Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

Оптические переключатели

Химия сыграла весомую роль не только в разработке новых материалов, таких как оптические волокна, и процессов их получения, но и в создании материалов для оптических устройств, предназначенных для переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Эта область открывает замечательные возможности ведь оптический переключатель способен срабатывать за одну миллионную миллионной доли секунды (за пикосекунду). В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия алюминия, продукты электронной индустрии. Однако органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены могут давать оптические эффекты, превосходящие возможности ниобата лития. Эта область исследований обещает много новых открытий и технологических разработок.

НОВЫЕ ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Полупроводники

Пятидесятые годы ознаменовались блестящими достижениями в физике твердого тела, заложившими фундамент

глубокого понимания природы чистых полупроводниковых материалов. Поскольку в процессе проведения этих исследований выяснилось, что необходимы монокристаллы элементных кремния и германия с содержанием примесей не более одной части на 100 миллионов, химикам также пришлось заняться этими проблемами. В результате полупроводниковые свойства были обнаружены у бинарных соединений элементов III и V групп Периодической системы, например у соединения галлия и мышьяка. Одно из типичных соединений III-V-антимонид индия, смешанный полупроводник, который уже 15 лет используется как один из самых чувствительных детекторов в ближней инфракрасной области. Несколько позднее в центре внимания оказались монокристаллы арсенида галлия различной толщины с различным содержанием примесей. Материалы этого рода служат для изготовления лазеров и лазерных дисплейных устройств, используемых в длинноволновых оптических линиях связи.

По мере расширения круга материалов, применяемых в полупроводниковых технологиях, в эту работу вовлекалось все больше и больше химиков. Скачок активности химиков совпал с поразительным открытием полупроводниковых свойств аморфного (некристаллического) кремния. Поскольку общепринятая и весьма эффективная теория полупроводникового поведения, вошедшая во все учебники, ориентирована на свойства абсолютно упорядоченных твердых тел, в рамках этой теории нельзя было ни предсказать существование аморфных полупроводников, ни удовлетворительно описать их.

Для объяснения этой загадки пользуются химическим языком и хищническими концепциями (например, говорят о «блуждающих связях» в аморфном кремнии).

Мы находимся на пороге новой эры в науке о твердом теле: физики продолжают развивать успехи, достигнутые ими в изучении свойств новых твердотелых материалов, роль же химиков существенно возрастает. Дело в том, что в настоящее время открыты совершенно новые группы твердых тел, обладающих электрической проводимостью, свойства которых в значительной степени определяются способностью химиков контролировать локальные структуры и молекулярные свойства. Как мы увидим далее, некоторые из этих материалов относятся к классу неорганических, другие – к классу органических соединений.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Развитие многих современных технологий сдерживается изза отсутствия подходящих конструкционных материалов. Реактивные и автомобильные двигатели, ядерные реакторы, магнитогидродинамические генераторы и теплозащитные щиты космических кораблей – примеры из настоящего. В будущем проблема материалов возникнет в связи с реализацией управляемого термоядерного синтеза. Мощность и эффективность любого теплового двигателя – парового, внутреннего сгорания, реактивного – с повышением рабочей температуры возрастает. Поэтому работа над получением новых материалов, которые позволили бы повысить рабочие температуры, имеет большое экономическое значение.

Новые методы синтеза

Существует ряд перспективных методов приготовления термостойких материалов. Это имплантация ионов, пламенный синтез, плавление в отсутствие гравитации, напыление на кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков (эпитаксия) и химическая конденсация из пара под действием тлеющего разряда (плазма). Относительно недавно был предложен необычный метод, базирующийся на использовании лазерной техники. Луч мощного импульсного лазера, сфокусированный на твердой поверхности, способен кратковременно (менее чем за 100 нс) создавать исключительно высокие локальные температуры, вплоть до 10000 К. В месте фокусировки такого короткого высокотемпературного импульса, происходят значительные химические и физические изменения, например, модификация поверхности, образование поверхностных сплавов, а в условиях конденсации пара он может инициировать специфические химические реакции. Все упомянутые методы приводят к термодинамически нестабильным фазам с особыми «замороженными» свойствами. (Примером подобной фазы служит алмаз) Этот драгоценный камень ценится за «игру» света и исключительную твердость, но в нормальных условиях он термодинамически неустойчив относительно графита.

