Какими способами можно узнать свойства веществ
Не так уж часто удается написать заметку о том, что не просто войдет в школьные учебники будущего, а станет одной из базовых картинок-иллюстраций. Химики из Сколковского института науки и технологий Артем Оганов и Захед Алахъяри придумали и рассчитали, как расположить химические элементы в порядке постепенного изменения их химических свойств. Такая последовательность удобнее, чем таблица Менделеева, для предсказания твердости, стабильности, намагниченности и других свойств элементов и их соединений. О том, как было сделано и что значит это отрытые, “Коту” рассказал профессор Сколтеха Артем Оганов.
Артем Оганов – кристаллограф-теоретик, создатель ряда новых материалов, а главное, методов, которые позволяют открывать новые материалы. Решил считавшуюся нерешаемой задачу предсказания кристаллической структуры вещества на основе его химического состава. Создал программу USPEX, способную предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов. Один из самых цитируемых в мире ученых.
Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьей садились в самолет. У меня четверо детей, и все они расположились у меня на голове и прочих частях тела и к тому же продолжали непрерывно двигаться. Опытные родители знают, что сопротивляться этому бессмысленно, а беспокоиться неразумно. Поэтому мой мозг перестал метаться, анализируя внешние сигналы, и застыл, сфокусировавшись в одной точке. Точка эта оказалась на спинке впередистоящего кресла. Там-то и начал проступать основной график будущей работы. Я вдруг увидел, что элементы таблицы Менделеева не размазаны равномерно в пространстве своих свойств, а, как звезды в Галактике, расположены более-менее на плоскости.
Эта проблема волновала меня последние 15 лет. В 1984 году британский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввел понятие менделеевских чисел, – с их помощью он сгруппировал элементы в порядке изменения их химических свойств. В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками. Так, после самого химически активного неметалла фтора идет инертный неон, а сразу за ним – активнейший металл натрий. Можно ли найти вариант, при котором рядом бы стояли похожие по свойствам элементы?
Петтифор предложил решение – выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но как приписал, не объяснил. И тем более не объяснил, какой у них физический смысл. Эти числа не расчет, а произвол, хотя и основанный на наблюдениях за свойствами бинарных соединений – веществ, состоящих из двух разных атомов. Скажем, если NaCl и KCl похожи, то и натрий с калием должны стоять рядом. Все это время ученые модифицировали и улучшали менделеевские числа, но что это такое, так никто и не объяснил.
У химических элементов есть разные характеристики, которые влияют на их свойства. Прежде всего размер атома (его радиус), валентность, поляризуемость*, электроотрицательность**. Но валентность – параметр непостоянный, у разных элементов могут быть разные валентности, а мы неоднократно открывали химические соединения, которые с точки зрения привычных представлений о валентности не могли бы существовать. Но существуют. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью.
*Поляризуемость – способность атома или молекулы становиться электрически полярными во внешнем электромагнитном поле. Поляризуемость показывает, насколько легко может возникнуть заряженная частица (ион) или новая химическая связь.
**Электроотрицательность – способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (F, O, N, Cl), низкая – у активных металлов (Li, Na, K).
Получается, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси Х – радиус, а по оси Y – электроотрицательность, мы получаем плоскость, на которой сильно вытянутым облаком располагаются элементы. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приемом, можно провести линию, вдоль которой элементы встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.
Так мы открыли физический и химический смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств атома одним числом. Но мы предложили не только объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева, в которой нет места субъективности – только расчеты на основе фундаментальных характеристик атомов. Мы назвали это “Универсальной последовательностью элементов”, по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращенно USE. И действительно, наша последовательность удобна в применении: она предсказывает свойства химических соединений лучше, чем петтифоровские менделеевские числа и их позднейшие модификации.
Если расположить элементы на осях, то на плоскости будут бинарные соединения – молекулы и кристаллы, состоящие из двух типов атомов. Мы обнаружили, что на этом поле – его можно назвать химическим пространством – возникают области соединений с близкими свойствами, например твердостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, например, что алмаз, состоящий только из углерода, – самый твердый из кристаллов. А как искать другие твердые вещества? По соседству с алмазом в его химическом пространстве.
Улучшенные менделеевские числа помогут находить новые соединения с полезными свойствами и смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с привычной таблицей Менделеева. Например, уже сейчас можно ставить точку в споре, где должен находиться водород: над литием или над фтором. Согласно менделеевским числам, водород ближе к галогенам, чем к щелочным металлам.
Ссылка: Zahed Allahyari and Artem R. Oganov, Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space: J. Phys. Chem. C 2020, 124, 43, 23867-23878.
