|
Реферат: Становление понятий о химическом элементе (Химия)
Становление понятий о химическом элементе.
Теоретические представления о химических явлениях рассматривались в курсе
философии в свете общих представлений о возникновении и исчезновении
веществ. Эксперементальной же работой в области химии занимались
многочисленные аптекари и алхимики. Последние, делая опыты по “трасмутации”
металлов, не только открывали новые способы получения различных веществ, но
и развивали натурфилософские учения древнегреческих философов Аристотеля,
Эмпедокла, Левкиппа, Демокрита. Согласно этим учениям, все вещества в
природе состоят из более простых частей, называемых элементами. Такими
элементами по Левкиппу и Демокриту были атомы - мельчайшие частицы
бескачественной первичной материи, различной только по величене и форме.
В эпоху эллинизма возникло учение о “трансмутации” (превращении), согласно
которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещества с иными
свойствами. Это учение было развито Парацельсом. Подобно алхимикам,
Парацельс исходил из представления, что все вещества состоят из элементов,
способных соединяться друг с другом. При разложении веществ элементы
разъединяются. Но в отличии от алхимиков Парацельс подчеркнул вещественный
характер трех начал: “серы” - начала горючести, “ртуть” - начала липучести,
“соли” - начала огнепостоянства.
Учение о ртути, сере и соли как начала, образующих все тела, содержится в
сочинениях неизвестного автора, труды которого появлялись под псевдонимом
“Василий Валентин”, и получили большое распространение в 16 веке.
Доказательства этого учения Парацельс видел в горении древесины. Он писал:
“ Чтобы испытать это, возьми сначала дерево: это будет тело. Сожги его,
тогда то, что будет гореть, - это сера, то, что будет дымить, - меркурий (
ртуть), а то, что останется золой, - соль”.
Считая,что каждый из четырех элементов Аристотеля должен состоять из этих
трех начал, Парацельс писал: “ Каждый элемент состоит из трех начал: ртути,
серы и соли.”
Роберт Боиль
Боиль жил в эпоху великих общественных и духовных преобразований. Однако
несмотря на сильные религиозные тенденции, Бойль научными работами
расчистил путь механистическому материализму в естествознании. На основании
экспериментальных результатов Бойль в первую очередь выступил против учения
о трех началах и четырех элементах как основе всех веществ. По его мнению,
элементом следует считать вещество, которое не имеет составных частей и не
может быть разложено. Этот критерий Бойль принял для определения
химического элемента в значительной мере потому, что в то время считалось,
что вещества, не изменяющиеся при обжиге можно назвать элементами.
Бойль доказал также, что вещества, которые он анализировал, вовсе не
распадаются на три или четыре более простых вещества, как, например, золото
или стекло. Из некоторых веществ могут выделяться простые “тела” в
количестве, большем чем три или четыри, причем их химические свойства такие
же, как у элементов.
Михаил Васильевич Ломоносов.
Он принадлежит к числу первых ученых, изучивших количественно химические
процессы при помощи взвешивания.
Ломоносов обратил внимание на увеличение веса металлов после обжигания на
воздухе. Он считал сомнительным вывод Бойля о том, что это увеличение веса
вызвано присоединением “тепловых материй”. Уже в 1744 году Ломоносов писал:
“если бы теплотворная материя приставала к известям, то сами извести,
вынутые из огня, оставались бы горячими. Следовательно, эта материя либо к
ним не пристает, либо пристающая материя - не теплотворная”. В 1748 году он
писал Эйлеру:”...нет никакого сомнения, что частицы из воздуха, непрерывно
текущего на кальцинируемое тело,смешиваются с последним и увеличивают его
вес”.
Антуан Лоран Лавуазье.
Вслед за Ломоносовым Лавуазье пришел к выводу, что такое увеличение массы
металлов должно быть связано с поглощением воздуха. Лавуазье в 1787 году
предложил новую рациональную номенклотуру химических соединений, созданную
им вместе со знаменитыми французскими химиками К. Бертолле, А. Фуркруа и Л.
Гитоном де Морво. В докладе Парижской Академии наук Авторы подчеркивали:”В
соответствии с предложенной нами программой мы обратили особое внимание на
наименования простых тел, поскольку названия сложных тел должны получаться
из названия простых.” В своей новой химической системе Лавуазье впервые
разделил вещества на химические элементы (среди которых он выделил металлы
и неметаллы,а также два “невесомых флюида” -свет и теплород и, кроме того,
так называемые “земли”: известь CaO, магнезит MgO, барит BaO, глинозем
Al2O3, кремнезем SiO2.Лавуазье подозревал сложность состава этих веществ,
но в то время они еще не были разложены, и поэтому ученый причислял их к
элементам.) и химические соединения. Таким образом, Лавуазье
систематизировал совокупность химических знаний в рамках созданной им общей
теории.
Джон Дальтон.
