Физические и химические явления 18 страница

Есть еще много других минералов, содержащих соединения кремния, которые также находят разнообразное применение в технике. Одни из них за прочность и красивый вид (гранит, порфир, лабрадор и др.) используются как строительный и отделочный материалы; другие, обладая исключительной твердостью, применяются в качестве так называемых точных камней в разнообразных измерительных приборах, от часовых механизмов до аналитических весов и аппаратов специального назначения; третьи – цементы, обладая способностью в смеси с другими веществами связывать воедино щебень, камни, кирпичи, широко применяются в строительстве; четвертые – за безукоризненную прозрачность, чистоту и блеск ценятся как самоцветы и, наконец, пятые, обладающие пестрой, яркой, необычной окраской (яшмы, нефрит, халцедоны), употребляются в художественных изделиях, которые украшают дворцы и музеи.

Важнейшее соединение кремния – кремнезем – необходим для жизни растений и животных. В растениях кремнезем накапливается в стеблях, что значительно повышает их механическую прочность. Как бы ни были сильны порывы бури и удары водяных струй грозового ливня, тонкие колосья хлебных злаков выдерживают их, гнутся иной раз до самой земли, но не ломаются. Кремнезем входит в состав не только крупных растений, но и мельчайших из них – диатомовых водорослей. Кремний нужен и животным. Птицы без кремнезема не создают прочной скорлупы яиц. Некоторые виды губок строят опорные образования своего тела также из кремнезема. Нежные комочки живой материи, известные под названием радиолярий, создают непревзойденные по своей красоте скелеты из кремнезема. Кремнезем есть и в организме человека. Больше всего содержится кремнезема в стекловидном теле глаза, где количество его достигает до 0,06% по весу. Однако биологическая роль кремнезема в человеческом организме до сих пор еще недостаточно ясна.

Кремний – это мелкий бурый порошок или серые, твердые, но довольно хрупкие кристаллы (плотность 2,4). В кристаллическом состоянии кремний хорошо проводит тепло, обладает металлическим блеском. Однако электропроводность, столь характерная для металлов, у кремния весьма мала и составляет 0,001 электропроводности ртути.

Кремний тугоплавок (он плавится при 1415°С), кипит же при 2360°С. При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании выше 500°С становится реакционноспособным и соединяется с кислородом, серой, хлором,

бромом и другими элементами. Хорошо растворяясь в расплавленных металлах, кремний образует с некоторыми из них (железом, медью, платиной и др.) силициды.

Кремний – простое вещество

 

 

Рисунок 182. Кристаллический кремний

Рисунок 183. Монокристалл кремния

Рисунок 184. Изделия из кремния

В технике применяют сплав кремния с железом – ферросилиций. Ферросилиций непосредственно используется для изготовления кислотоупорных изделий. В металлургии ферросилиций применяется для введения кремния в различные сорта специальных сталей.

Новейшие достижения химии по получению чистейшего кремния открывают широкую дорогу в области полупроводниковой техники. Создание кремниевых выпрямителей следует считать одним из величайших достижений современной науки. С помощью кремния, в некоторой мере, была осуществлена мечта о непосредственном преобразовании солнечной энергии в электрическую. Искусственные спутники Земли получали электричество от солнечных кремниевых батарей. Она не только обеспечивала энергией всю аппаратуру спутника, но и заряжала их аккумуляторы, вступавшие в строй при переходе спутника в область земной тени. Успехи химии высокомолекулярных соединений ввели в круг интересов химиков-синтетиков и кремний.

Способность кремния соединяться с кислородом, образуя цепные структуры (так называемые силоксановые группировки), дает возможность получать большое число различных соединений. Среди них – смазочные масла, сохраняющие присущие им свойства в интервале температур от –60°С до +200°С; антипенные жидкости, предупреждающие вскипание смазочных масел в механизмах; соединения, обладающие водоотталкивающими свойствами; изоляционные материалы; пластмассы и многие другие вещества.

До недавнего времени казалось, что наука многое знает о кислородных соединениях кремния. Но оказывается, что при очень высоких давлениях происходит перестройка кристаллов. В лаборатории академика Л.Ф. Верещагина было получено соединение кремния с кислородом, которое имеет особую структуру и высокую плотность, равную 4,35, т.е. почти на 64 % больше, чем у кварца.

