•   Сделать стартовой   •   Добавить в избранное   •   Сегодня
Лекции  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  

Скачать  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  
  Добро пожаловать на наш информационный ресурс!  

Тема 6

Современная химия
или
Чем определяются свойства материалов?

Ограниченность курса «Концепции современного естествознания» не позволяет остановиться подробно на всем многообразии химических подходов и задач, поэтому сосредоточимся лишь на одной из основных проблем – синтезе (получении) веществ с заданными свойствами. Для решения этого вопроса необходимо разобраться в том, какие основные факторы определяют свойства вещества.


Долгое время считалось, что свойства материалов определяются, главным образом, частицами (атомами), из которых состоят тела.
Но затем стало ясно, что хотя вода и лед состоят из одних элеентов, свойства их очень различаются, и это связано с тем, как эти отдельные атомы расположены в пространстве. Было введено понятие о трех агрегатных состояниях вещества.
Но затем стало ясно, что необходимо знать и "способ приготвления" материала. Например - дамасская сталь, способ изготовления которой был утерян, или железная колонна в Дели, которая стоит уже сотни лет и не ржавеет.



Современные технологии позволяют получать "металлическое стекло" (аморфную сталь), или материалы с "памятью".
Сегодня ученые обращают внимание на необычные свойства материалов, полученных природой - например, очень крепкие нити паутины или очень надежные архитектурные коралловые постройки. Поэтому современная химия пытается раскрыть эти эволюционные тайны.

Начнем более подробное обсуждение вышеозвученных положений. В основе всех подходов - частицы материалов, или, выражаясь научно - химические элементы.

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Но химческий элемент по разному проявляет себя в различных соединениях:
Например, водород
H2, - газ, HCl- соляная кислота, H2O - вода.

Ясно, что мы должны вспомнить все, что знаем об атомах.


Напомним, что очень важную роль играют изотопы химических элементов.

 

Изотопы урана Протоны Нейтроны В земной коре, %
U92234 92 132 0.0057
U92238 92 146 99.27
U92235 92 143 0.72


Атомы можно упорядочить, например, как это показано ниже.

Водород Z=1, 1 электрон
Гелий Z=2, 2 электрона - заполненная оболочка, инертный газ
Литий Z=3, 3 электрона, из них 2 электрона на первой оболочке, 1 электрон на второй (внешней) оболочке, активный металл.
Бериллий Z=4, 4 электрона (2+2)
Бор Z=5, 5 электронов (2+2+1) и т.д.

Но в ХIX веке гений Менделеева позволил расположить 62 известных элемента в виде периодической таблицы



Периодическая система в своем первом варианте просто отражала существующее в природе положение дел. Как и в случае с кеплеровскими законами движения планет, таблица никак не объясняла, почему это должно быть именно так.

1930-е годы - известно 92 элемента (до урана)

Середина 1990 годов - открыто 109 элементов
(были открыты тяжелые трансурановые элементы, которые живут очень короткое время. Названия этим элементам даются в честь великих ученых: 102 элемент - нобелий, 103 - лоуренсий, 104 - курчатовий, 105 - жолиотий, 106 - резерфордий, 107 - борий, 108 - ганий, 109 - мейтнерий).
В 1999г. - открытие 114 элемента.
На сегодня известно 118 элементов


Только с появлением квантовой механики и, в особенности, принципа запрета Паули стал понятен истинный смысл расположения элементов в периодической таблице. Сегодня мы смотрим на периодическую таблицу с точки зрения того, как электроны заполняют электронные слои в атоме. Химические свойства атома (то есть то, какого рода связи будут образованы с другими атомами) определяются числом электронов в наружном слое. Так, у водорода и лития только по одному внешнему электрону, поэтому в химических реакциях они ведут себя похоже. В свою очередь, гелий и неон оба имеют заполненные внешние оболочки, и тоже ведут себя похоже, но совершенно не так, как водород и литий.

Химические элементы вплоть до урана (содержит 92 протона и 92 электрона) встречаются в природе. Начиная с номера 93 идут искусственные элементы, созданные в лаборатории. Пока самый большой заявленный учеными номер — 118. Сколько всего может быть элементов? - некоторые оценки дают цифру - 184.

От элементов перейдем к химическим соединениям.