Дальтон развил в своих исследованиях представления Ньютона, изложенные в
его работе “Математические начала натуральной философии”, опубликованной в
1687 году. Ньютон показал, что газ состоит из мельчайших материальных
частичек, силы отталкивания между которыми растут пропорционально
уменьшению расстояния между ними. Дальтон считал, что отталкивание
происходит только между частицами определенного вида газа, в то время как
частицы других видов газов не должны отталкиваться.
Дальтон показал, что эти мельчайшие частицы растворяются не только в фазе,
где существуют два газа, но и в системе, образованной газом и жидкостью.
Растворимость различных газов в воде он объяснял таким образом:”Эта разница
тесно связана с тяжестью, весом и числом мельчайших частиц в различных
газах. Подвижность более легких и меньших по размерам частиц падает.
Рассмотрение роли относительной тяжести мельчайших частичек тел, насколько
я знаю, является совершенно новым предметом исследования. Я начал недавно
эти работы и достиг некоторых успехов .”
Результаты своих определений весов мельчайших частиц Дальтон обобщил в 1803
году в таблице, озаглавленной “Соотношения весов мельчайших частиц
газообразных и других тел”. Приняв за еденицу атомную массу водорода,
Дальтон определил относительные атомные массы азота (4), углерода (4,5),
кислорода (5,66), серы (17), воды (6,66) и других веществ.
Дальтон пользовался атомной теорией как основой для новой химической
символики.
Хотя сделанные Дальтоном определения атомных весов были недостаточно
точными, разработанная английским ученым атомистическая теория внесла в
химию первые ясные представления о строении элементов и их соединений и
позволила количественно объяснить и предвидеть химические явления,
отчетливо показала важность теоретических построений для развития
экспериментальных химических исследованний. Большинство химиков тотчас
восприняли основные положения теории Дальтона и стали развивать их.
Йенс Якоб Берцелиус.
Особенно большое значение имели работы шведского химика Берцелиуса, который
дал более точные определения атомных масс. Уже до Берцелиуса Дальтон
пользовался атомной теорией для новой химической символики. Дальтон
отбросил использующиеся в то время химические знаки, которые не отражали
количественного состава соединений, и предложил для каждого элемента
символ, обозначающий его атом. Состав соединения он изображал соположением
символов атомов, из которых оно состоит. Однако, формулы, предложенные
Дальтоном, не всегда давали представление об истинном числе атомов,
образующих соединение: количественный элементарный анализ позволял ученому
лишь судить об относительных массах элементов, входящих в состав
соединения. Атомистическая теория Дальтона показала важность теоретических
построений для развития экспериментальных химических исследований.
Берцелиус с большим успехом применил закон Гей-Люссака для определения
состава и количественных характеристик многих элементов и соединений. Со
времени публикации своих первых работ Берцелиус поддерживал тесные личные
связи с химиками во многих странах, что помогало ему создать четкое
представление о мировом уровне разработки научных проблем.
Наиболее важным вкладом Берцелиуса в развитие химии являются разработка
атомистической теории Дальтона и подтверждение законов постоянных и кратных
отношений фундаментально проведенными анализами: анализу были подвергнуты
2000 соединений, образованных 43 элементами. Результатом работ было
усовершенствование старых и создание новых методов анализа, изобретение
новых приборов, развитие техники лабораторных работ.
Одним из наиболее значительных научных достижений Берцелиуса было создание
им таблицы атомных масс. Существенную помощь при этом ему оказал закон
объемных отношений газов, установленный Гей-Люссаком. Значение этого закона
Берцелиус понял сразу же после ознакомления с работой французского ученого,
относящейся к 1808.
Первую таблицу атомных масс Берцелиус опубликовал в 1814 году. В отличии от
Дальтона Берцелиус принял за основу для расчетов атомную массу кислорода.,
а не водорода. Атомную массу шведский ученый принял равной 100. Ж. С. Стас
впоследствии пересчитал атомные массы элементов, приняв атомную массу
кислорода равной 16. С 1818 г. по 1826 г. Берцелиус несколько раз исправлял
значения атомных масс, используя открытые в 1819 г. Законы изоморфизма
Мичерлиха и атомных теплоемкостей Дюлонга и А.Пти.
В результате этих исследований Берцелиус значительно уточнил величины
атомных величин, определенные Дальтоном. Тем самым были созданы предпосылки
систематизации элементов на основе их атомных масс. Эти тщательно
выполненные исследования позволили Берцелиусу сделать атомистическую модель
основой химии.
Экспериментальные работы, поведенные во второй половине 19 - начале 19 вв.
Б.Франклином, Л.Гальвани, А.Вольтой и другими исследователями, привлекли
внимание естествоиспытателей и филисофов к электрическим процессам.