Соединения кремния

 

 

Рисунок 185. Кристалл кварца SiO2

 

Рисунок 186. Разновидность кварца – аметист

 

Рисунок 187. Аэрогель на основе SiO2

Расчеты показывают, что средняя плотность Земли 5,5, а это, по мнению ученых, означало наличие железа и других тяжелых металлов в глубоких слоях. А не

состоят ли глубокие слои из этого нового минерала, названного  американскими

учеными стиповеритом по первым буквам имени молодого ученого-комсомольца С. Стишова и еще двух ученых – Попова и Верещагина, открывших этот минерал?

Любопытно, что минерал стиповерит теперь обнаружен и в кратере Аризонского метеорита, о котором написано в рассказе о железе.

В свободном состоянии кремний был получен французскими учеными Гей- Люссаком и Тенаром в 1811 г., однако истинную природу кремния установил спустя 14 лет шведский химик Я. Берцелиус.

Оригинальным путем (реакцией цинка с хлористым соединением кремния) свободный кремний был получен в 1865 г. русским ученым Н.Н. Бекетовым.

 

 

§30. Плотность и относительная плотность газов

Плотность веществ

Из курса физики вам известно, что плотность вещества – это отношение массы вещества к его объему. Символ, которым обозначают плотность, греческая буква r (ро):

                                                                

С учетом того, что плотность рассчитывается путем деления массы на объем, несложно понять, что единица измерения этой величины – г/мл. Также плотность можно измерять в г/л, кг/л и т.п.

Для газообразных веществ плотность можно рассчитать и при помощи молярной массы путем деления ее на молярный объем газа, то есть на 22,4 л/моль:

Так, например, плотность углекислого газа будет рассчитываться как:

M(CO2) = 44 г/моль

r(СО 2) = M =  44 г/моль

= 1,96 г/л

V m  22,4 л/моль

Относительная плотность газов

Плотность вещества и относительная плотность вещества – две разные величины. Если плотность вещества показывает, во сколько раз масса вещества отличается от его объема, то относительная плотность показывает во сколько раз одно вещество тяжелее или легче другого, с которым сравнивают вещество.

Представим, что имеется два газа А и Б. Плотности этих газов могут быть выражены так:

r(А) = ^M(А);            r(Б) = ^M(Б).

V m                                                         V m

Для того, чтобы определить во сколько раз газ А легче или тяжелее газа Б, разделим значения плотностей этих газов друг на друга:

r(А) = M(А)/V_m

r(Б) M(Б)/V_m

C учетом сокращения молярного объема в числителе и знаменателе, получим:

r(А) = М(А)

r(Б) M(Б)

Отношение плотности одного газа к другому и называют относительной плотностью газа. Другими словами, во сколько раз плотность газа А больше или меньше плотности газа Б.

r (Б)

Значение ^r(А) принято обозначать символом D. Таким образом, относительная

плотность газа, определяется делением молярной массы газа, плотность которого рассчитывают, на молярную массу газа, относительно которого рассчитывают плотность:

Обратите внимание, что при делении одной молярной массы на другую единицы измерения молярных масс, г/моль, сокращаются! Относительная плотность газов – величина безразмерная.

Например, если требуется рассчитать относительную плотность углекислого газа по кислороду, необходимо молярную массу углекислого газа (газ, плотность которого рассчитывают), разделить на молярную массу кислорода (газ, по которому рассчитывают плотность). Обозначают следующим образом:

D (CO) = M(CO2) = 44 г/моль = 1,375.

O2         2

M(O₂)

32 г/моль

Полученное значение относительной плотности, указывает на то, что 1 моль углекислого газа в 1,375 раз тяжелее 1 моль кислорода.

Умножив молярную массу газа, по которому выражена относительная плотность, на значение относительной

плотности – определяется молярную массу газа, плотность которого была рассчитана – это второе следствие из закона Авогадро:

                                                        

Например, относительная плотность некоторого неизвестного газа по водороду равна 16. Определим молярную массу этого газа. Для этого умножим значение молярной массы водорода на значение относительной плотности:

M(Б) = 16∙2    ^г   = 32    ^г.

