Файл: Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.06.2024
Просмотров: 98
Скачиваний: 0
Л. Д. В И Ш Н Е В С К И Й
ПОД ЗНАКОМ
УГЛЕРОДА
Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева
Пособие для у ч а щи х с я
МОСКВА
«ПРОСВЕЩЕНИЕ»
1974
540 В55
Р / ' Ш 4 0
Л и v~> i
£ / 2 > 0 < ? ) Д
Вишневский Jl. Д.
В5 5 Под знаком углерода. Элементы IV группы пе риодической системы Д. И. Менделеева. Пособие для учащихся. М., «Просвещение», 1974.
192 с. с ил.
Книга Л. Д. Вишневского «Под знаком углерода» посвящена эле ментам IV группы периодической системы Д. И. Менделеева. В книге интересно н доступно рассматриваются история открытия элементов, свойства простых веществ с точки зрения строения атома и характера химической связи. Исходя из свойств веществ, разбирается их приме нение в промышленности, быту. Особое внимание уделено получению,
свойствам и |
применению титана, |
циркония, |
олова, свинца, о которых |
в школьном |
учебнике говорится |
очень мало. |
Подробно рассказывается |
о полупроводниках кремнии н германии, причинах возникновения полу проводниковых свойств, использовании этих свойств в выпрямителях переменного тока, для преобразования световой и других видов энер гии непосредственно в электрическую и т. д. Привлечение большого иллюстративного, материала делает книгу занимательной.
60601-472 |
168-74 |
540 |
|
103(03)-74 |
|||
|
|
(2) Издательство «Просвещение», 1974 г.
ВВЕДЕНИЕ
Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева — углерод, кремний, германий, олово,
свинец, титан, цирконий и гафний — пожалуй, самые ин тересные и своеобразные по своим физическим и химиче ским свойствам. Объясняется это тем, что они занимают серединную часть периодической системы Д. И. Менделе ева и находятся на границе между металлами и неметал лами. Поэтому большинство этих элементов включают в себя свойства металлов и неметаллов.
История науки не знает имен первооткрывателей лишь десяти элементов из 105. И характерно, что в числе этих десяти элементов три из IV группы — углерод, оло во и свинец. Их применяют с доисторических времен.
Элементы IV группы с каждым годом все шире ис пользуют во многих отраслях народного хозяйства. Без них нельзя создать телевизор, транзисторный радиопри емник, космический корабль. Ракетостроение, радио электроника, космонавтика, атомная и другие области новой техники были бы невозможны без элементов этой группы.
Многочисленные соединения углерода входят в состав живых организмов и живой природы. Пластмассы, синте тические каучуки, кожа, волокна, красители и лекарства, моющие средства и стимуляторы роста — все многообра зие органических веществ, созданных человеком, немыс лимо без углерода. Обширен и неорганический мир угле рода: уголь, сажа, кокс, графит и т. д. Графит — это не только грифели карандашей. Это и самое жаропрочное простое вещество. Ему не страшна температура в 4000°С. Реактивная техника применяет графит для изготовления рулей, работающих в зоне пламени сопла ракетного дви гателя, и некоторых деталей космических кораблей. Ши роко использует графит и атомная техника. Он замедляет и отражает действие электронов.
з
От 5 до 7% мировой добычи алмазов идет на изготов ление украшений и пополнение государственных и част ных сокровищниц. Но алмаз превосходит по твердости все известные природные вещества. Этим определяется применение алмаза для технических целей — бурение гор ных пород, обработка твердых сплавов, шлифовка и т. д.
В противоположность углероду кремний — основа не живой природы. Земная кора содержит 27,6% кремния в виде соединений. Природные соединения кремния исчис ляются многими сотнями. К ним относятся кварц, грани ты, полевые шпаты, сланцы, асбест, слюды и т. д. Основ ное место в жизни человека занимают, искусственные силикаты. Стекло, керамика и. цемент—вот далеко непол ный перечень основных искусственных силикатных мате риалов. Знакомство человека со стеклом —первым искус ственным силикатом — относят за 3500 лет до н. э. Сое динения кремния с углеродом (кремнийорганические соединения)—одни из самых распространенных элементо органических соединений, обладающих важными свойст вами — термостойкостью, водоотталкиванием, высокими диэлектрическими характеристиками и т. д.
Сочетание металлической и ковалентной связи приво дит к выявлению у элементов полупроводниковых свойств. Из 105 известных элементов кремний и германий наи более часто применяемые полупроводники. Описание их полупроводниковых свойств — тема необъятная. Из нескольких тысяч кремнийгерманиевых полупроводнико вых пластин состоит уникальный ядерный преобразова тель «Ромашка», предназначенный для превращения внутренней энергии в электрическую. В настоящее время не вызывает удивления применение полупроводников да же в детских игрушках.
Олово и свинец — наиболее древние металлы, извест ные человечеству много столетий. Более половины олова идет на изготовление белой жести—листового железа, по крытого оловом. Широкое применение находят различные сплавы олова (бронза, баббит и др.). Свинцовые аккуму ляторы используют в качестве источников тока. Показа тельно, например, что только за усовершенствование свинцовых аккумуляторов выдано более 20000 патентов. Свинец применяют и для защиты от у-излучения, для хра нения радиоактивных изотопов.
Титан, цирконий и гафний стали широко применяться только последние 20 лег. Но без них немыслимы такие со
4
временные отрасли промышленности, как ракетная и ядерная техника, освоение космоса. Титан и цирконий—. тугоплавкие металлы. Сплав титана с никелем имеет уни кальные свойства: он преобразует внутреннюю энергию кристалла сплава в механическую. При нагревании де тали из никелида титана ей придают требуемую форму. После охлаждения деталь можно как угодно деформиро вать. Деформированная, даже сплющенная деталь при повторном нагревании принимает первоначальную фор му— редкий эффект «металлической памяти». Наиболее важной областью применения гафния является ядерная техника. Он хорошо поглощает нейтроны, препятствуя распространению цепной реакции в атомном реакторе. Это свойство используется при 'изготовлении регулирую щих стержней.
Прочитав эту книгу, вы узнаете много нового о полу чении, свойствах и применении элементов IV группы.
Г л а в а I. |
СОДЕРЖ АНИЕ |
|
ЭЛЕМЕНТОВ |
|
IV ГРУППЫ В ЗЕМНОЙ |
|
КОРЕ И ФОРМЫ ИХ |
|
НАХОЖ ДЕНИЯ |
ВПРИРОДЕ
1.СОДЕРЖАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ
При расчетах содержания элементов периодической системы Д. И. Менделеева в твердой оболочке земно
го шара—литосфере-—учитывается только та часть зем ной коры, которая доступна химическому исследованию. Химическому исследованию доступен поверхностный слой глубиной приблизительно до 16 км.
По фамилии ученого Кларка, который в 1889 г. впер вые произвел подсчет содержания десяти главнейших элементов в земной коре, числа, выражающие среднее со держание данного химического элемента в твердой обо лочке, называют кларками. Их выражают в процентах от
массы земной коры. |
Среднее содержание |
элементов |
IV группы периодической системы в земной коре приве |
||
дено в таблице 1. |
|
|
|
Т а б л и ц а 1 |
|
Среднее содержание элементов IV группы в земной коре |
||
Элемент |
Содержание, |
в % |
Углерод |
0,1 |
|
Кремний |
27,6 |
|
Германий |
7-10—1 |
|
Олово |
4 -10~2 |
|
Свинец |
1,6-КГ3 |
|
Титан |
0,63 |
|
Цирконий |
2-10—2 |
|
Гафний |
3,2-IQ- 4 |
6
Элементы IV группы составляют 2/7 части земной ко ры. На долю кремния приходится 27,6%. Он занимает второе место после кислорода (-,'--50%). Содержание ос тальных восьми элементов IV группы составляет менее 1%. Наиболее распространен титан. Количество титана в твердой оболочке Земли во много раз превышает содер жание всех элементов IV группы без кремния и углерода, а также суммарные запасы цинка и меди вместе взятых. Углерода в земной коре имеется всего 0,1 %• Это незначи тельная величина. МалоЪ содержание углерода в земной коре характеризует преобладание неорганической приро ды по сравнению с органической жизнью на Земле.
Академик А. Е. Ферсман ввел понятие об атомном процентном содержании элементов. Это количество ато мов данного элемента, выраженное в процентах. Приве дем пример, поясняющий различие между процентом от массы элемента и атомными процентами. Например, в СаСОз по массе 12% углерода, а по количеству атомов углерод составляет 20%, так как 5 атомов, имеющихся в молекуле, составляют 100%- Для одного и того же эле мента процент от массы и атомные проценты в природе различны. Например, по проценту от массы водород сре ди элементов занимает девятое место. Если же подсчи тать содержание водорода в атомных процентах, то он будет занимать четвертое место.