Результаты этих работ и выводы из них побудили Берцелиуса к разработке
электрохимической теории. Приняв за основу электрохимические положения
Дэви, Берцелиус считал причиной соединения элементов в определенном
отношении электрическую полярность атомов. Учение об электричестве
похволило дать простое объяснение природе, например, такого
распространенного в химии явления, как образования солей. Оказалось, что с
суть этого явления заключается во взаимной нейтрализации положительных и
отрицательных зарядов мельчайших частичек вещества. На основе разработанной
им теории Берцелиус сделал принципиально важный вывод: все химические
элементы состоят из отрицательных и положительных веществ. Созданная на
основе этих представлений дуалистическая модель явилась попыткой
рассмотреть химическое родство как стремление к уравниванию различных
электрических полярностей атомов или их групп. Тем самым развивались
представления Дэви, что существует определенная причинная обусловленность
явлений химического сходства и электрических процессов. Однако,
ограниченность дуалистических процессов мешала химикам понять механизм
превращений, протекающих иначе, чем образование солей. Так,
электрохимическая теория Берцелиуса затруднила признание гипотезы Авогадро,
имеющей большую область применения в химии. При помощи дуалистических
представлений нельзя было объяснить многоатомность молекул газообразных
простых веществ.
Существенное значение для превращения химии в точную науку имело
усовершенствование Берцелиусом химической номенклатуры и создание им
символики, близкой к современным обозначениям элементов и их соединений.
Она заменила символику Дальтона, в которой чувствовалось влияние
алхимических знаков. Для обозначения химических элементов Берцелиус
предложил применять начальные буквы их латинских названий.
Исходя из своей электромеханической теории Берцелиус предложил принцип
наименования соединений, состоящих из положительных элементов и
отрицательных частей. Например, сульфат меди он рассматривал как
сернокислый оксид меди (CuO SO3). В своей химической символике Берцелиус
хотел отобразить соотношение элементов в соединениях. Уже в 1815г. он
объяснил, что произведенные им формулы должны также “облегчать выражение
отношений в химических соединениях... чтобы можно было бы однозначно
отобразить относительные массы соединяющих частиц в каждом теле. Если мы
будем знать массу элементарной частицы, эти формулы... должны нам
позволитьь выразить результаты количественного анализа таким же простым и
легким для изображения способом, как это позволяют делать алгебраические
формулы в механике.
Созданный Берцелиусом “химический язык” позволил простым и наглядным
способом сопоставить особенности химических явлений с составом
взаимодействующих молекул. Тем самым этот “язык” в значительной мере
способствовал взаимопониманию химиков разных стран и укреплению их научных
контактов.
В результате своих работ Берцелиус открыл несколько новых элементов. Так,
вместе с Хизингером Берцелиус открыл элемент церий, который тогда же
независимо от шведских ученых обнаружил Клапрот. Берцелиус выделил из шлака
свинцовых камер неизвестный доселе элемент - селен. Берцелиус открыл в
минерале, найденном в Норвегии, элемент торий. Вместе со своим учеником
Н.Г.Сефстерёмом Берцелиус обнаружил новый элемент ванадий. Впоследствии
Берцелиусу удалось получить элементы, оксиды которых уже были известны:
кремний, цирконий, титан, тантал.
Будучи одним из лучших знатоков химии своего времени Берцелиус объяснил с
единой точки зрения многие факты и понятия, ранее казавшиеся не связанными
друг с другом. Так, даже горные породы и минералы ы подаренной ему
коллекции Берцелиус расположил не в соответствии с общепринятой тогда
кристаллографической систематизацией Р.Ж.Аюи, а по их химическому составу.
Создание новых основных понятий, таких, как изомерия и полимерия,
значительное совершенствование химической символики и номенклатуры,
обширная литературная деятельность Берцелиуса, несмотря на то, что он
упорно придерживался дуалистических электрохимических представлений,
оказала существенное влияние на развитие современной химии.
Иоганн Вольфганг Дёберейнер
Деберейнер изучал химические явления с точки зрения материалистических
позиций, исходя из положений атомистической теории. Методологической
основой своих работ немецкий химик избрал теорию познания философа Фрэнсиса
Бэкона, которого Карл Маркс называл “подлинным родоначальником английского
материализма и всей современной экспериментальной науки”.
После того, как И.Б.Рихтер в 1792г. потерпел неудачу в систематезации
элементов, лишь Деберейнеу удалось в 1817 и 1829 гг. Установить
закономерностиизменения свойств элементов. В первые тридцать лет XIX в.
Было открыто значительное число химических элементов. В товремя, когда
Деберейнер стал профессором Йенского университета, было известно уже более
40 химических элементов и гораздо больше химических соединений. После того,
как Лавуазье разработал кислородную теорию, вещества стали классифицировать
по их характерным качественным признакам. После признания теории Дальтона
появилась возможность посмотреть также количественные отношения элементов.
Эти работы создали предпосылки для изучения характера связи между
свойствами различных химических элементов. Так, стремление Деберейнера
изучить принципы систематезации химических элементов отвечало насущным
проблемам химии того времени.
Деберейнер сгруппировал многие элементы и соединения различных классов по
их аналогичным свойствам, разделив их на группы по 3 члена. Немецкий ученый
распределил элементы по “триадам”, в которых разности 2-х химических
элементов примерно постоянны и равны. В своих превых работах автор опирался
на изучение плотностей и атомных масс щелочноземельных металлов и в 1817г.
составил превую триаду: калий стронций, барий.Получив поддержку Берцелиуса
Деберейнер распространил этот принцим и на другие элементы.