Универсальная последовательность элементов (USE)
Журнал “Кот Шрёдингера”
Как вычисляются числа Менделеева
Универсальная последовательность элементов определяется их проекцией на линию, обозначенную синим цветом. Журнал “Кот Шрёдингера”
Источник
28 марта 2012
Автор
КакПросто!
Химические свойства вещества – это способность изменять свой состав в ходе химических реакций. Реакция может протекать либо в виде саморазложения, либо при взаимодействии с другими веществами. Свойства вещества зависят не только от его состава, но и от структуры. Вот характерный пример: и этиловый спирт, и этиловый эфир имеют одинаковую эмпирическую формулу С2Н6О. Но химические свойства у них разные. Поскольку структурная формула спирта СН3–СН2-ОН, а эфира – СН3-О-СН3.
Инструкция
Есть два основных способа определения свойств: теоретический и практический. В первом случае представление о свойствах вещества делают, исходя из его эмпирической и структурной формулы.
Если это простое вещество, то есть состоящее из атомов только одного элемента, для ответа на этот вопрос достаточно посмотреть в таблицу Менделеева. Есть четкая закономерность: чем левее и ниже располагается элемент в таблице, тем сильнее у него выражены металлические свойства (достигая максимума у франция). Соответственно, чем правее и выше, тем сильнее неметаллические свойства (достигая максимума у фтора).
Если вещество относится к классу оксидов, его свойства зависят от того, с каким элементом соединен кислород. Бывают основные оксиды, образованные металлами. Соответственно, они проявляют свойства оснований: реагируют с кислотами, образуя соль и воду; с водородом, восстанавливаясь до металла. Если же основной оксид образован щелочным или щелочноземельным металлом, он вступает в реакцию с водой, образуя щелочь, или с кислотным оксидом, образуя соль. Например:СаО + Н2О = Са(ОН)2;К2О + СО2 = К2СО3.
Кислотные оксиды реагируют с водой, образуя кислоту. Например: SO2 + H2O = H2SO3. Также они реагируют с основаниями, образуя соль и воду:СО2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O.
Если же оксид образован амфотерным элементом (например, алюминием, германием и т.п.), он будет проявлять как основные, так и кислотные свойства.
В том случае, когда вещество более сложного строения, заключение о его свойствах делают, рассматривая целый ряд факторов. Прежде всего, исходя из наличия и количества функциональных групп, то есть тех участков молекулы, которая непосредственно образует химическую связь. Для оснований и спиртов, например, это гидроксил-группа – ОН, для альдегидов – СOH, для карбоновых кислот – СООН, для кетонов – СО и т.д.
Практический же способ, как легко понять из самого названия, заключается в проверке химических свойств вещества опытным путем. Его подвергают взаимодействию с определенными реагентами при различных условиях (температуре, давлении, в присутствии катализаторов и т.п.) и смотрят, какой будет результат.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google
Privacy Policy and
Terms of Service apply.
Источник
Все категории
- Компьютеры и интернет
- Стиль и красота
- Спорт
- Работа и карьера
- Строительство и ремонт
- Города и страны
- Искусство и культура
- Путешествия и туризм
- Образование
- Общество и политика
- Гороскопы, магия, гадания
- Другое
- Юридическая консультация
- Фотография и видеосъемка
- Товары и услуги
- Наука и техника
- Знакомства, любовь, отношения
- Досуг и развлечения
- Философия, непознанное
- Бизнес и финансы
- Авто и мото
- Здоровье и медицина
- Еда и кулинария
- Животные и растения
- Семья и дом
- Темы для взрослых
- Знания
katya29 [53]
8 месяцев назад
14
Знания
Биология
1 ответ:
Alexandreeee7 месяцев назад
0
0
1.Визуальный(наблюдение)
2.Контактный
3.механический
4.Химический
Читайте также
Напишите интересные факты о белых медведях
Ян чжен нан
1 факт
Их шерсть бесцветная, так как шерстинки полые и прозрачные. Они отражают свет и кажутся белыми.
0
0
9 месяцев назад
Что входит в состав клетки
Мария2602
Это химический состав клетки
0
0
1 месяц назад
Прочитать ещё 2 ответа
1)Придумай и нарисуй экологические знаки,запрещающие ловить и приносить в живой угол птенцов и детёнышей диких животных.2)Придум
Артур Айзнер [9]
Вот, надеюсь подойдет.
0
0
9 месяцев назад
10000011110^2+1100110^2 Информатика
Zi2an
Воооооооооооооооооооооооот
0
0
1 месяц назад
На какой стороне горизонта ветви у деревьев длиннее и гуще
vfrcbv3
Ужное дерево длинее и гуще
0
0
1 месяц назад
Смотрите также:
Молодые родители удивлены, что у них, имеющих одинаковую (II) группу крови, родился ребенок с I группой крови. Какова вероятност
11·2 ответа
Раскройте особенности строения водорослей и их значение.