Химическое соединение - это вещество, состоящее из атомов одного или нескольких сортов, которые объединены в частицы - молекулы, комплексы, кристаллы или иные агрегаты.
 

Химическая связь обусловлена обменным взаимодействием электронов (обобщение валентных электронов). Различают четыре вида химической связи:

  1. Ионная связь
  2. Ковалентная связь
  3. Металлическая связь
  4. Водородная связь

Структура или атомное строение тел. Различные состояния вещества.

Пять основных состояния вещества: плазменное, газообразное, жидкое, твердое и конденсат. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше 0.1 К (!!!).

 

Покажем, как структура (расположение атомов в пространстве) химического соединения кардинальным образом меняет свойства материала.
Рассмотрим простой одноатомный материал - углерод.

  1. Сажа - аморфный углерод в виде порошка, электрический изолятор.
  2. Графит - мягкий кристаллический материал.
    Графит очень хороший проводник электричества
  3. Алмаз - самый твердый кристаллический материал.

  4. Фуллерены - новый тип углерода.
  5. Графитовые нанотрубки - новый тип углерода.
  6. Нобелевская премия в области физики 2010 года присуждена за эксперименты по исследованию двумерного материала графена. Графен - это один отдельный слой хорошо известного графита. Графен самый тонкий и самый прочный из известных материалов, с другой стороны он очень гибок, способен проявлять свойств как проводника (вспомним графит), так и полупроводника.

Новые подходы к синтезу новых материалов

  • Организация химических процессов в производстве материалов

    • Катализаторы

    • Криохимия (синтез материалов при низких температурах жидкого азота)

    • Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких материалов (основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде, кремнии).

    • Наноматериалы- размер 10-100 нм (1 нм=10-9м)

    • Аморфные металлы - металлическое стекло с особыми физическими свойствами.

  • Сверхпроводники

    • В последние 10 лет были синтезированы новые керамические материалы, у которых сверхпроводимость наблюдается при достаточно высоких температурах: в La2-xBaxCuO4 - при 40К, в YBa2Cu3O7 - при 90К, в Tl2Ba2Ca2Cu3O10 - при 125К.

  • Твердые электролиты

    • Проводники 1 и 2 рода: электронные проводники и растворы электролитов соответственно.

    • Кристаллические соединения с особой структурой. К этим соединениям относятся AgI, Ag4RbI5, Li3N, Li3Fe2(PO4)3, Na-b-Al2O3.

Новая эволюционная химия - подражание живой природе. Например, по принципу ферментов будут созданы катализаторы, намного эффективнее имеющихся, или построены преобразователи (с большим КПД) солнечного света в химическую и электрическую энергию, как это делают живые организмы.

Как смоделировать материал и выяснить, какими свойствами обладает данный материал?

Метод молекулярной динамики Позволяет смоделировать поведение систем из нескольких тысяч атомов. В качестве приера покзано движение ионов серебра бромистом серебре



Здесь можно посмотреть движение атомов в кристалле AgBr. 

Очевидно, что задачи получения новых материалов очень сложны и объединяют различные стороны человеческой деятельности


Спасибо, что ознакомились с еще одной интересной темой. Теперь стало ясно, что можно залезть по этим ступеням к вершинам знаний.

  Наверх

Дополнительные материалы  

Тема 6

"Электрические кристаллы"- С.А.Гриднев.

"Квазикристаллы" - Ю.Х.Векилов.

Американские ученые открыли шестое состояние вещества.

"Необычные кристаллы или загадочные жидкости" В.П. Шибаев.

"Нитинол" - С.М.Комаров.

Новые сверхпроводящие керамики.

117 элемент.

"Фотоэлектрическое преобразование солнечной системы" - В.М. Андреев.

"ФУЛЛЕРИТ - НОВАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА" - И.В.Золотухин.

kuznecov

Аллотропия углерода

За краем таблицы

Зеленая_химия

Конденсат Бозе

Криохимия

КТО ПРИДУМЫВАЕТ НАЗВАНИЯ НОВЫМ ЭЛЕМЕНТАМ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА

Окружающий нас мир состоит из 92 элементов

Термодинамические состояния_конденсат

Учёные впервые запечатлели анатомию молекулы

Фермионный конденсат

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА- Фуллеренод

Шестое воплощение физической реальности

"Шестое состояние вещества - это посильнее пятого чувства".



 


kaplya@softhome.net