Деберейнер стремился решать вопросы не путем отвлеченных рассуждений, а на
основании сопоставления атомных масс, для чего ребовались обширные
экспериментальные работы.
Работы Деберейнера по систематизации элементов вначале не привлекали к себе
достаточного внимания ученых.
Особенной заслугой Деберейнера было то, что он первым обнаружил
количественные отношения свойств химически близких элементов. Эти работы
подготовили почву для создания Д.И.Менделеевым и Л.Мейером периодической
системы элементов.
Эйльгард Мичерлих.
В своих экспериментальных работах Э.Мичерлих обращал собое внимание на
точность измерений, взвешивания и определения плотности веществ. Для более
точных экспериментов он разработал необходимые приборы. Так, по эскизу
Мичерлиха в мастерской при лаборатории был изготовлен говнометр. За 45 лет
нучной деятельности Мичерлих провел исследования в различных областях
естествознания. Им были выполнены физико-химические работы, исследования по
неорганической химии, органической химии, в области физиологии, а также
геологии.
Значительным событием в развитии химии было открытие Мичерлихом явления
изоморфизма. Исследуя фосфаты и арсенаты, Мичерлих обнаружил, что “вещества
различной химической природы во многих случаях могут обнаруживать
одинаковые или блтзкие кристаллические формы”. На основании последующих
исследований, Мичерлих пришел к выводу, что: “Равному числу атомов, если
они соединены одинаковым образом, присущи одинаковые кристаллические формы,
эта кристаллическая форма определяется не только природой атомов, но и
также их число и способом соединения”.
Согласно закону, установленному Мичерлихом, образование смешанных
кристаллов (изоморфных смесей) двумя соединениями возможно лишь тогда,
когда они имеют аналогичный состав. И наоборот, из существования
изоморфизма можно сказать, что закристаллизировавшиеся вместе вещества
аналогичны по составу. Поскольку массы изоморфных соединений, образованных
из элементов, относятся как атомные массы образовавших их элементов,
Мичерлих создал способ определения истинных значений атомных масс из данных
анализа веществ. Благодаря этому закону удалось с максимальной точностью
установить атомные массы веществ.
Исследовательская и преподавательская деятельность Мичерлиха в первой
половине XIX века заложила фундамент для быстрого развития химии, делавшей
в то время только первые робкие шаги.
Лотар Мейер.
Попытки систематезации многочисленных известных элементов и соединений,
начатые Деберейнером, продолжили многие известные химики. Б.Шанкартуа
расположил элементы в порядке возрастающих атомных масс по винтовой линии
на поверзности циллиндра. В 1857г. У.Олдинг опубликовал таблицу, в которой
элементы также были расположены по возрастанию их атомных масс. В 1863-
1865гг. Дж. Ньюлендс попытался установить закономерность взаимного
расположения атомов, и на этой основе опубликовал таблицу элементов.
Решающий вопрос в создании системы элементов был достигнут в 1869-1870 гг.,
когда Менделеев и Лотар Мейер независимо друг от друга опубликовали таблицу
химических элементов. Так была решена проблема систематизации элементов.
В 1860 г. Лотар Мейер принял участие в конгрессе химиков в Карлсруэ,
накотором обсуждались дефиниции - определения основных понятий химии.
Ведущим докладчиком, защищавшим важнейшие положения атомно-молекулярной
теории, был итальянский химик С.Канниццаро. ОН наглядно показал различие
между “атомной массой” и “массой эквивалентом”, между понятиями атом и
молекула и упорно защишал теорию Авогадро: в равных объемах различных
идеальных газов сдержится одинаковое число молекул. Хотя это положение было
сформулированно в 1811 году, но даже в 1860 многие ученые относились к нему
скептически. Изучив работы Авогадро Канницциаро смог исправить основные
противоречия. На Лотара Мейера положения Канницциаро произвели боьшое
впечатления, он писал: “... с глаз моих спала пелена, исчезли все сомнения.
Взамен появилось чувство спокойной уверенности”.
В это время Мейер занимался главным образом вопросами о структуре вещества.
Тем самым Мейер способствовал систематезации элементов.
В 1870г. появилась статья Мейера “О соотношении свойств с атомным весом
элементов”. Основанием для проведения Мейером систематезации элементов
явилось предположение об отношении между атомными массами и атомными
объемами, которые он изобразил в виде кривой, где атомные объемы являются
периодической функцией от атомных масс. В статье Мейер характеризовал эту
зависимость: “Правильно определив различные атомные веса можно в этой схеме
расположить все известные элементы”. Содержание этого отрывка показывает
общность взглядов Мейера и Менделеева, хотя Мейер был более осторожен в
своей формулировке.
Мейер расположил на кривой лишь известные элементы, не применяясвоих
результатов ни для исправления значений атомных масс, ни для предсказания
еще не открытых элементов. Вмете с Карлом Зейбертом Мейер в 1883г. вновь
расчитал атомные массы всех известных элементов. Мейер использовал
результаты для систематезации элементов, однако, как и другие немецкие
естествоиспытатели, Мейер не смог преодолеть ограниченности
механистического материализма. Поэтому он не обнаружил закономерности и
зависимости между составом и свойствами элементов. В отличии от Мейера
Менделеев на основании своих представлений сделал основополагающие выводы и
прогнозы.