Сравнительная доступность элементов является мери лом их «редкости». Эта величина не постоянная. Титан, совсем недавно считавшийся малодоступным и редким, стал хорошо известным и доступным. Элементы IV груп пы (цирконий и гафний) чрезвычайно рассеяны в земной коре и поэтому считаются в настоящее время редкими элементами. Но меняется роль и место редких элементов в современной технике и промышленности, и с каждым годом уменьшается число элементов, ранее считавшихся редкими.
2. НАХОЖДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ
Углерод
Углерод один из широко распространенных химиче ских элементов, основа всего живого на Земле. Он явля ется основным элементом многочисленного и разнообраз-
7
ного класса органических соединений. (В настоящее вре мя число органических соединений превышает 3 млн., в то время как все остальные 104 элемента периодической системы образуют около 100 тыс. неорганических соеди нений.) Углерод, единственный из элементов IV группы периодической системы, встречается в свободном состоя-
'нии в виде алмаза и графита. В СССР главную массу до бычи алмазов составляют месторождения Урала и осо бенно Якутии. Самый крупный алмаз Якутии, вошедший
всокровищницу Алмазного фонда СССР, найден в 1968 г. Алмаз получил название «Сталинградский» в честь 25-ле- тия великой победы на Волге. Его масса составляет 166 каратов (карат —200 мг). Начиная с XVIII в. во всем ми ре добыто 700 млн. каратов природных алмазов. В 1969 г.
во всем мире добыто 40 млн. каратов. В отличие от ред ко встречающихся алмазов, графит в природе образует мощные залежи. В СССР залежи графита находятся в Бурятской АССР, на Украине и в других местах.
Соединения углерода, входящие в состав живых орга низмов и растений, образовали в течение многих геологи ческих 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 тонн. Тол щина угольного пласта в разрезе иногда 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%. В 1972 г. в СССР добыча угля составила 655 млн. т, а до быча нефти — 394 млн. т.
Более распространен углерод в виде соединений, являясь составной частью многих минералов. Важнейшие из них — карбонаты кальция (известняк, мел, мрамор — СаСОз), карбонат магния (магнезит MgCOs), карбонат натрия (сода ИагСОз). Другими распространенными ми нералами являются доломит MgCCVСаСОз, железный шпат FeC03, цинковый шпат ZnCOs и др.
В атмосфере углерод находится в виде оксида углеро да СОг. Содержание этого оксида в сухом воздухе незна чительно и составляет приблизительно .0,03 объемных процента. Интересно, что атмосфера планеты Венера на 97% состоит из оксида углерода (IV). Это было впервые установлено при полете автоматической станции «Вене
8
ра-4» и уточнено впоследствии автоматическими станция ми «Венера-5», и «Венера-6». Есть оксид углерода СОг и в атмосфере Марса. Углерод присутствует во всех метео ритах в виде Карбида железа ЕезС, графита и черного углеродистого вещества. В некоторых метеоритах его со держание достигает 10%. В метеоритах находят также, хотя и очень редко, алмазы.
Кремний
Кремний является самым распространенным химиче ским элементом неживой природы. Это элемент, который входиI в большинство минералов и горных пород, состав ляющих твердую оболочку земной коры. В природе в сво бодном состоянии кремний не встречается.
Наиболее широко распространенные соединения крем ния— оксид кремния Si02 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами.
Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соеди нения сложены целые горы. Попадаются очень крупные; массой до 40 т, кристаллы кварца. Обычный песок состо ит из мелкого кварца, загрязненного различными приме сями. Ежегодное мировое потребление песка достигает
300 млн. т.
Из силикатов наиболее широко в природе распростра нены алюмосиликаты (каолин Al203-2Si0 2-2H20, асбест
Ca0 -3Mg0 -4Si02, ортоклаз КгО-А120 3-65Ю2 и др.).
Если в состав минерала кроме оксидов кремния и алюми ния входят оксиды натрия, калия или кальция, то мине рал носит название полевого шпата (белая слюда КгО-ЗАЬОз-бЭЮг^НгО и др.). На долю полевых шпатов приходится около половины известных в природе силика тов. Горные породы гранит и гнейс включают кварц, слюду, полевой шпат.
В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительном количестве. Его содержат стеб ли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих расте ний. Панцири инфузорий, тела губок, яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза так же содержат кремний.
Анализ образцов лунного грунта, доставленных кос мическими кораблями «Аполлон-14», «Аполлон-12», «Лу-
9