Моль       моль

По значению молярной массы – 32 г/моль, несложно догадаться, что неизвестный газ – кислород.

Обратите внимание, что часто необходимо рассчитывать относительную плотность газов по воздуху. Воздух – это смесь газов; вам известно, что основными компонентами воздуха являются кислород и азот. Молярную массу воздуха принято считать равной 29 г/моль!

Чтобы определить легче ли или тяжелее воздуха газ, необходимо сравнить молярные массы газов. Представим, что есть два воздушных шарика. Один из них заполнен гелием, второй –

хлором. Отпустим оба шарика. Шарик с гелием сразу же взлетит вверх. Шарик, наполненный хлором, быстро опустится вниз. Значит, гелий легче воздуха, а хлор – тяжелее.

 

Примеры решения задач

Задача 1. Определите относительную плотность водорода по кислороду.

Дано: Н2	Решение: Для решения этой задачи воспользуемся формулой: D = M(A) M(Б) А – газ, плотность которого рассчитывают, т.е. H2, газ Б – газ, по
Dо2(H2) –?

которому рассчитывают плотность газа А, т.е. O2. Рассчитаем молярные массы газов:

М(H2) = Mr(H2) = 2 г/моль; M(О2) = Mr(О2) = 32 г/моль.

Теперь подставим значения молярных масс в формулу:

M(Н₂) = 2 г/моль = 0,0625.

              

 

Ответ: 0,0625.

M(О₂)

32 г/моль

Задача 2. Относительная плотность паров ртути по воздуху равна 6,92.

Определите состав молекул ртути в парах.

Дано: Dвозд.(Hg) = 6,92

Решение: Обозначим формулу молекулы как Hgx, где х – количество атомов ртути. Зная относительную плотность вещества, можем найти его молярную массу по формуле: М(А) = D·М(Б) В задаче плотность паров ртути выражена по воздуху, молярная масса воздуха равна 29 г/моль. M(Hg) = D·M(возд.) = 6,92·29 г/моль = 200,68 г/моль Обратимся к Периодической Системе элементов, в ней указана атомная масса элементов, т.е. относительная масса одного атома. Найдем элемент – ртуть, который образует простое вещество ртуть, относительная масса одного атома – 200,6. Значит, пары ртути имеет атомное строение, так как молекула не может состоять из одного атома. Ответ: ртуть в парах существует в виде отдельных атомов.

Hgx –?

 

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Определите относительную плотность кислорода по: а) хлору; б) воздуху; в) гелию; г) водороду.

Относительная плотность газа по воздуху равна 2. Чему равна молярная масса этого газа?

Относительная плотность газа по гелию равна 0,5. Определите молярную массу газа.

Относительная плотность паров цинка по водороду при 1400°С приблизительно равна 33. Найдите формулу цинка при данной температуре.

Относительная плотность паров белого фосфора по водороду равна 62. Найдите формулу белого фосфора.

Соединение содержит атомов водорода в 2 раза больше, чем атомов углерода. Его относительная плотность по водороду равна 14. Найдите формулу соединения.

Определите относительную атомную массу четырехвалентного элемента, если известно, что пары его соединения с хлором в 77 раз тяжелее водорода, а соединения с бромом – в 166 раз тяжелее водорода.

При действии хлора на олово образуется хлорид олова, молекула которого состоит из 5 атомов. Зная, что относительная плотность паров хлорида олова по водороду – около 130, найдите его формулу.

Может ли существовать соединение серы, пары которого легче воздуха? Дайте обоснованный ответ.

Какова химическая формула оксида углерода, имеющего такую же плотность, как у азота?

Плотность газа при н.у. составляет 3,615 г/л. Определите молярную массу газа и его плотность по водороду и по воздуху.

Для заполнения воздушных шаров используют газы, относительная плотность которых по воздуху менее единицы. Из перечня формул газов укажите пригодные для заполнения шаров газы: O2, H2, He, Cl2, CO2, N2, SO2.

Юный химик изучал способы получения газов: азота N2, оксида азота (IV) NО2, сероводорода H2S, хлора Сl2, аммиака NH3. При получении каких из них вы посоветуете ему держать пробирку-приемник дном вверх? Подтвердите свой совет расчетами.

Почему теплый воздух собирается под потолком, а вблизи пола воздух холодный?

Определите относительную молекулярную массу газа, который: а) в 16 раз тяжелее гелия;

б) в 2 раза легче кислорода.

Определите формулу оксида серы, если он в два раза тяжелее кислорода. Определите относительную плотность данного оксида серы по метану CH4.

Определите молярную массу газа, плотность которого 1,25 г/л.

Определите плотность оксида азота (IV) и его относительную плотность по воздуху.

Плотность гелия (в пересчете на н.у.) 0,178 г/л. Вычислите, исходя из этого, массу 1 моль гелия.

Можно ли получить смесь большей плотности, чем воздух, из: а) азота и оксида углерода (II); б) гелия и углекислого газа; в) аргона и азота? При каком молярном отношении газов, упомянутых в пункте в), получится смесь, по плотности равная воздуху?

 

Блокнот эрудита

89. МАРИЯ СКЛОДОВСКАЯ-КЮРИ (1867–1934)

Нобелевская премия по физике, 1903 г. (совместно с Анри Беккерелем и Пьером Кюри)

Нобелевская премия по химии, 1911 г.

Французский физик Мария Склодовская-Кюри (урожденная Мария Склодовская) родилась в Варшаве (Польша). Она была младшей из пяти детей в семье Владислава и Брониславы Склодовских. Мария воспитывалась в семье, где занятия наукой пользовались уважением. Ее отец преподавал физику в гимназии, а мать, пока не заболела туберкулезом, была директором гимназии. Мать Марии умерла, когда девочке было одиннадцать лет.

Мария Склодовская блестяще училась и в начальной, и в средней школе. Еще в юном возрасте она ощутила

притягательную силу науки и работала лаборантом в химической лаборатории своего двоюродного брата.

Рисунок 188. Мария Склодовская-Кюри

Выросшая при русском правлении (Польша в то время была разделена между Россией, Германией и Австро-Венгрией), Склодовская-Кюри принимала активное участие в движении молодых интеллектуалов и антиклерикальных польских националистов.

Хотя большую часть своей жизни Склодовская-Кюри провела во Франции, она навсегда сохранила преданность делу борьбы за польскую независимость.

На пути к осуществлению мечты Марии Склодовской о высшем образовании стояли два препятствия: бедность семьи и запрет на прием женщин в Варшавский университет. Мария и ее сестра Броня разработали план: Мария в течение пяти лет будет работать гувернанткой, чтобы дать возможность сестре окончить медицинский институт, после чего Броня должна взять на себя расходы на высшее образование сестры. Броня получила медицинское образование в Париже и, став врачом, пригласила к себе Марию. Покинув Польшу в 1891 г., Мария поступила на факультет естественных наук Парижского университета (Сорбонны). В 1893 г., закончив курс первой, Мария получила степень лиценциата по физике Сорбонны (эквивалентную степени магистра). Через год она стала лиценциатом и по математике.

В том же 1894 г. в доме одного польского физика-эмигранта Мария Склодовская встретила Пьера Кюри. Пьер был руководителем лаборатории при Муниципальной школе промышленной физики и химии. К тому времени он провел важные исследования по физике кристаллов и зависимости магнитных свойств веществ от температуры. Мария занималась исследованием намагниченности стали, и ее польский друг надеялся, что Пьер сможет

предоставить Марии возможность поработать в своей лаборатории. Сблизившись сначала на почве увлечения физикой, Мария и Пьер через год вступили в брак. Это произошло вскоре после того, как Пьер защитил докторскую диссертацию. Их дочь Ирен (Ирен Жолио-Кюри) родилась в сентябре 1897 г. Через три месяца Мария Кюри завершила свое исследование по магнетизму и начала искать тему для диссертации.