Дмитрий Иванович Менделеев
Пребывание в Германии позволило Менделееву участвовать в уже ранее
упоминавшемся конгрессе химиков в Карлструэ. На него, как и на Лотара
Мейера, большое впечатление произвели работы Канницциаро. Позднее Менделеев
использовал его еонцепцию как необходимую и основополагающую посылку для
открытия периодического закона.
В 1869 году Менделеев опубликовал сообщения о систематезации известных
тогда элементов. В статье “Соотношения свойств с атомным весом элементов”
Менделеев впервые в истории естествознания привел систему элементов,
которая оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие
химии.Менделеев разместил элементы в порядке возрастания атомных масс. Он
использовал этот принцип , поскольку он проанализировал работы Дальтона по
установлению связи между количественными и качественными свойствами
веществ. Важнейшим из количественных свойств элементов в то время была
атомная масса.
Но Менделеев не рассматривал свойства элементов лишь как функцию от атомной
массы: таким критерием он считал диалектическую общность отношений
важнейших качественных и количественных характерных признаков элементов.
Такой материалистический диалектический анализ позволил Менделееву открыть
периодический закон. Он считал, что свойства элементов и их соединений
зависят от величины атомных масс элементов. Этот закон лег в основу
созданной им системы элементов.
Создание периодической системы жлементов, последовательное применение
периодического закона при изученииразличных веществ является главным
отличием работ Менделеева по систематизации элементов от аналогичных работ
других ученых. Доказывая генетические отношения между химическими
элементами Менделеев писал: “До периодического закона простые тела
представляли собой лишь отрывочные случайные явления природы”. Установление
периодического закона исключило случайность в изучении химических
элементов. Менделеев не только открыл закон и построил таблицу элементов,
но и способствовал устранению пробелов в таблице и улучшению ее.
Так, в 1871 г. Менделеев существенно уточнил атомные массы трети известных
элементов. Никто из соавторов закона, как стали впоследствии называть,
например, Шанкартуа, Ньюлендса, Л. Мейера, не мог на основании имеющихся
данных получить подобные результаты. Более того, они даже ставили под
сомнение закономерный характер периодического изменения свойств элементов,
сволочи буржуйские. Но Менделеев был твердо уверен, что он открыл закон
природы. Он писал: “Законы природы исключений не терпят и этим явно
отличаются от правил... Надобно что-либо одно - либо считать периодический
закон верным до конца, либо отвергнуть его”.
Уже в работе 1869 года обнаружилось стремление Менделеева прогнозировать
дальнейшее направление изучения периодичности, когда он писал: “Должно
ожидать открытий еще многих неизвестных тел, например сходных с Al или Si с
атомной массой”.
Позднее Менделеев уточнил эти предсказания и писал, например, что
экасилиций не может быть получен из EsO2 или EsK2F2 при действии натрия.
Водяной пар должен трудно разлагаться этим элементом, на кислоты экасилиций
должен действовать слабо, но сильнее, чем на основания. На людей экасицилий
оказывает необратимые воздействия: выпадают волосы, кожа сморщивается, все
тело покрывается прыщами, люди начинают бегать и орать: “Хочу сырого мяса”.
В 1886 году немец Клеменс Винклер открыл германий, свойства которого
прекрасно совпадали со свойствами предсказанного Менделеевым экасилиция.
Это открытие, а также открытие галлия в 1875 г., и стало подтверждением
периодического закона. В 1890 году заком получил всеобщее признание. Новые
знания о структуре атома, полученные в начале XX столетия, уточнили
периодический закон и позволили глубже понять его. А изобретение
телеграфных карточек к этому закону не имеет никакого отношения, но
значительно усложняет жизнь несчастным русским студентам при набивании
текстов.
С открытием закона химическая теория получила относительное завершение. Во
время классической химии основополагающими были три закона: закон
сохранения массы, закон постоянных отношений элементов в веществах и закон
Авогадро. Во второй половине ХIХ столетия химическая теория обогатилась еще
2-мя термодинамическими закономерностями: учением о строении органических
соединений и периодическим законом. Это позволило тупым химикам глубже
понять смысл процессов, сформулировать более точные представления о
протекании реакций. Научное рассмотрение производственных процессов
превратило химию в непосредственно производительную силу. Такому развитию
химия в немалой степени обязана Менделееву, Мейеру и А. Задорожному,
который сумел-таки за одну (!) ночь набить 6 страниц печатного текста,
внося огромный вклад в развитие химии как науки.
Тем не менее Менделеев не смог отказаться от устаревших представлений о
природе атомов и элементов, он скептически относился к новым воззрениям на
природу радиоактивности и электронным теориям. Но открытый им периодический
закон, все более обогащаясь и углубляясь, способствовал победе
прогрессивных взглядов в химии и физике, и способствовал избранию Б.Н.