15·1 ответ
Пожалуйста помогитеКак понять “цветы моей души”?
6·1 ответ
Характеристика тканей растений
5·1 ответ
38. Установите последовательность расположения желѐз внутренней секреции сверху вниз: 1) тимус 2) поджелудочная железа 3) гипофи
13·2 ответа
Сложное вещество образовано:а) атомами одного химического элемента .б)атомами разных химических элементов.
15·1 ответ
Как клетка образует органические вещества ?
5·1 ответ
Что изучает Батаникаа)водорослиВ) плауну Б)хвощиг) губки
5·1 ответ
Когда возникли первые живые организмы?
6·1 ответ
Почему папоротники относятся к споровым
7·1 ответ
Источник
Личностные УУД:
Самоопределение (оформлять свои наблюдения);
нравственно-этические (уметь наблюдать);
смысло-образование (называть наблюдаемые
предметы); воспринимать речь учителя
(одноклассников), непосредственно не обращенную
к учащемуся; выражать положительное отношение к
процессу познания: проявлять внимание,
удивление, желание больше узнать.
Регулятивные УУД:
Удерживать цель деятельности до получения ее
результата – оценивать уровень владения тем или
иным учебным действием.
Познавательные УУД:
Проверять информацию, находить дополнительную
информацию, используя микролабораторию
«Окружающий мир».
Коммуникативные УУД:
Описывать объект: передавать его внешние
характеристики, свойства
Метапредметные УУД:
Самоконтроль (сравнивать, анализировать, делать
выводы; работать с учебником, с
микролабораториями для начальной школы);
целеполагания (формировать и удерживать учебную
задачу
Предметные УУД:
Уметь группировать объекты по их признакам и
свойствам.
Цели урока:
- познакомить детей с понятиями тело, вещество и
частица; - провести опыты для определения свойств веществ
с помощью микролаборатории; - познакомить со строением веществ в разных
агрегатных состояниях; - проверить знания учащихся по пройденным темам;
- развивать память, мышление.
Оборудование:
- проектор, экран (презентация);
- переносная лаборатория «Окружающий мир»;
- для опыта: 2 стакана; чайная ложка, сахар-песок,
вода; соль пищевая, лейка, лоток ( под опыты),
штатив, пробирки 2 штуки, чашка Петри, лупа ручная; - модели веществ.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
II. Повторение изученного (тест)
– Начнем с повторения пройденного материала.
– Выбери правильный ответ (на экране):
(Презентация, слайд
2)
1. Солнце – это …
к) планета;
п) звезда;
м) спутник луны.
2. Самое глубокое озеро в мире – это…(Слайд 3)
р) Байкал
с) Каспийское
3. Что относится к неживой природе? (Слайд 4)
а) собака;
к) солнце;
и) самолет.
4. Какое животное нельзя увидеть в зоопарке?
(Слайд 5)
б) зебра;
в) белый тигр;
д) слон;
р) мамонт
5. Прибор для определения сторон
горизонта?(Слайд 6)
а) термометр;
и)барометр.
о) компас
6. Группа животных, у которых 6 ножек? (Слайд 7)
а) паукообразные
д) насекомые
г) звери
к) птицы
7. Океан у берегов Антарктиды? (Слайд 8)
д)Северный Ледовитый;
к) Тихий
а) Южный:
л) Индийский
(Дети читают слово “природа”.)
III. Сообщение темы и целей урока
– Ребята, выответили на все вопросы.
Посмотрите на буквы, которые получись, отвечая на
вопросы (Высказывания детей.)
– Получилось слово “ПРИРОДА”. Сегодня на уроке
мы приступимк изучению нового раздела “Эта
удивительная природа”. Этот раздел поможет
нам узнать еще больше о природе. (Слайд 9)
– Тема нашего нового урока “Тела, вещества,
частицы”. Сегодня вы познакомитесь с
понятием “тело” и узнаете, из чего оно
состоит.
IV.Беседа потеме “Тела”
– Когда вы читаете или слышите слово “тело”,
что вы представляете?
–Телами называют все предметы, окружающие
нас.Среди бесчисленных и разнообразных тел есть
тела природы илиестественные тела.(Слайд
10)
– А еще есть тела, сделанные человеком. Их
называютискусственные тела
– Назовите тела, которые относятся к первой
группе.(Паук, трава, роса, облако, бабочка и др.)
– Назовите тела, которые относятся ко второй
группе.(Стакан, пенал, машина, стол, шапка и
др.) (Слайд 11)
– Как вы считаете, являются ли Солнце, звезды,
Луна телами? (Это тела неживой природы)
– Верно, это тела естественные, а еще их называютнебеснымииликосмическимителами.
V. Физкультминутка
VI. Понятие “вещества”
– Все тела состоят из веществ. (Слайд 12)
– Тела могут быть образованы одним веществом или
несколькими веществами.