В 1896 г. Анри Беккерель обнаружил, что урановые соединения испускают глубоко проникающее излучение. В отличие от рентгеновского, открытого в 1895 г. Вильгельмом Рёнтгеном, излучение Беккереля было не результатом возбуждения от внешнего источника энергии, например светом, а внутренним свойством самого урана. Очарованная этим загадочным явлением и привлекаемая перспективой положить начало новой области исследований, Кюри решила заняться изучением этого излучения, которое она впоследствии назвала радиоактивностью. Приступив к работе в начале 1898 г., она прежде всего попыталась установить, существуют ли другие вещества, кроме соединений урана, которые испускают открытые Беккерелем лучи. Поскольку Беккерель заметил, что в присутствии соединений урана воздух становится электропроводным, Кюри измеряла электропроводность вблизи образцов других веществ, используя несколько точных приборов, разработанных и построенных Пьером Кюри и его братом Жаком. Она пришла к выводу о том, что из известных элементов радиоактивны только уран, торий и их соединения. Однако вскоре Кюри совершила гораздо более важное открытие: урановая руда, известная под названием урановой смоляной обманки, испускает более сильное излучение Беккереля, чем соединения урана и тория, и по крайней мере в четыре раза более сильное, чем чистый уран. Кюри высказала предположение, что в урановой смоляной обманке содержится еще не открытый и сильно радиоактивный элемент. Весной 1898 г. она сообщила о своей гипотезе и о результатах экспериментов Французской академии наук.

Затем супруги Кюри попытались выделить новый элемент. Пьер отложил свои собственные исследования по физике кристаллов, чтобы помочь Марии. Обрабатывая урановую руду кислотами и сероводородом, они разделили ее на известные компоненты. Исследуя каждую из компонент, ими было установлено, что сильной радиоактивностью обладают только две из них, содержащие элементы висмут и барий. Поскольку открытое Беккерелем излучение не было характерным ни для висмута, ни для бария, они заключили, что эти порции вещества содержат один или несколько ранее неизвестных элементов. В июле и декабре 1898 г. Мария и Пьер Кюри объявили об открытии двух новых элементов, которые были названы ими полонием (в честь Польши – родины Марии) и радием.

Поскольку Кюри не выделили ни один из этих элементов, они не могли представить химикам решающего доказательства их существования. И супруги Кюри приступили к весьма нелегкой задаче – экстрагированию двух новых элементов из урановой смоляной обманки. Они установили, что вещества, которые им предстоит найти, составляют лишь одну миллионную часть урановой смоляной обманки. Чтобы экстрагировать их в измеримых количествах, исследователям необходимо было переработать огромные количества руды. В течение последующих четырех лет Кюри работали в примитивных и вредных для здоровья

условиях. Они занимались химическим разделением в больших чанах, установленных в дырявом, продуваемом всеми ветрами сарае. Анализы веществ им приходилось производить в крохотной, плохо оборудованной лаборатории Муниципальной школы. В этот трудный, но увлекательный период жалованья Пьера не хватало, чтобы содержать семью. Несмотря на то, что интенсивные исследования и маленький ребенок занимали почти все ее время, Мария в 1900 г. начала преподавать физику в Севре, в Эколь Нормаль Сюперьёр, учебном заведении, готовившем учителей средней школы. Овдовевший отец Пьера переехал к Кюри и помогал присматривать за Ирен.

В сентябре 1902 г. Кюри объявили о том, что им удалось выделить одну десятую грамма хлорида радия из нескольких тонн урановой смоляной обманки. Выделить полоний им не удалось, так как тот оказался продуктом распада радия. Анализируя соединение, Мария установила, что атомная масса радия равна 225. Соль радия испускала голубоватое свечение и тепло. Это фантастическое вещество привлекло внимание всего мира. Признание и награды за его открытие пришли к супругам Кюри почти сразу.

Завершив исследования, Мария наконец написала свою докторскую диссертацию. Работа называлась «Исследования радиоактивных веществ» и была представлена Сорбонне в июне 1903 г. В нее вошло огромное количество наблюдений радиоактивности, сделанных Марией и Пьером Кюри во время поиска полония и радия. По мнению комитета, присудившего Кюри научную степень, ее работа явилась величайшим вкладом, когда-либо внесенным в науку докторской диссертацией.

