Самый распространенный элемент в звезде. Самые распространенные химические элементы на Земле и во Вселенной — Topkin. На Земле - кислород, в космосе - водород
В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex - кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе в греческого kremnos - «утес, гора».
По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6-29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём или оксид кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается.
Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с длиной связи С-С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению.
 |
 |
Элементарный кремний - типичный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,09 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·1016м-3. На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы - бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью - добавки элементов V-й группы - фосфора, мышьяка или сурьмы. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
 |
В настоящее время кремний - основной материал для электроники. Монокристаллический кремний - материал для зеркал газовых лазеров. Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях. Соединения металлов с кремнием - силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами. Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент).
50.Наблюдаемые факты, подтверждающие теорию «горячей» Вселенной.
Физическая теория эволюции Вселенной, в основе которой лежит предположение о том, что до того, как в природе появились звезды, галактики и другие астрономические объекты, вещество представляло собой быстро расширяющуюся и первоначально очень горячую среду. Предположение о том, что расширение Вселенной началось с "горячего" состояния, когда вещество представляло собой смесь различных взаимодействующих между собой элементарных частиц высоких энергий, было впервые выдвинуто Г.А.Гамовым в 1946 г. В настоящее время Г.В.Т. считается общепризнанной, Двумя самыми важными наблюдательными подтверждениями этой теории является обнаружение реликтового излучения, предсказанного теорией, и объяснение наблюдаемого соотношения между относительной массой водорода и гелия в природе.
51.Методы определения химического состава звезд и планет. Наиболее распространенные химические элементы во Вселенной.
Несмотря на то, что с момента запуска в космос первого космического аппарата прошло уже несколько десятилетий, большинство исследуемых астрономами небесных объектов являются пока недосягаемыми. Между тем, даже о самых отдалённых планетах солнечной системы и их спутниках собрано достаточно сведений.
Астрономам часто приходится применять для исследования небесных тел дистанционные способы. Одним из самых распространённых является спектральный анализ. При помощи него удаётся определить приблизительный химический состав атмосферы планет и даже их поверхности.
Дело в том, что атомы различных веществ излучают энергию в определённом диапазоне волн. Измерив энергию, которая выделяется в определённом спектре, специалисты могут определить и общую их массу, а соответственно, и то вещество, которое создает излучение.
Однако чаще всего при определении точного химического состава возникают некоторые трудности. Атомы вещества могут находиться в таких условиях, что их излучение трудно наблюдать, поэтому необходимо учитывать некоторые побочные факторы (например, температуру объекта).
Спектральные линии помогают, дело в том, что каждый элемент имеет определенный цвет спектра и рассматривая какую нибудь планету (звезду) ну в общем объект, при помощи специальных приборов - спектрографов, мы можем увидить их испускаемый цвет или ряд цветов! Потом по табличке специальной смотрится, какому веществу эти линии принадлежат! ! Наука этим занимающаяся - спектроскопия
Спектроскопия - раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения.
Спектральный анализ - совокупность методов определения состава (например, химического) объекта, основанный на изучении свойств приходящего от него излучения (в частности, света) . Оказалось, что атомы каждого химического элемента имеют строго определенные резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектре видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и даже его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный ”по спектрам испускания” и абсорбционный ”по спектрам поглощения”.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, экспрессностью, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг) , необходимого для анализа на большое число элементов. Спектры эмиссии получают переведением вещества в парообразное состояние и возбуждением атомов элементов нагреванием вещества до 1000-10000°С. В качестве источников возбуждения спектров при анализе материалов, проводящих ток, применяют искру, дугу переменного тока. Пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя различных газов. Спектральный анализ - чувствительный метод и широко применяется в химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке и др. Метод был предложен в 1859 г. Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. С его помощью гелий был открыт на Солнце ранее, чем на Земле.
Распространённость химических элементов, мера того как распространены или редки элементы по сравнению с другими элементами в данной среде. Распространённость в различных случаях могут измерять массовой долей, мольной долей или объёмной долей. Распространённость химических элементов часто представляется кларками.
Например, массовая доля распространённости кислорода в воде составляет около 89 %, потому что это доля массы воды, которой является кислород. Однако, мольная доля распространённости кислорода в воде только 33 %, потому что только 1 из 3 атомов в молекуле воды является атомом кислорода. Во Вселенной в целом, и в атмосферах газовых планет-гигантов, таких как Юпитер, массовая доля распространенности водорода и гелия около 74 % и 23-25 % соответственно, в то время атомная мольная доля элементов ближе к 92 % и 8 %.
Однако, так как водород является двухатомным, а гелий - нет, в условиях внешней атмосферы Юпитера, молекулярная мольная доля водорода составляет около 86 %, а гелия - 13 %.
На Земле - кислород, в космосе - водород
Во Вселенной больше всего водорода (74 % по массе). Он сохранился со времен Большого взрыва. Лишь незначительная часть водорода успела превратиться в звездах в более тяжелые элементы. На Земле самый распространенный элемент - кислород (46–47 %). Большая его часть связана в форме оксидов, прежде всего оксида кремния (SiO 2). Земные кислород и кремний возникли в массивных звездах, которые существовали до рождения Солнца. В конце своей жизни эти звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос образовавшиеся в них элементы. Конечно, в продуктах взрыва было много водорода и гелия, а также углерода. Однако эти элементы и их соединения обладают большой летучестью. Вблизи молодого Солнца они испарялись и давлением излучения выдувались на окраины Солнечной системы
Десять самых распространенных элементов в Галактике Млечный Путь *
* Массовая доля на миллион.
К моменту рождения первой звезды, где-то 50-100 миллионов лет после Большого Взрыва, обильное количество водорода начало сливаться в гелий. Но что еще более важно, самые массивные звезды (в 8 раз массивнее нашего Солнца) сжигали свое топливо очень быстро, выгорая всего за пару лет. Как только в ядрах таких звезд заканчивался водород, гелиевое ядро сжималось и начинало сливать три ядра атома в углерод. Потребовался всего триллион этих тяжелых звезд в ранней Вселенной (которая образовала намного больше звезд в первые несколько сотен миллионов лет), чтобы литий был побежден.
И тут вы, наверное, думаете, что углерод стал элементом номер три в наши дни? Об этом можно подумать, поскольку звезды синтезируют элементы послойно, как луковица. Гелий синтезируется в углерод, углерод в кислород (позже и при большей температуре), кислород в кремний и серу, а кремний в железо. В конце цепочки железо не может слиться больше ни во что, поэтому ядро взрывается и звезда становится сверхновой.
Эти сверхновые, этапы, которые к ним привели, и последствия обогатили Вселенную содержимым внешних слоев звезды, водородом, гелием, углеродом, кислородом, кремнием и всеми тяжелыми элементами, которые сформировались в ходе других процессов:
- медленного захвата нейтрона (s-процесс), последовательно выстраивающего элементы;
- слияния ядер гелия с тяжелыми элементами (с образованием неона, магния, аргона, кальция и так далее);
- быстрого захвата нейтрона (r-процесс) с образованием элементов до урана и дальше.
Но у нас было не одно поколение звезд: у нас было много таких, и поколение, которое существует ныне, построено в первую очередь не на девственном водороде и гелии, но и на остатках от предыдущих поколений. Это важно, поскольку без этого у нас никогда бы не было твердых планет, лишь газовые гиганты из водорода и гелия, исключительно.
За миллиарды лет процесс образования и смерти звезд повторялся, все с более и более обогащенными элементами. Вместо того чтобы просто сливать водород в гелий, массивные звезды сливают водород в цикле C-N-O, со временем выравнивая объемы углерода и кислорода (и чуть меньше азота).
Кроме того, когда звезды проходят через гелиевый синтез с образованием углерода, довольно просто захватить лишний атом гелия с образованием кислорода (и даже добавить еще один гелий к кислороду с образованием неона), и даже наше Солнце будет делать это во время фазы красного гиганта.
Но есть один убийственный шаг в звездных кузницах, который исключает углерод из космического уравнения: когда звезда становится достаточно массивной, чтобы инициировать слияние углерода - такова необходимость для образования сверхновой II типа - процесс, который превращает газ в кислород, идет до отказа, создавая намного больше кислорода, чем углерода, к моменту, когда звезда готова к взрыву.
Когда мы смотрим на останки сверхновой и планетарные туманности - остатки очень массивных звезд и солнцеподобных звезд соответственно - мы находим, что кислород превосходит углерод массово и количественно в каждом из случаев. Мы также обнаружили, что ни один из других элементов тяжелее и близко не стоит.