Ельцина президентом РФ в 1991 г.
В 1955 году был синтезирован элемент с атомным весом 101, названный
менделеем.
Так были увековечены заслуги Менделеева - создателя периодической системы,
позволившей предсказать свойства неизвестных элементов и создать
предпосылки для открытия трансурановых элементов, к которым принадлежит
менделей.
Использованные ресурсы:
К.Хайтинг, “Биографии великих химиков”, Мир, 1981.
Приблизительно 3.4 часа работы Задорожного Александра.
10 листочков бумаги, использованных в качестве закладок.
Телефонная карточка, для ухудшения перелистоваемости страниц, что
значительно подпортило жисть уже упомянотому Задорожному Александру.
Дискета TDK, MF-2HD, for IBM/Dos, already formatted.
ВНИМАНИЕ!
Р.S. На меня иногда находило веселое настроение: перед распечатыванием
убедительно рекомендую прочитать все, что я там набил.
(Особенно последние пара страниц)
Реферат на тему: Стекло
Общеобразовательная школа №1248.
Реферат по химии на тему:
Стекло
Работа выполнена
Учеником 9-го класса
Новиковым Игорем.
Учитель:
Лукомская А. Ф.
Москва 2004 год
Общая характеристика стекла.
Стекло, твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения
расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния
в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых
температурных условиях кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании
подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из
твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному
состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и
кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с
твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической
симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность
к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты,
бораты и др.).
Стеклом называют также отдельные группы изделий из стекла, например
строительное стекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др.
Изделия из стекла могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или
окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового
и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д.
Наибольшее распространение получило неорганическое стекло,
характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др.
свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для
строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды
продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния
(силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные)
стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К
бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе
халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов бериллия
(BeFz) и т.д.По назначению различают: строительное стекло (оконное,
узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое
(кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.),
сортовое стекло и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие от ионизирующих
излучений, стекла индикаторов проникающей радиации, фотохромные стекла с
переменным светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерных
материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое стекло и др.
Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O и др. компоненты,
образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло); используется как
уплотняющее средство, например, для изготовления силикатных красок,
конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки
тканей, бумаги и пр. Химический состав некоторых видов стекла приведён в
таблице.
Физико-химические свойства стекла. Свойства стекла зависят от сочетания
входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла —
прозрачность (светопрозрачность оконного стекла 83—90%, а оптического
стекла — до 99,95%). Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к
механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у
стекла такое же, как у чугуна. Для повышения прочности стекло подвергают
упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором на поверхности стекла
происходит замена ионов, например натрия, на ионы лития или калия,
химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие
поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих на поверхности
стекла в результате воздействия окружающей среды (температура, влажность
и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет повысить
прочность стекла в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин
применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании
дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся
бездефектный слой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При
закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин.
Плотность стекла 2200—8000 кг/м3, твёрдость по минералогической шкале
4,5—7,5, микротвёрдость 4—10 Гн/м2, модуль упругости 50—85 Гн/м2. Предел
прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м2, при изгибе 30—90 Гн/м2, при
ударном изгибе 1,5—2 Гн/м2. Теплоёмкость стекла 0,3—1 кДж/кг - К,
термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0,56—12)
109 1/К. Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его
химического состава и равен 0,7—1,3 Вт/(м. К). Коэффициент преломления
1,4—2,2, электрическая проводимость 10-8—10-18 Ом -1. см1, диэлектрическая
проницаемость 3,8—16.
Технология стекла. Производство стекла состоит из следующих процессов:
подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения
стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической,
химической, механической). К главным компонентам относят стеклообразующие
вещества (природные, например SiO2, и искусственные, например Na2CO3),
содержащие основные (щелочные и щёлочноземельные) и кислотные окислы.
Главный компонент большинства промышленных стекол — кремнезём (кремния
двуокись), содержание которого в стекле составляет от 40 до 80% (по массе),
а в кварцевых и кварцоидных от 96 до 100%. В стекловарении обычно в
качестве источника кремнезёма используют кварцевые стекольные пески,
которые в случае необходимости обогащают. Сырьём, содержащим борный
ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозём вводится с полевыми
шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы — с кальцинированной содой и
поташом; щёлочноземельные окислы — с мелом, доломитом и т.п.