В декабре 1903 г. Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике Беккерелю и супругам Кюри. Мария и Пьер Кюри получили половину награды «в знак признания... их совместных исследований явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем». Кюри стала первой женщиной, удостоенной Нобелевской премии. И Мария, и Пьер Кюри были больны и не могли ехать в Стокгольм на церемонию вручения премии. Они получили ее летом следующего года.

Еще до того, как супруги Кюри завершили свои исследования, их работы побудили других физиков также заняться изучением радиоактивности. В 1903 г. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди выдвинули теорию, согласно которой радиоактивные излучения возникают при распаде атомных ядер. При распаде радиоактивные элементы претерпевают трансмутацию – превращение в другие элементы. Кюри не без колебаний приняла эту теорию, так как распад урана, тория и радия происходит настолько медленно, что в своих экспериментах ей не приходилось его наблюдать. (Правда, имелись данные о распаде полония, но поведение этого элемента Кюри считала нетипичным). Все же в 1906 г. она согласилась принять теорию Резерфорда-Содди как наиболее правдоподобное объяснение радиоактивности. Именно Кюри ввела термины распад и трансмутация.

Супруги Кюри отметили действие радия на человеческий организм (как и Анри Беккерель, они получили ожоги, прежде чем поняли опасность обращения с радиоактивными веществами) и высказали предположение, что радий может быть

использован для лечения опухолей. Терапевтическое значение радия было признано почти сразу, и цены на радиевые источники резко поднялись. Однако Кюри отказались патентовать экстракционный процесс и использовать результаты своих исследований в любых коммерческих целях. По их мнению, извлечение коммерческих выгод не соответствовало духу науки, идее свободного доступа к знанию. Несмотря на это, финансовое положение супругов Кюри улучшилось, так как Нобелевская премия и другие награды принесли им определенный достаток. В октябре 1904 г. Пьер был назначен профессором физики в Сорбонне, а месяц спустя Мария стала официально именоваться заведующей его лабораторией. В декабре у них родилась вторая дочь, Ева, которая впоследствии стала концертирующей пианисткой и биографом своей матери.

Мари черпала силы в признании ее научных достижений, любимой работе, любви и поддержке Пьера. Как она сама признавалась: «Я обрела в браке все, о чем могла мечтать в момент заключения нашего союза, и даже больше того». Но в апреле 1906 г. Пьер погиб в уличной катастрофе. Лишившись ближайшего друга и товарища по работе, Мари ушла в себя. Однако она нашла в себе силы продолжать работу. В мае, после того как Мари отказалась от пенсии, назначенной министерством общественного образования, факультетский совет Сорбонны назначил ее на кафедру физики, которую прежде возглавлял ее муж. Когда через шесть месяцев Кюри прочитала свою первую лекцию, она стала первой женщиной – преподавателем Сорбонны.

В лаборатории Кюри сосредоточила свои усилия на выделении чистого металлического радия, а не его соединений. В 1910 г. ей удалось в сотрудничестве с Андре Дебьерном получить это вещество и тем самым завершить цикл исследований, начатый 12 лет назад. Она убедительно доказала, что радий является химическим элементом. Кюри разработала метод измерения радиоактивных эманаций и приготовила для Международного бюро мер и весов первый международный эталон радия – чистый образец хлорида радия, с которым надлежало сравнивать все остальные источники.

В конце 1910 г. по настоянию многих ученых кандидатура Кюри была выдвинута на выборах в одно из наиболее престижных научных обществ – Французскую академию наук. Пьер Кюри был избран в нее лишь за год до своей смерти. За всю историю Французской академии наук ни одна женщина не была ее членом, поэтому выдвижение кандидатуры Кюри привело к жестокой схватке между сторонниками и противниками этого шага. После нескольких месяцев оскорбительной полемики в январе 1911 г. кандидатура Кюри была отвергнута на выборах большинством в один голос.

Через несколько месяцев Шведская королевская академия наук присудила Кюри Нобелевскую премию по химии «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Кюри стала первым дважды лауреатом Нобелевской премии. Представляя нового лауреата, Э.В. Дальгрен отметил, что