Очень сложный состав имеют живые существа.
Например, в растениях есть вода, сахар, крахмал и
другие вещества.
Веществами называют то, из чего состоят тела.
Вещества бываюттвердые, жидкие, газообразные (газ).
(Слайд 13)
(Экран временно выключается)
VII. Опыт «Свойства веществ. Частицы» Работа
с лабораториями «Окружающий мир»
Беседа о технике безопасности.
Опыты:
1 Любое вещество обладает определенными
свойствами
– У вас на столе на штативе две пробирки с
веществами. Эти вещества можно употребить в пищу.
– Рассмотрим первое вещество, пробирка под № 1. (Там
сахар-песок)
– Как вы думаете, что это за вещество, на что оно
похоже? (На соль, сахар)
– Что вы можете о нем сказать? Оно твердое, жидкое
или газообразное? (Твердое)
(Все свои выводы дети записывают в тетради)
– Оно (это вещество) имеет цвет? (Да, белый)
– Вытяните подставку-лоток в ваших лабораториях
для следующей работы по определению свойств
данного вещества.
– Достаньте из лаборатории чашку Петри
– Высыпьте из пробирки это вещество в чашку
Петри и посмотрите на нее под лупой. (Они похожи
на кристаллики)
(Такую же работу проводят с веществом – соль)
– Ученые установили, что вещества состоят из
мельчайших частиц, которые видны только под
микроскопом. Как же можно убедиться, что эти
частицы существуют? Давайте проведем опыт. Для
опыта берется тело, образованное одним веществом
– возьмем одно из белых веществ, которое у вас на
столе под №1 (сахар).
– Налейте в один из стаканов питьевой воды из
леечки.
Чайной ложкой это вещество кладем в стакан с
водой, и перемешиваем ложкой.
– Что можно сказать об этом веществе? (Сначала
оно хорошо видно, но постепенно становится
невидимым, т.е. растворился)
Вывод: Растворяется в воде.
– Во время проведения опытов, на вкус нельзя
ничего пробовать. Но ,т.к. сегодня у нас опыты с
пищевыми продуктами и я заранее подготовила воду
питьевую и тщательно промыла используемое
оборудование, я разрешаю вам попробовать воду на
вкус.
– Попробуйте воду на вкус. (Она сладкая.) Вывод:
это вещество – сахар. Значит, сахар не исчез, он
остался в стакане.
– Почему же мы не видим сахар?
– Потому, что кристаллики сахара распались на
мельчайшие частицы, из которых он состоял
(растворился). И эти частицы перемешались с
частицами воды. Этот опыт показывает, что
вещества, а значит и тела, состоят из частиц.
Дописывают к свойствам 1 вещества: сахар, имеет
вкус, растворяется в воде.
– Скажите, раствор сахара в воде – это вещество
или смесь веществ?(Смесь двух веществ: сахара и
воды.)
Такую же работу проводят с веществом №2 – солью.
– Каждое вещество состоит из особых частиц,
которые по размеру и форме отличаются от частиц
других веществ. Ученые установили, что между
частицами есть промежутки. В твердых телах эти
промежутки маленькие. В жидкостях промежутки
больше. А в газах – еще больше.
(Учитель показывает слайд).
– В любом теле все частицы находятся в
постоянном движении. Ещё в глубокой древности
учёные высказывали мысль о том, что тела состоят
из не видимых глазом частиц. Этим они объясняли
многие природные явления. Почему, например,
высыхает намокшая одежда? Потому что с неё
улетают частички воды, недоступные для нашего
глаза.
Сложные частицы состоят из простых. Одни и те же
простые частицы, по-разному соединяясь, могут
образовывать самые разные сложные частицы. Позже
учёные убедились в том, что это действительно
так. Сложные частицы назвали молекулами, а
простые – атомами.
(Учитель показывает образец сбора молекулы
кислорода)
Вывод:
– На моделях молекул мы видим разницу в
строении веществ в различных агрегатных
состояниях.
Вывод: У жидкости плотность частиц
больше чем у газов, а в твердых веществах больше
чем в жидкостях.
X. Закрепление изученного материала
Проверь с помощью учебника, верны ли
приведенные ниже утверждения:
– Любой предмет, любое живое существо можно
назвать телом.
– Вещества – это то, из чего состоят тела.
– Вещества состоят из мельчайших частиц,
невидимых глазом.
XI. Итог урока
Сегодня мы познакомились с новыми понятиями:
тела, вещества, частицы.
– На какие две группы делятся тела?
– На какие группы делятся вещества?
– Из чего состоит вещество?
Слайды 14-16
Учитель оценивает ответы детей.
XII. Домашнее задание
Прочитать текст в учебнике “Тела, вещества,
частицы”
Источник