Часть II. Неорганическая химия

План всех представленных в части II лекций:

1. Нахождение в природе;

2. Структура;

3. Получение в промышленности;

4. Химические свойства;

5. Наиболее известные производные и их свойства;

6. Применение

Часть II

Неорганическая химия

Лекция 15

Химия элементов и их соединений. Инертные газы

Химия элементов и их соединений. Инертные газы

Самостоятельно: водород, кислород, озон, перекись водорода, вода.

Впервые инертные газы были получены в 1785 году Кавендишем. Но эти годы не были индефицированы. При проверке гипотезы Проута ( все элементы можно представить в виде сум-мы атомов водорода) выдающийся английский физик Рэлей установил различие атомных масс азота, полученного из воздуха

при разложения неорганических соединений (NH4NO2).

дальнейшим инертные газы (ИГ) впервые открыты с использованием современных спектроскопических методов Рэлеем и Ролуаем. Основные физические свойства приведены в следующей таблице:

Свойства

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Электронное строение

2

2 6

2 6

2 6

2 6

2 6

1s

2s 2p

3s 3p

4s 4p

5s 5p

6s 6p

R атома

1,22

1,6

1,92

1,98

2,18

2,14

ρ, г/л

0,18

1,9

1,78

3,71

5,85

9,73

J, э/в

24,58

21,56

15,75

14

12,13

10,75

Содержание, в Н %

5·10-4

16·10-4

0.93

10-4

10-6

10-12

Получение:

Все инертные газы полиизотопны. И.Г. в настоящее время получены при сжижении воздуха с последующей отгонкой O2 и N2.

И.Г. располагаются в несжижающейся части воздуха. Не и Ne и некоторые другие газы пполучают с помощью вымораживания или с помощью хромотографических методов разделения.

Физические свойства И.Г.

И.Г. – одноатомны, являются газообразными веществами, бесцветны, не обладают запахом и вкусом. Из этих элементов –

Rn (радон) является радиоактивным элементом. Ограничено растворение их в жидкости. Например, в 100 объемах воды растворяется 1 объем He, 6 объемов Ar, 50 объемов Rn. И.Г. имеет низкие температуры кипения и плавления. tкип He = 2,19° K

He – является «Квантовой жидкостью». Он обладает свойствами сверхтекучести и сверхпроводимости.

Химические свойства

Впервые в 30–е годы Л.Поменгом была предсказана возможность образования химических соединений при взаимодействии И.Г. с сильными окислителями (F). Но эксперименты по обнаружению их не увенчались успехом. В тоже время известно, что некоторые И.Г. образуют некоторые соединения включения или клатрат. Клатраные соединения (кристаллической структуры), в полости могут находиться атомы И.Г. В этом случае не происходит образование химической связи ковалентного типа, а образуются межмолекулярные химические связи.

Xe ∙ 6H2O

В 1967 г. Дж. Бартлетт впервые показал, что при взаимодействии сильного PtF6 происходит образование кристаллического вещества по следующей схеме:

Xe+PtF6 = Xe[PtF6] – компл. соединение (крист.оранж.цвета)

При повышении температуры и давления удалось получить:

XeF2, XeF4, XeF6, XeF8

Затем удалось получить производные Kr; KrF2; KrF4; производные Rn и, как считается в литературе, производная Ar. В настоящее время не известны соединения Ne, He. Oказалось, что эти соединения могут взаимодействовать с различными хими-ческими веществами: