книги из ГПНТБ / Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся

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,

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.

(2) Издательство «Просвещение», 1974 г.

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

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

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