Вспомогательные компоненты — соединения, придающие то или иное свойство,
например окраску, ускоряющие процесс варки и т.д. Например, соединения
марганца, кобальта, хрома, никеля используются как красители, церия,
неодима, празеодима, мышьяка, сурьмы — как обесцвечиватели и окислители,
фтора, фосфора, олова, циркония — как глушители (вещества, вызывающие
интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид
натрия, сульфат и нитрат аммония и др. Все компоненты перед варкой
просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются, смешиваются до
полностью однородной порошкообразной шихты, которая подаётся в
стекловаренную печь. Процесс стекловарения условно разделяют на несколько
стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и
охлаждение («студку»). При нагревании шихты вначале испаряется
гигроскопическая и химически связанная вода. На стадии силикатообразования
происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой
фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся
конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере
повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь, друг в
друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество
газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается
при 1100—1200 °С. На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты, и
удаляется пена — расплав становится прозрачным; стадия совмещается с
конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1150—1200
°С. Собственно стеклообразованием называют процесс растворения остаточных
зёрен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется
относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных стеклах
содержится около 25% кремнезёма, химически не связанного в силикаты (только
такое стекло оказывается пригодным по своей химической стойкости для
практического использования). Стеклообразование протекает значительно
медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% от времени,
затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности
стекловарения. Обычная стекольная шихта содержит около 18% химически
связанных газов (СО2, SO2, O2 и др.). В процессе провара шихты эти газы в
основном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе, образуя крупные
и мелкие пузыри. На стадии осветления при длительной выдержке при
температуре 1500—1600 °С уменьшается степень перенасыщения стекломассы
газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются на
поверхность стекломассы, а малые растворяются в ней. Для ускорения
осветления в шихту вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение
стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными мешалками
или через неё пропускают сжатый воздух или др. газ. Одновременно с
осветлением идёт гомогенизация — усреднение стекломассы по составу.
Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохого
перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленности
диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из
стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки
и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее
интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании
(наибольшее распространение эта операция получила в производстве
оптического стекла). Последняя стадия стекловарения — охлаждение
стекломассы («студка») до вязкости, необходимой для формования, что
соответствует температуре 700—1000 °С. Главное требование при «студке» —
непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава и давления
газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газов образуется т.
н. вторичная мошка (мелкие пузыри). Процесс получения некоторых стекол
отличается специфическими особенностями. Например, плавка оптического
кварцевого стекла в электрических стекловаренных печах ведётся сначала в
вакууме, а в конце плавки — в атмосфере инертных газов под давлением.
Производство каждого типа стекла определяется технологической нормалью.
Формование изделий из стекломассы осуществляется механическим способом
(прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на
стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической
обработке (отжигу). В результате отжига (выдержки изделий при температуре,
близкой к температуре размягчения стекла) и последующего медленного
охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в стекле при
быстром охлаждении. В результате т. н. закалки в стекле возникают
остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую
прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения
в сравнении с обычным стеклом (закалённые стекла применяют для остекления
автомобилей, вагонов и т.п. целей).
Виды стекла.
Строительное стекло, изделия из стекла, применяемые для остекления световых
проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и
отделки стен, лестниц и др. частей зданий. К строительному стеклу относят
также тепло- и звукоизоляционные материалы (пеностекло и стекловата) и
стеклянные трубы. Строительное стекло подразделяют на листовое оконное
стекло, полированное, витринное, армированное, узорчатое, цветное,
профилированное, стеклоблоки, стеклопакеты, марблит, коврово-мозаичное,
увиолевое стекло, стемалит и некоторые др. виды.
Оконное строительное стекло вырабатывается в виде плоских листов размером
от 400 Х 400 до 1600 Х 2200 мм и толщиной от 2 до 6 мм, плотность 2470—2500
кг/м2 средняя прочность при симметричном изгибе 40Мн/м2 (400 кгс/см2),
светопропускание 84—87%.
Полированное строительное стекло обладает минимальными оптическими
искажениями, применяется для остекления витрин и оконных проёмов в
общественных зданиях, для зеркал и т.д. Из полированного закалённого стекла
толщиной 10—20 мм изготовляют стеклянные полотна для дверей размером от
2200 Х 700 до 2600 Х 1040 мм.
Узорчатое строительное стекло имеет с одной стороны рифлёную поверхность,
предназначается для рассеяния света. Размеры его от 400 Х 400 до 1200 Х
1800 мм при толщине 3—6,5 мм. Узорчатое строительное стекло с матовым или
«морозным» рисунком используют для остекления лестничных клеток, внутренних
перегородок.
Цветное строительное стекло может быть окрашенным по всей толщине или
состоять из 2 слоев — основного бесцветного и тонкого цветного: применяют
для витражей, декорирования мебели, остекления зданий.
Профилированное строительное стекло — стекло с профилем швеллерного или
коробчатого типа (стекор). Применяется как стеновой материал (гаражи,
киоски, автобусные остановки и т.д.), толщина 6 мм, светопропускание
0,6—0,75%.
Марблит — прокатанное глушенное цветное строительное стекло для облицовки
стен внутренних помещений промышленных и общественных зданий.
Стеклянные трубы применяются в качестве трубопроводов на заводах химической
и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве; характеризуются повышенной
коррозионной стойкостью в сравнении с металлическими. Потери на трение при
протекании жидкости в стеклянных трубах на 22% ниже, чем у новых чугунных,
и на 6,5% ниже, чем у новых стальных. Стеклянные трубы выпускаются с
внутренним диаметром от 38 до 200 мм.