Итак, водород #1, гелий #2 — этих элементов во Вселенной очень много. Но из оставшихся элементов кислород держит уверенный #3, за ним углерод #4, неон #5, азот #6, магний #7, кремний #8, железо #9 и среда завершает десятку.
Что будущее нам готовит?
Спустя достаточно длительный период времени, который в тысячи (или миллионы) раз превышает текущий возраст Вселенной, звезды будут продолжать формироваться либо извергая топливо в межгалактическое пространство, либо сжигая его по мере возможности. В процессе этого гелий может наконец обойти водород по распространенности, ну или водород останется на первой строчке, если будет достаточно изолирован от реакций синтеза. На длинной дистанции вещество, которое не будет выброшено из нашей галактики, может сливаться снова и снова, так что углерод и кислород обойдут даже гелий. Возможно, элементы #3 и #4 сместят первые два.
Вселенная меняется. Кислород - третий по распространенности элемент в современной Вселенной, и в очень, очень далеком будущем, возможно, поднимется выше водорода. Каждый раз, когда вы вдыхаете воздух и чувствуете удовлетворение от этого процесса, помните: звезды - единственная причина существования кислорода.
Водород является самым распространенным элементом во Вселенной. Но почему?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к Большому взрыву, сказала Майя Найман, профессор химии в Университете штата Орегон.
Большой взрыв привел к созданию всех элементов, которые мы можем найти в периодической таблице. Они являются строительными блоками, помогающими создать Вселенную. Каждый элемент имеет уникальный номер элементарных частиц - протонов (положительно заряженных), нейтронов (нейтральных) и электронов (отрицательно заряженных).
Самый простой и распространенный элемент
Водород имеет только один протон и один электрон (это единственный элемент без нейтрона). Он является самым простым элементом во Вселенной, что объясняет, почему он также самый распространенный, - сказала Найман. Тем не менее изотоп водорода, называемый дейтерием, содержит один протон и один нейтрон, а другой, известный как тритий, имеет один протон и два нейтрона.
В звездах атомы водорода сливаются, чтобы создать гелий – второй наиболее распространенный элемент во Вселенной. Гелий имеет два протона, два нейтрона и два электрона. Вместе гелий и водород составляют 99,9 процента всей известной материи во Вселенной.
Тем не менее во Вселенной примерно в 10 раз больше водорода, чем гелия, как говорит Найман. "Кислорода, который является третьим самым распространенным элементом, примерно в 1000 раз меньше, чем водорода", - добавила она.
Если говорить в общем, то чем выше атомный номер элемента, тем меньшее его количество можно найти во Вселенной.
Водород в составе Земли
Состав Земли, однако, отличается от того, который имеет Вселенная. Например, кислород является наиболее распространенным элементом по весу в земной коре. За ним следуют кремний, алюминий и железо. В человеческом организме наиболее распространенным элементом по весу является кислород, а затем - углерод и водород.
Роль в человеческом теле
Водород имеет ряд ключевых ролей в человеческом теле. Водородные связи помогают ДНК оставаться скрученным. Кроме того, водород способствует поддержанию правильного рН в желудке и других органах. Если ваш желудок приобретает слишком щелочную среду, выпускается водород, поскольку он связан с регулированием этого процесса. Если же среда в желудке слишком кислая, водород будет связываться с другими элементами.
Водород в составе воды
Кроме того, именно водород позволяет льду плавать на поверхности воды, так как водородные связи увеличивают расстояние между ее замороженными молекулами, что делает их менее плотными.
Как правило, вещество является более плотным, когда оно находится в твердом состоянии, а не жидком, сказала Найман. Вода является единственным веществом, которое становится менее плотным в твердом виде.
В чем опасность водорода
Тем не менее водород также может быть опасным. Его реакция с кислородом привела к катастрофе дирижабля "Гинденбург", который убил 36 человек в 1937 году. Кроме того, водородные бомбы могут быть невероятно разрушительными, хотя их никогда не использовали в качестве оружия. Тем не менее их потенциал продемонстрировали в 1950-х годах такие страны, как США, СССР, Великобритания, Франция и Китай.
Водородные бомбы, как и атомные, используют сочетание ядерного синтеза и реакций деления, что приводит к разрушениям. При взрыве они создают не только механические ударные волны, но и радиацию.
Статьи по теме
