразии силикатов, песка и т.д. В настоящее время использование кремния из-за его качеств полупроводника возврастает. Он используется в электронике при производстве компьютерных процессоров, микросхем и чипов. Соединения кремния с металлами образуют силициды, важнейшим кислородным соединением кремния есть оксид кремния SiO2 (кремнезем) В природе есть большое разнообразие силикатов - это тальк, асбест, также распространены алюмосиликаты.
Германий-в технике его используют как материал для диодов, транзисторов, фотоэлементов. На основе пластин из высокочистого германия изготовляют солнечные батареи - устройства, преобразующие световую энергию в электрическую.
Около 60% всего олова переводится в сплавы. Олово является компонентом бронзы. Для производства подшипников используют баббиты –
17
сплавы на основе олова, содержащие около 10% сурьмы и около 5% меди. Пленку из олова наносят на железо, чтобы предохранить его от ржавления. Такая обработка называется лужением. Дл защиты от действия органических кислот, содержащихся в пищевых продуктах, жестяные банки длях хранения консервов тоже покрывают слоем олова.
Свинец - тяжелый и легкоплавкий металл синевато - серого цвета, плохо проводящий тепло и электричество. Все соединения свинца, в особенности растворимые в воде, крайне ядовиты. Сильное отравление наступает уже при попадании в организм 0,3г. соединений свинца.
Сегодня около половины всего выплавляемого свинца используют в производстве аккумуляторов. Из свинца изготовляют оболочки кабелей, аппаратуру для химической промышленности, пули. Свинцовые экраны хорошо поглощают радиоактивное и рентгеновское излучения. Свинцовый сурик Pb3O4 необходим в производстве красок и эмалей. Оксид свинца (IV) PbO2, являющийся сильным окислителем, входит в состав спичек.
18
Литература:
5. Т. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман " Химия 7- 9" Москва "Просвещение" 1986 г. 5. Ю. В. Ходаков, Д. А. Эпштейн, П. А. Глориозов "Неорганическая химия 9" Москва "Просвещение" 1987г.
6. Л. А. Николаев " Современная химия" Москва "Просвещение" 1980г.
7. Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлин "Основы общей химии" Москва "Просвещение" 1980г.
8. Е. М. Закладный, Н. В. Щеголев "Рассказы о полимерах" Издательство "Советская Россия" 1960.
9. Энциклопедический справочник школьника. Том I. Естественные науки. - М.: РЭТ, 2002.
19
Мороз Иванович
Как выглядело бы наше небо, если вместо Луны были планеты Солнечной Системы?
Воздух - музыкант
Кактусы из сада камней
10 осенних мастер-классов для детей