Стекло оптическое— прозрачное стекло любого химического состава,
обладающее высокой степенью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и
другие оксиды; кроны — 72% SiO щелочные и другие оксиды.
Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.
Стекло строительное— изделия из стекла, применяемые в строительстве.
Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства
прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц
и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и
звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата),
стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и
других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных
перекрытий и т. д. Большая часть ассортимента строительного стекала служит
для остекления световых проёмов: листовое оконное стекло, зеркальное,
рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот
же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и
полупрозрачных перегородок.
Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве,
вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным
или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её
охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых
размеров. Существенным недостатком листового оконного стекла является
наличие некоторой волнистости, искажающей предметы, просматриваемые через
него (в особенности под острым углом).
Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих
сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями.
Современный наиболее распространённый способ производства зеркального
стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между
двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и
полировке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках.
Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях —
до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому
оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло;
применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных
зданиях, витрин и для изготовления зеркал; механические свойства мало
отличаются от механических свойств оконного стекла.
Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём
прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как
бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется
получить рассеянный свет.
Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для
внутренних перегородок, дверных филёнок и остекления лестничных клеток;
изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла.
Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон.
Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на
поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе
с верхними слоями стекла.
Армированное стекло содержит в толще своей проволочную сетку; оно более
прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время
пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому
армированное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и
общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов
противопожарных стен. Вырабатывается методом непрерывного проката между
валками с закаткой проволочной сетки, сматываемой с отдельного барабана.
Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые
асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей,
перекрытия стеклянных галерей и пассажей.
Сдвоенные (пакетные) стекла с воздушной или светорассеивающей прослойкой
(например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теплоизоляционными
свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной
рамкой. Толщина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12—15 мм.
Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей
сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых
проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую
освещённость рабочих мест и обладают высокими теплоизоляционными
свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в
виде панелей, перевязанных металлическими переплётами.
Облицовочное стекло (марблит) представляет собой непрозрачное цветное
листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на
литейном столе с последующим отжигом в туннельных печах. Применяется для
отделки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному
стеклу относится также цветное металлизированное стекло.
Стекло кварцевое— содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло
выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей
кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых
кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет
очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту
расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к
воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной
посуды, тиглей, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп
(«горное солнце»), применяемых в медицине и др.
Стекло органическое (плексиглас) — прозрачная бесцветная пластическая
масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой
кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое
стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств
защиты в лабораториях и др.
Стекло рсстворимое— смесь силикатов натрия и калия (или только натрия),
водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло
применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки
тканей, изготовления огнезащитных красок, силикагеля, для укрепления слабых
грунтов, канцелярского клея и др.
Стекло химико-лабораторное— стекло, обладающее высокой химической и
термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят
оксиды цинка и бора.
Стекловолокно— искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой
поверхностью, получаемое вытягиванием или расчленением расплавленного
стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации
горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов,
изготовления сальниковых набивок в кислотных насосах, армирования
стеклопластиков и др.
Оптическое стекло.
Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако
возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу
19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ
механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения —
круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло.
Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло
высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило
дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и
Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод
товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное
многообразие современных оптических стекол. До 1914 производство
оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В
России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно
достигло большого развития только после Великой Октябрьской
социалистической революции благодаря работам советских учёных Д. С.
Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.
Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу— это высокая
степень однородности. Отсутствие однородности вызывает отклонение лучей
света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого
назначения. Однородность оптического стекла нарушается причинами
химического и физического порядка. Химическая неоднородность обусловлена
местными изменениями химического состава и устраняется размешиванием
оптического стекла в процессе варки. Физическая неоднородность вызывается
напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и
устраняется тщательным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые
оптические свойства— точные величины показателей преломления для лучей
различных длин волн. Большой ассортимент оптического стекла с различными
показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при
расчёте и конструировании оптических систем для снижения их дефектов, в
частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления
качества изображения.
Оптические свойства стекла зависят от его химического состава.
Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми
значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла,
например, не содержат кремнезёма (основного составляющего любого стекла),
другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших
количествах. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка
90—97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть
химически устойчивым по отношению к действию влажной атмосферы и к действию
слабых кислот, характеризующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к
прикосновению рук.
Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые
материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья
весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и
хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка
оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах. Важнейшая
операция в производстве оптического стекла— размешивание стекла в процессе
варки и, особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла
применяются три способа:
1) охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и
формовкой этих кусков в нагретом состоянии;
2) отливка стекломассы в железную форму;
3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.
Оптические стекла выпускаются стекловаренными заводами в виде прямоугольных
кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок — «прессовки» (линзы,
призмы).
К оптическим стеклам можно отнести также и специально окрашенные цветные
стекла, применяемые для изготовления точных светофильтров, которые в виде
плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и
служат для изменения спектрального состава проходящего через них света. Эти
цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же
приёмами, что и оптическое стекло.
| |
